采煤驅(qū)動(dòng)下復(fù)雜井田含水層化學(xué)特征與水力聯(lián)系辨識(shí)

黃 磊,侯澤明,韓 萱,許 磊,張圣微,2李鋼柱,劉志強(qiáng)

采煤驅(qū)動(dòng)下復(fù)雜井田含水層化學(xué)特征與水力聯(lián)系辨識(shí)

黃 磊1*,侯澤明1,韓 萱1,許 磊1,張圣微1,2李鋼柱1,劉志強(qiáng)1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

通過(guò)分析復(fù)雜井田不同含水層的常規(guī)元素、微量元素、氘氧同位素與氚同位素的水化學(xué)特征來(lái)判斷各含水層的水力聯(lián)系,并分別建立了Piper識(shí)別圖版、Durov識(shí)別圖版、氘氧同位素識(shí)別圖版,借此可以快速甄別礦井突水的來(lái)源.結(jié)果表明:研究區(qū)地下水主要為大氣降水補(bǔ)給,第四系含水層與直羅組含水層存在顯著聯(lián)系,直羅組含水層與延安組存在有限的聯(lián)系.利用各含水層不同巖性導(dǎo)致的水化學(xué)離子特征差異和氘氧同位素、氚同位素的示蹤特性建立識(shí)別圖版,可有助于快速識(shí)別補(bǔ)連塔礦區(qū)突水水源,并對(duì)不同含水層的突水事故提出針對(duì)性的解決措施.

復(fù)雜井田；多層含水層；水力聯(lián)系；礦井突水；水化學(xué)特征；同位素示蹤

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采煤驅(qū)動(dòng)影響地下水系統(tǒng)變化機(jī)制[1-2]進(jìn)行了一定研究:如錢鳴高等[3]通過(guò)研究采煤驅(qū)動(dòng)作用對(duì)巖層原有平衡狀態(tài)的破壞,認(rèn)為采煤活動(dòng)導(dǎo)致裂隙增加、地下水水位下降與地表塌陷;冀瑞君等[4]通過(guò)研究神東礦區(qū)采煤活動(dòng)對(duì)窟野河流域地下水循環(huán)的影響機(jī)制,認(rèn)為采動(dòng)破壞了隔水層的隔水性,使含水盆地匯水面積減小,泉流量減小或干涸,同時(shí)一部分地下水轉(zhuǎn)化為礦井水;范立民等[5]通過(guò)對(duì)比1994年與2015年毛烏素沙漠與黃土高原接壤區(qū)泉數(shù)量、流量變化趨勢(shì)等,認(rèn)為混合入滲補(bǔ)給點(diǎn)受隔水層結(jié)構(gòu)破壞與側(cè)向補(bǔ)給截?cái)嗍菍?dǎo)致近20a來(lái)泉點(diǎn)大量消失的主要原因.

鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)有70多座煤礦,其中大規(guī)模大產(chǎn)能煤礦主要分布在黃河的一級(jí)支流烏蘭木倫河兩岸,是典型的沿河礦區(qū).連年持續(xù)高強(qiáng)度開采導(dǎo)致地下水問(wèn)題日益嚴(yán)重,已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展的重要因素.本文選取伊金霍洛旗補(bǔ)連塔煤礦為研究區(qū),該煤礦坐落于烏蘭木倫河西岸,是世界第一大單井井工礦.采煤驅(qū)動(dòng)作用直接影響著烏蘭木倫河流域引發(fā)地下水水位下降、淺水含水層疏干等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[6].

本研究區(qū)范圍內(nèi)前人的研究多集中于烏蘭木倫河流域地下水化學(xué)特征與成因機(jī)制分析[7]或某一離子的空間分布變化規(guī)律[8].多手段、多角度對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下井田各含水層化學(xué)特征與各含水層之間是否存在水力聯(lián)系的相關(guān)問(wèn)題研究較少. 因此,選取補(bǔ)連塔礦區(qū)地下水為研究對(duì)象,通過(guò)繪制主要含水層地下水化學(xué)特征識(shí)別圖版[9],揭示采煤驅(qū)動(dòng)下地下水化學(xué)特征與含水層聯(lián)通關(guān)系,為礦區(qū)快速定位礦井突水來(lái)源提供科學(xué)參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

補(bǔ)連塔礦區(qū)位于(109°33￠～110°10￠E,39°01￠～ 39°30￠N)內(nèi)蒙古西部干旱半干旱地區(qū)(圖1),年降雨量396.8mm,年蒸發(fā)量2772mm,面積約為130.9km2,地勢(shì)較為平坦,整體呈東高西低態(tài)勢(shì),黃河一級(jí)支流烏蘭木倫河位于礦區(qū)東側(cè)邊界,受當(dāng)?shù)夭擅菏韪捎绊?烏蘭木倫河及研究區(qū)內(nèi)三條支溝為季節(jié)性流水.

圖1 研究區(qū)概況

1.2 水文地質(zhì)條件

補(bǔ)連塔礦區(qū)地下水類型包括松散巖類孔隙水、松散巖類裂隙水與基巖類裂隙水,含水層順序由上至下分別為第四系含水層、直羅組含水層與延安組含水層.

松散巖類孔隙水的含水層為第四系含水層,厚度較薄,厚度約在10～30m,主要賦存于烏蘭木倫河兩側(cè)及其一級(jí)支流、河漫灘、一級(jí)階地及局部沙丘區(qū)域,降水入滲是孔隙水的主要補(bǔ)給來(lái)源,此外還接受灌溉回流與山區(qū)基巖側(cè)向補(bǔ)給.松散巖類裂隙水的含水層為直羅組含水層與下覆延安組含水層,直羅組含水層由西向東逐漸增厚,厚度約為10～120m之間,含水層在研究區(qū)西北側(cè)存在出露,出露處直接受風(fēng)化作用侵蝕;延安組為主要煤系地層,受采動(dòng)作用強(qiáng)烈.

主要隔水層為兩層,一:是介于第四系含水層與直羅組含水層的砂質(zhì)泥巖隔水層;二:是介于直羅組含水層與延安組含水層的砂質(zhì)泥巖隔水層.[10]

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)示意

1.3 樣品處理與分析

根據(jù)研究區(qū)氣候與水文地質(zhì)特征,在2021年8月進(jìn)行了水樣采集,采樣過(guò)程嚴(yán)格遵守《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[11]（HJ/T164-2004）,以烏蘭木倫河及其上游呼和烏素支流、下游活雞兔溝支流為界限,進(jìn)行網(wǎng)格狀采樣,并適當(dāng)向研究區(qū)外延伸,按照水樣采集深度分為4類:地表水采樣點(diǎn)6個(gè)、第四系含水層采樣點(diǎn)11個(gè)、直羅組含水層采樣點(diǎn)6個(gè)、延安組含水層采樣點(diǎn)6個(gè)(表1).

水樣裝于500mL水樣瓶?jī)?nèi),每個(gè)點(diǎn)采集3瓶,其中一瓶加入硝酸保存劑測(cè)試重金屬離子,并使用Parafilm封口膜密封保存.后將水樣送往內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院進(jìn)行測(cè)試,共測(cè)試Na+、K+、Ca2+、Mg2+、F-、Cl-、SO42-、NO3-、CO32-、HCO3-、TDS、pH值、D、18O、3H共15項(xiàng)指標(biāo).

表1 各層含水層采樣點(diǎn)編號(hào)

1.4 研究方法與數(shù)據(jù)處理

對(duì)水樣測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析[12-13];繪制不同含水層paper三線圖來(lái)判斷地下水化學(xué)主導(dǎo)類型;通過(guò)Schoeller圖[14-15]判斷各含水層離子置換與微量元素賦存情況;借助Durov圖[16-17]對(duì)地下水整體進(jìn)行水化學(xué)分類;根據(jù)以上分析結(jié)果,建立該研究區(qū)常規(guī)水化學(xué)組分識(shí)別圖版.

2 結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)離子分析

2.1.1 地表水與第四系含水層對(duì)比 由圖3可看出:地表水中Na+、K+、SO42-、Cl-富集,其中SO42-、Na+離子占比達(dá)70%以上;第四系含水層中Na+、K+有所下降,Ca2+、Mg2+離子濃度開始上升至22%左右,略少于Na+、K+的26%,依舊為Na+、SO42-為主導(dǎo),研究區(qū)的地下水主要為大氣降水補(bǔ)給,降水入滲后,逐漸與周圍巖石發(fā)生溶濾作用和陽(yáng)離子交換吸附作用[18],導(dǎo)致Na+、K+離子濃度降低而Ca2+、Mg2+離子濃度升高.

地表水采樣點(diǎn)地表水03-地表水01的化學(xué)類型由SO42-×Cl-—Ca2+×Mg2+型轉(zhuǎn)為SO42-×Cl--Mg2+型,鄰近采樣路徑第四系01-第四系02下,第四系含水層采樣點(diǎn)的化學(xué)類型由SO42-×Cl--Ca2+型轉(zhuǎn)為SO42-×Cl--Mg2+,地表水與第四系含水層水樣空間變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明地表水與第四系含水層之間存在水力聯(lián)系.

2.1.2 第四系含水層與直羅組含水層對(duì)比 由圖4可知:直羅組含水層較第四系含水層的采樣點(diǎn)中的SO42-濃度較高且數(shù)值較為穩(wěn)定,HCO3-、Mg2+離子濃度增高,而Cl-離子濃度降低,且降幅較大,地下水化學(xué)類型為Na+-SO42-主導(dǎo)型,兩個(gè)含水層的水化學(xué)特征具有相同的趨勢(shì).考慮到第四系含水層與直羅組含水層之間的隔水層為粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖,具有較好的隔水性,所以這兩層含水層本應(yīng)屬于兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的含水系統(tǒng),但直羅組地層受風(fēng)化侵蝕作用[19],導(dǎo)致地層厚度不一,東部剝蝕嚴(yán)重,逐漸向西部增厚,最厚處可達(dá)160m左右.所以含水的砂巖巖層厚度變化較大,在東部邊緣存在尖滅現(xiàn)象,且上部裂隙較為發(fā)育,導(dǎo)致第四系含水層與直羅組含水層存在水力聯(lián)系.

圖3 地表水與第四系含水層piper三線圖

圖4 第四系含水層與直羅組含水層piper三線圖

2.1.3 直羅組含水層與延安組含水層對(duì)比 延安組為研究區(qū)主要煤系地層,由圖5可知:延安組含水層部分水樣落點(diǎn)與直羅組含水層水樣落點(diǎn)出現(xiàn)重合,而另一部分落點(diǎn)與直羅組含水層水樣落點(diǎn)相差較大,在數(shù)值上整體具有較高SO42-與HCO3-濃度,Cl-離子濃度大幅下降,地下水化學(xué)類型為HCO3--Ca2+主導(dǎo)型.piper三線圖中延安組2號(hào)、3號(hào)水樣依舊與直羅組含水層落點(diǎn)具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,但延安組1, 4, 5, 6號(hào)水樣落點(diǎn)獨(dú)立于直羅組含水層水樣落點(diǎn),推測(cè)出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)?采煤驅(qū)動(dòng)作用下煤層上覆巖層裂隙發(fā)育,直羅組含水層中的地下水滲入延安組含水層[25-28],導(dǎo)致延安組含水層的地下水化學(xué)組分變得更為復(fù)雜,位于工作面上方的延安組水樣點(diǎn)2、3受擾動(dòng)影響較大;而位于工作面下方的地下水受采煤帶來(lái)的擾動(dòng)作用較小[20-22],所以延安組水化學(xué)特征與直羅組含水層的差異性更為顯著,直羅組含水層與延安組含水層是否存在水力聯(lián)系,需通過(guò)氫氧同位素進(jìn)一步判斷.

圖5 直羅組含水層與延安組含含水層piper三線圖

2.2 氘氧同位素分析

以標(biāo)準(zhǔn)海洋水的千分差(SMOW)表示所采水樣的氘氧值:

式中::代表樣品;:標(biāo)準(zhǔn)樣品;:同位素比率.

以鄂爾多斯市的氘氧同位素?cái)?shù)據(jù)建立當(dāng)?shù)氐慕邓€方程(LMWL)為[23-24]:

dD=6.5d18O-4.2(2)

以烏蘭木倫河及其季節(jié)性支流所采水樣的氘氧值計(jì)算當(dāng)?shù)睾恿髡舭l(fā)線方程(EL)和第四系含水層蒸發(fā)線方程分別為:

dD=3.85d18O-32.21(3)

dD=4.76d18O-23.41(4)

通過(guò)克雷格溫度效應(yīng)公式進(jìn)行誤差驗(yàn)證:

d18O=0.695t(℃)-13.6(‰)(5)

dD=5.6t(℃)-100(‰)(6)

式中:為當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?補(bǔ)連塔平均氣溫6.2℃,將帶入(5)、(6)中,得到18O=-9.291、D=65.28,將18O=-9.21帶入(3)式,得D=67.42,與通過(guò)(6)式得到的D=65.28誤差僅為2.14‰,說(shuō)明(2)式可以代表研究區(qū)降水線.

圖6 樣品dD、d18O關(guān)系

由圖6可以看出,在研究區(qū)內(nèi),滲入水與地下水充分混合后,有28例樣品值仍位于當(dāng)?shù)亟邓€右下方,D、18O沿當(dāng)?shù)亟邓€呈線性分布,說(shuō)明研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水入滲補(bǔ)給,第四系含水層部分水樣出現(xiàn)18O漂移現(xiàn)象[31],可能受到蒸發(fā)作用影響.

地表水水樣與第四系含水層水樣的D、18O分布范圍相互重疊,反映了地表水入滲補(bǔ)給過(guò)程;第四系含水層水樣的D則普遍貧于地表水,但豐于直羅組含水層與延安組含水層水樣,這也符合第四系含水層為較年輕地層的實(shí)際情況[25];第四系含水層水樣與直羅組含水層水樣的落點(diǎn)相互重疊,說(shuō)明兩者間具有一定的水力聯(lián)系,部分水樣的落點(diǎn)接近重合,說(shuō)明兩者間可能存在垂向補(bǔ)給關(guān)系,進(jìn)一步證明了第四系含水層地下水與直羅組含水層地下水存在水力聯(lián)系;直羅組含水層與部分延安組含水層落點(diǎn)相接近,說(shuō)明直羅組含水層與延安組含水層之間存在一定的水力聯(lián)系,但另一部分水樣點(diǎn)D、18O出現(xiàn)貧化,說(shuō)明這部分采樣點(diǎn)可能位于延安組含水層較深位置或采樣點(diǎn)位于冒落、導(dǎo)水裂隙帶影響區(qū)域邊緣或影響區(qū)域外,受采動(dòng)作用影響較小,含水層貯水條件更為封閉,導(dǎo)致這部分水樣與上覆含水層的聯(lián)系較小.

2.3 3H元素分析

氚元素的更新周期要慢于氘元素[26],借此可以測(cè)定氚元素來(lái)判斷水體的形成年代,第四系含水層水樣(埋深小于30m)3H值介于12.4～22.5TU,均值為17.1TU,說(shuō)明第四系含水層所含地下水均來(lái)自現(xiàn)代大氣降水;直羅組含水層水樣(埋深位于20～ 120m)3H介于6.3～22.4TU,均值為14.1TU,在數(shù)值上略小于第四系含水層,說(shuō)明直羅組含水層所含地下水為次現(xiàn)代-近代混合補(bǔ)給水;延安組含水層水樣3H介于4.3～18.6TU,均值為11.4TU,整體小數(shù)值上于直羅組含水層,說(shuō)明延安組含水層地下水的貯藏條件相對(duì)封閉,但與直羅組含水層水樣在數(shù)值上仍然存在交叉,判斷延安組含水層與直羅組含水層存在水力聯(lián)系,所含地下水為次現(xiàn)代-近代混合地下水.由圖7可以看出:數(shù)值偏小的水樣采樣點(diǎn)應(yīng)該位于受采煤驅(qū)動(dòng)擾動(dòng)較小的區(qū)域,處于相對(duì)封閉的狀態(tài),與上覆含水層的聯(lián)系較小,所含地下水主要為次現(xiàn)代補(bǔ)給水.

圖7 3H含量

綜上所述,研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水,在烏蘭木倫河沿岸地區(qū),由于煤層埋深較淺,采空區(qū)冒落、裂隙帶發(fā)育高度甚至可以直達(dá)地表,在長(zhǎng)期采動(dòng)作用下,煤系地層上覆含水層原有裂隙進(jìn)一步發(fā)育至貫穿第四系含水層底板,使第四系含水層、直羅組含水層與延安組含水層之間產(chǎn)生水力聯(lián)系.

2.4 微量離子分析

2.4.1 NO3-的變化趨勢(shì)分析 選取NO3-和F-離子作為參考元素進(jìn)行分析,由圖8可知,在地表采樣點(diǎn)所采水樣的NO3-離子濃度較為穩(wěn)定,入滲補(bǔ)給進(jìn)入第四系含水層后濃度逐漸升高,直羅組、延安組含水層中NO3-濃度整體上低于第四系含水層,推測(cè)第四系含水層NO3-濃度增高的原因?yàn)?研究區(qū)地表存在大面積塌陷回填后形成松樹種植區(qū),所需施氮肥含量遠(yuǎn)高于周邊稀疏分布的耕地,所以研究區(qū)第四系含水層硝酸的濃度主要受林地影響[27-29].結(jié)合研究區(qū)高程分布情況來(lái)看,第四系07采樣點(diǎn)海拔較高,不利于NO3-在地下水中富集,因此該點(diǎn)的濃度低于第四系含水層其他采樣點(diǎn).

2.4.2 F-的變化趨勢(shì)分析 如圖8所示,F-離子濃度在地表水05點(diǎn)數(shù)值較大,地表水05點(diǎn)所在位置西北600m處為補(bǔ)連塔煤礦的露天礦堆渣場(chǎng),導(dǎo)致F-離子濃度在地表水05點(diǎn)數(shù)值較高,受煤矸石堆放場(chǎng)影響導(dǎo)致F-含量在地表水中數(shù)值整體略高于第四系含水層水樣.

圖8 微量元素濃度折線

直羅組地下水在進(jìn)入延安組含水層后,F-離子濃度明顯上升,可能有3個(gè)原因[30]:(1)延安組含水層為補(bǔ)連塔礦區(qū)的主要采煤層,巖層內(nèi)富含有機(jī)礦物,與地下水發(fā)生溶濾作用后,導(dǎo)致F-濃度升高[35]; (2)少量F-會(huì)與Ca2+反應(yīng)生成極難溶于水的CaF2后達(dá)到水巖平衡(圖9),所以F_易隨水體遷移;(3)采動(dòng)產(chǎn)生降落漏斗導(dǎo)致水力梯度增大,直接影響地下水徑流,并形成局部地下水水流系統(tǒng),上覆含水層地下水通過(guò)導(dǎo)水裂隙溶解了更多的F-,并最終匯入到延安組含水層中,同時(shí)延安為主要煤系地層,煤層開采使得地下水與圍巖充分接觸,導(dǎo)致延安組F-離子濃度增高[31].

由圖9可見(jiàn):在水體呈弱堿性的情況下,F-、Cl-濃度偏高,水體TDS整體偏高.一般情況下,高TDS、低Ca2+環(huán)境為高F-的生成條件,對(duì)于補(bǔ)連塔礦區(qū)延安組含水層,高TDS的同時(shí),Ca2+濃度并不低,但F-濃度依舊較高,因此F-存在多個(gè)來(lái)源,延安組含水層與上覆含水層存在較密切的水力聯(lián)系.

圖9 各化學(xué)組分Scholler圖

長(zhǎng)時(shí)間的采動(dòng)作用會(huì)導(dǎo)致:(1)上覆巖層的裂隙發(fā)育,裂隙連通性增強(qiáng);(2)局部第四系含水層與直羅組含水層會(huì)通過(guò)裂隙向下層延安組含水層進(jìn)行補(bǔ)給,形成新的匯流中心.綜上所述,第四系含水層地下水與直羅組相近的元素變化趨勢(shì)(圖9)說(shuō)明:第四系含水層與直羅組含水層存在密切的水力聯(lián)系.延安組含水層在變化趨勢(shì)上與直羅組含水層整體相近,且出現(xiàn)F-離子的逐層累計(jì)現(xiàn)象(圖8),但部分點(diǎn)在常規(guī)元素上與直羅組含水層相差較大說(shuō)明:直羅組含水層與延安組含水層存在有限的水力聯(lián)系.

3 水化學(xué)特征識(shí)別圖版

3.1 識(shí)別流程

研究區(qū)各含水層相互存在水力聯(lián)系,導(dǎo)致不同含水層水樣整體在數(shù)值上出現(xiàn)一定程度共同性.但受不同地質(zhì)環(huán)境、貯藏條件與煤礦開采條件的影響,各含水層的地下水化學(xué)特征同時(shí)存在明顯的差異性,差異主要反映在HCO3-、Mg2+、Cl-、SO42-、Ca2+、Na+、K+濃度的變化上.通過(guò)各層地下水的差異性將識(shí)別圖版劃分為4個(gè)區(qū)域,分別對(duì)應(yīng)地表水、第四系、直羅組、延安組含水層,由此建立礦區(qū)突水水源識(shí)別圖版.在礦區(qū)發(fā)生突水事故時(shí),通過(guò)分析突水水樣的化學(xué)組分特征值以及在識(shí)別圖版上的落點(diǎn)分區(qū),來(lái)確定突水來(lái)源,同時(shí)結(jié)合不同類型的識(shí)別圖版,提高結(jié)果可靠性,以達(dá)到快速確定礦區(qū)突水來(lái)源的目的.

3.2 常規(guī)元素識(shí)別圖版

由圖10可知,地表水主要集中在Cl--SO42-- HCO3-三角形的SO42-端,落點(diǎn)集中于①區(qū);第四系含水層主要集中在Cl--SO42--HCO3-三角形的Ca2++ Mg2+端,落點(diǎn)集中于②區(qū);直羅組含水層主要集中在Mg2+-Ca2+-K+三角形的SO42-端,落點(diǎn)集中于③區(qū);延安組含水層主要集中在Na++K+端,落點(diǎn)集中于④區(qū).通過(guò)常規(guī)元素實(shí)現(xiàn)的判斷過(guò)程,主要由Cl--SO42-- HCO3-三角形和Mg2+-Ca2+-K+三角形完成.由圖11可知:在各含水層原有的地下水化學(xué)類型特征下,地表水與第四系含水層落點(diǎn)集中于TDS較低的①、②兩區(qū),直羅組含水層與延安組含水層落點(diǎn)集中于TDS較高的③、④兩區(qū),同時(shí)查看Piper識(shí)別圖版與Durov圖版可更準(zhǔn)確地判斷地下水來(lái)源.

圖10 Piper三線圖識(shí)別圖版

圖11 Durov識(shí)別圖版

3.2 氘氧同位素識(shí)別圖版

由圖12可知:地表水的D、18O值最大,處于偏重端,落點(diǎn)集中于①區(qū);第四系含水層D、18O值豐于地表水且落點(diǎn)較分散,多集中于②區(qū);直羅組含水層D、18O值豐于第四系含水層,落點(diǎn)多集中于③區(qū);延安組含水層D、18O同位素貧化,明顯處于偏輕端,落點(diǎn)多集中于④區(qū),該圖版可清晰快速地辨別水源是否來(lái)自延安組含水層.

圖12 dD、d18O同位素識(shí)別圖版

4 采煤驅(qū)動(dòng)下地下水循環(huán)模式構(gòu)建

通過(guò)常規(guī)元素與氫氧同位素判斷含水層之間是否存在水力聯(lián)系,通過(guò)微量元素判斷含水層之間水力聯(lián)系的強(qiáng)弱，構(gòu)建了采動(dòng)作用下地表水、地下水循環(huán)模式,分別為孔隙地下水流系統(tǒng)(第四系含水層)、裂隙地下水流系統(tǒng)(直羅組含水層與延安組含水層)與局部地下水流系統(tǒng)三個(gè)層級(jí).采煤驅(qū)動(dòng)下形成的局部地下水流系統(tǒng)接受大氣降水、部分地表水、孔隙水與裂隙水的集中補(bǔ)給,改變了地表水、孔隙水、裂隙水原有的循環(huán)形式,并在局部形成新的匯流中心(如圖13所示).

圖13 補(bǔ)連塔地下水循環(huán)概念模型

5 結(jié)論

5.1 地表水化學(xué)類型以Mg2+-SO42-×Cl-為主導(dǎo)型,第四系含水層水化學(xué)類型同樣為Mg2+-SO42-×Cl-主導(dǎo)型,二者化學(xué)類型轉(zhuǎn)化在空間上具有一致性;直羅組含水層水化學(xué)類型為Na+-SO42-主導(dǎo)型,與第四系含水層相比,HC03-、Mg2+濃度上升,Cl-離子濃度下降,且減幅較大;延安組含水層水化學(xué)類型為HCO3--Ca2+主導(dǎo)型,與直羅組含水層相比,SO42-與HCO3-濃度較高,Cl-離子濃度大幅下降.受采動(dòng)作用影響,3個(gè)含水層中F-呈逐層遞增的趨勢(shì),延安組含水層F-濃度偏高;受植被施肥影響,第四系含水層中NO3-濃度偏較高,研究區(qū)植被為第四系含水層NO3-含量大幅升高的主要原因.

5.2 地表水與第四系含水層存在相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系,存在密切水力聯(lián)系;第四系含水層與直羅組含水層存在密切水力聯(lián)系;直羅組含水層與延安組含水層存在有限的水力聯(lián)系.

5.3 通過(guò)常規(guī)離子、微量元素、氘氧同位素與氚同位素等多種分析手段對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下井田不同層位水體進(jìn)行識(shí)別與分析,總結(jié)了不同含水層地下水化學(xué)類型與水力聯(lián)系,并建立Piper識(shí)別圖版、Durov圖版、氘氧同位素圖版,通過(guò)聯(lián)合比對(duì)可快速開展礦區(qū)突水溯源,并借此提出針對(duì)性的補(bǔ)救措施.

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Identification of chemical characteristics and hydraulic connection of each aquifer in complex mine field driven by coal mining.

HUANG Lei1*, HOU Ze-ming1, HAN Xuan1, XU Lei1, ZHANG Sheng-wei1,2, LI Gang-zhu1, LIU Zhi-qiang1

(1. Inner Mongolia Water Resource Protection and Utilization Key Laboratory, Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2.Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Big Data Research and Application of Agriculture and Animal Husbandry, Hohhot 010018, China)., 2022,42(6)：2697～2706

By analyzing the numerical characteristics of conventional elements, trace elements, deuterium, oxygenand tritium isotope of different aquifers, the groundwater chemical characteristics and hydraulic connection of each aquifer were judged. The three identification charts (piper and durov identification charts of conventional hydrochemical components and deuterium tritium isotope identification charts) were established to realize the rapid identification of aquifer water source. The results showed that the main recharge source of groundwater in the study area was atmospheric precipitation. There was a significant indigenous connection between Quaternary aquifer and Zhiluo Formation aquifer, limited indigenous connection between the Zhiluo Formation aquifer and the Yan'an Formation aquifer. The three identification charts were established to determine the water inrush source and put forward targeted solutions for water inrush from different aquifers in Bulianta mining area based on the differences in hydrochemical ion characteristics, deuterium-oxygen and tritium isotopes.

complex mine fields；multi-layer aquifer；hydraulic connection；mine water inrush；hydrochemical characteristics；isotopetracing

X523

A

1000-6923(2022)06-2697-10

黃 磊(1983-)男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,博士,副教授,主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作.發(fā)表論文20余篇.

2022-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51969023);內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2020GG0076)

* 責(zé)任作者, 副教授, lei_huang@yeah.net