基于水化學(xué)和氫氧同位素的礦井水來(lái)源識(shí)別

基于水化學(xué)和氫氧同位素的礦井水來(lái)源識(shí)別

0礦井水水源識(shí)別中國(guó)的礦坑災(zāi)害類(lèi)型復(fù)雜多樣。隨著深部礦山開(kāi)采強(qiáng)度的增加和開(kāi)采重心的西移，新類(lèi)型的礦坑災(zāi)害層出不窮。榆神礦區(qū)是我國(guó)現(xiàn)代化煤礦的聚集區(qū)和高強(qiáng)度開(kāi)采區(qū)，受開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)破壞影響，煤層頂板含水層中賦存的地下水通過(guò)采動(dòng)導(dǎo)水裂隙進(jìn)入井下形成礦井水，導(dǎo)致井下涌水量升高、含水層地下水位下降，并有誘發(fā)其他地質(zhì)災(zāi)害的可能(目前，礦井水水源判識(shí)通常采用水化學(xué)分析法，并結(jié)合必要的水位、水溫等觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于采動(dòng)導(dǎo)水裂隙可能揭穿若干充水含水層，導(dǎo)致煤層頂板出水的水文地球化學(xué)特征包含著豐富的水源信息，因此經(jīng)常采用水化學(xué)無(wú)機(jī)離子(針對(duì)榆神礦區(qū)，1研究領(lǐng)域的總結(jié)榆神礦區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田中東部，礦區(qū)面積約5161.68km2礦井水害防治技術(shù)研究在數(shù)據(jù)來(lái)源方面，為分析榆神礦區(qū)主要充水含水層地下水的水文地球化學(xué)特征，收集并整理了研究區(qū)多個(gè)煤礦在建井、補(bǔ)勘和疏放水期間的水質(zhì)資料。課題組于2019年11月在研究區(qū)的淺埋(QM1、QM2和QM3)、中深埋(ZSM1、ZSM2和ZSM3)和深埋(SM1、SM2和SM3)等9個(gè)煤礦進(jìn)行了礦井水的系統(tǒng)采樣，并在陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。水樣的檢測(cè)指標(biāo)包括:陽(yáng)離子(K3結(jié)果分析3.1含水層地下水水化學(xué)成分的聚類(lèi)分析將收集的50余個(gè)研究區(qū)主要充水含水層水樣的水化學(xué)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并繪制Piper三線圖(圖2)。研究區(qū)第四系松散含水層地下水的主要離子為HCO同時(shí)運(yùn)用層次聚類(lèi)分析法(HCA)來(lái)計(jì)算不同含水層地下水水化學(xué)成分之間的相似性，其樹(shù)狀圖如圖3所示。由樹(shù)狀圖可知，采用層次聚類(lèi)分析可將充水含水層地下水(A01-A03為松散層水、Q01-Q07為淺埋煤礦基巖水、Z01-Z06為中深埋煤礦基巖水、S01-S06為深埋煤礦基巖水)劃分為3類(lèi)，其中第Ⅰ類(lèi)為松散層地下水和淺部基巖地下水，第Ⅱ類(lèi)為中深部和部分淺部基巖地下水，第Ⅲ類(lèi)全部為深部基巖地下水，不同類(lèi)型地下水表現(xiàn)出不同的Stiff圖像特征(圖3)。由此可以看出，基于Piper三線圖的地下水水化學(xué)類(lèi)型劃分和基于層次聚類(lèi)分析的相似性分析，其分類(lèi)結(jié)果完全一致。3.2地下水水化學(xué)成分的控制Gibbs根據(jù)世界地表水體的TDS與Na3.3地下水氫氧同位素含量的線性關(guān)系不同含水層地下水中的氫氧穩(wěn)定同位素具有不同的含量，具有相同補(bǔ)給來(lái)源的地下水氫氧同位素含量往往具有相似的線性關(guān)系(由圖5可知，研究區(qū)地下水樣全部落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近，說(shuō)明研究區(qū)地下水均來(lái)自大氣降水補(bǔ)給(3.4深埋礦井礦井水分別將采集礦井水樣品的水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析(表1)。圖6為不同煤礦礦井水樣品的礦化度特征，深埋煤礦礦井水礦化度為1824～3684mg·L礦井水的Piper三線圖如圖7a所示，不同的礦井水樣品位于Piper三線圖的不同區(qū)域。其中:淺埋煤礦礦井水位于Piper三線圖的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，水化學(xué)類(lèi)型為HCO研究區(qū)不同煤礦礦井水的δD與δ3.5礦井水水源組成研究區(qū)不同煤礦的含隔水層組合特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育層位如圖9所示，淺埋煤礦導(dǎo)水裂隙帶直接波及第四系松散含水層或?qū)严稁ё畲蟀l(fā)育高度與第四系松散含水層下界面距離較小;中深埋煤礦導(dǎo)水裂隙帶一般發(fā)育至侏羅系砂巖含水層，但是由于該區(qū)主采煤層厚度普遍較大，部分煤礦的煤厚達(dá)12m，一次采全高條件下導(dǎo)水裂隙有波及第四系松散含水層的可能性;深埋煤礦主采煤層厚度一般小于5m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至侏羅系砂巖含水層，礦井直接充水水源主要為侏羅系地下水，但由于部分區(qū)域隔水層缺失，導(dǎo)水裂隙有波及白堊系洛河組含水層的可能性。目前，依據(jù)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度可以直接判斷礦井水的充水水源，但仍存在依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度其數(shù)值偏小的現(xiàn)象;同時(shí)，由于礦井涌水和大規(guī)模的疏放水，煤層頂板直接充水含水層水位下降幅度大，由此導(dǎo)致該含水層地下水與其他上覆含水層地下水間的水力坡度增大，繼而造成不同含水層之間出現(xiàn)地下水的越流現(xiàn)象。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶沒(méi)有溝通含水層，但含水層地下水位出現(xiàn)下降的現(xiàn)象(在礦井水來(lái)源的定性分析方面，依據(jù)3.4小節(jié)中礦井水與各充水含水層的水化學(xué)和同位素的數(shù)值特征分析，可以直接判斷出深埋和中深埋煤礦的礦井水基本來(lái)自侏羅系砂巖含水層，淺埋煤礦QM2和QM3礦井水水化學(xué)特征和第四系松散層地下水和淺埋侏羅系砂巖地下水較為類(lèi)似，考慮為兩者的混合水。對(duì)于QM1礦井，該礦實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶尚未溝通第四系含水層，依據(jù)水化學(xué)數(shù)據(jù)判斷其礦井水主要來(lái)自基巖含水層，依據(jù)同位素?cái)?shù)據(jù)判斷其礦井水有來(lái)自松散含水層的可能性，該礦第四系含水層水文觀測(cè)孔地下水位出現(xiàn)下降印證了礦井水中含有一定比例的松散含水層地下水。穩(wěn)定同位素質(zhì)量平衡為定量計(jì)算礦井水的來(lái)源提供可能，本文定義第四系和白堊系地下水為淺層地下水，侏羅系地下水為深層地下水。相比氧同位素，研究區(qū)不同含水層地下水的氫同位素差異更為明顯(其中:X為淺層地下水的混合比例(%);δsample為礦井水δD值(‰);δA為淺層地下水δD值(%);δB為深層地下水δD值(%)。研究區(qū)不同煤礦礦井水的水源組成特征如表2所示。深埋煤礦由于煤層埋深大，煤層距離淺部含水層較遠(yuǎn)，開(kāi)采對(duì)淺層地下水的擾動(dòng)較小，淺層地下水占礦井涌水的比例約為10%;中深埋煤礦煤層厚度普遍較大，但采用了分層開(kāi)采的保水開(kāi)采工藝，對(duì)淺層地下水的擾動(dòng)同樣較小，淺層地下水占比仍約為10%，但需要關(guān)注該區(qū)域大規(guī)模開(kāi)采和一次采全高條件下礦井水水化學(xué)和同位素的實(shí)時(shí)變化特征;淺埋煤礦煤層埋深小，開(kāi)采過(guò)程中第四系松散含水層地下水大量滲漏進(jìn)入井下采空區(qū)，淺層地下水占比約為46%。4礦井地下水排放特征(1)基于三圖法將研究區(qū)煤層上覆主要充水含水層的地下水劃分為3大類(lèi)，其水化學(xué)類(lèi)型分別為HCO(2)隨著煤層埋深的增大，礦井水礦化度呈顯著增大趨勢(shì)。深埋煤礦礦井水水化學(xué)類(lèi)型以SO(3)在查清礦區(qū)