小屯煤矿充水条件辨识

小屯煤矿充水条件辨识

中国贵州北部的煤矿主要从事二叠纪地层，其屋顶主要为二叠系长兴群石灰岩。在当地最小侵蚀基平面上，大部分采矿受到结构改善和河流切割的影响，地形条件有利于采矿排水，但由于地下水循环迅速，上岩溶解带和断层带的强流条件容易形成完整或优先的地下水流。开采过程中形成的采矿扰动间隙和沉降柱也可能形成储水通道，使矿山面临更大的排水压力和严重的水害风险，给矿山带来频繁的水灾害。掌握水文地质条件、分析矿井充水因素是煤矿防治水工作的基础和前提。水文地球化学和同位素分析等方法因其具有快速、准确、经济等优点，在判断矿井突水水源方面得到了广泛的运用，可为矿井涌水量预测、水害防治提供依据1地表地貌条件小屯煤矿位于贵州省毕节市境内，紧邻大方县城。研究区地处贵州高原西部，主要属于以构造剥蚀山地地貌为主的低中山丘陵地貌。研究区地形总体表现为北高南低，北部地区最大高程约为1951m,西南地区最低高程为1088m,地表多数标高在1350m以上，煤系地层出露标高为1350～1620m。研究区属暖温带湿润季风气候，多年平均降雨量为1155mm,降水多集中在4～9月份，占全年降水量的78.8%,年平均气温为11.8℃。研究区内无较大河流，仅研究区西侧有对江-白布河，其余多为地表季节性溪流。1.1宽缓构造模式小屯煤矿构造上位于沿北东走向的大方背斜东南翼(见图1),矿区总体呈一宽缓的单斜构造，地层倾向南东，倾角一般约为8°～10°。研究区南部地区断层较发育，北部地区沿走向和倾向发育宽缓褶皱，构造复杂程度属第二类即中等构造。小屯煤矿由新至老主要分布有三叠系下统夜郎组九级滩段(T1.2地下水赋存条件分析合理划分研究区含水岩组是认识地下水系统地质结构的关键，也是充分辨识矿井充水条件的基础。根据地层岩性及地下水赋存特征，研究区可划分为若干岩溶含水层和相对隔水层，如表1所示。对于二叠系上统龙潭组(P同时，二叠系上统龙潭组(P1.3大气降水与矿井充水研究区仅西侧分布对江-白布河，河床出露于二叠系中统栖霞-茅口组(P根据观测资料，研究区矿井涌水量虽存在滞后现象，但仍与降雨量显著相关，表明大气降水仍是矿区的主要补给来源。大气降水通过入渗补给充水含水层，进而补给矿区，主要构成间接充水水源。从矿区岩溶含水层结构上来说，研究区煤层开采后的直接充水含水层为二叠系上统长兴-大隆组(P2水样采集和分析方法为了查明小屯煤矿矿区内不同含水层地下水的水化学性质及其相互联系，于枯水期(2019年12月)在矿区地表冲沟、地下水露头点、矿井排水点等共采集水样42件，包含10件地表水样品、23件地下水样品(其中采自T水样采集现场利用美国In-SituSMARTroll手持式多参数水质监测仪记录水温、pH值、电导率等指标。水样采用瓶装法现场采集，采集前先将取样瓶用所采水样清洗3次后再进行样品采集。其中，采集氢氧同位素样品时，将水装满不留气泡。所有样品于瓶身贴上标签，低温保存并运回实验室进行分析测定。样品水化学测试分析由陕西省煤矿水害防治技术重点实验室完成，其中水样中HCO3结果与讨论3.1水化学类型和提供物研究区各取样点水样中水化学组成Piper三线图见图2,各取样点水样中水化学组成和氢氧同位素特征统计结果见表2。由图2和表2可见：研究区不同类型或不同含水层样品间表现出较为明显的水化学组成差异。从总矿化度(TDS)分析来看，地表水样品(Group1)中TDS的变化范围为79.7～271.5mg/L,平均值为163.9mg/L出露于三叠系下统夜郎组九级滩段(T决定研究区采集样品的水化学类型和TDS显著区别的主要为硫酸盐(SO根据水化学类型、TDS和硫酸盐组成分析，矿井水样品与P研究区各取样点水样中硫酸盐浓度与Na/Ca、Mg/Ca比值的关系，见图3和图4。由图3和图4可见，矿井水在表现出高硫酸盐组成的同时，也表现出显著高于其他地下水样品的Na/Ca、Mg/Ca比值；除偏高的硫酸盐组成外，研究区矿井水中还具有显著偏高的Na研究区二叠系上统龙潭组(P2NaAlSiCAI-1=[CAI-2=[(Na(Na反应式(4)、(5)中，CAI-1和CAI-2为氯碱指数，通常用来表征离子交换的方向和强度。整体来说，研究区矿井水表现出与包括上覆岩溶含水层在内的其他组别水样明显不同的水化学类型与水化学组成特征，这种差异反映出三叠系夜郎组玉龙山段为代表的上覆岩溶水不存在集中补给矿井水的通道或不构成主要充水水源，矿井水仍表现为以二叠系龙潭组碎屑岩裂隙水为主要充水来源，并在径流过程中受到煤层硫化矿物氧化过程和阳离子交换吸附作用等的影响，矿井水形成了含较高浓度SO3.2人类活动分布地下水中硝酸盐主要来源于农业施肥、生活污水和工业废水排放等人类活动由图5可见，研究区地表水和地下水均遭受到了一定程度的硝酸盐污染。其中，地表水中硝酸盐(NO研究区地下水NO3.3研究区地下水氢氧同位素组成分析一般地下水中氢氧同位素组成主要受到补给来源、高程等的影响，受径流循环过程中水-岩相互作用等干扰较弱由图6可见，研究区各取样点均分布在贵阳大气降水线附近，表明研究区主要以大气降水为主要补给来源；但不同组别取样点表现出明显的氢氧同位素组成的差异。其中，研究区地表水样品中从氢氧同位素组成分析，研究区矿井水样品与二叠系长兴-大隆组、龙潭组地下水样品氢氧同位素组成近似，指示矿井水与其具有较为一致的补给范围或者具有密切的水力联系，这符合二叠系长兴-大隆组、龙潭组作为煤层顶板充水含水层的结构特征。值得注意的是，矿井水与二叠系玉龙山段地下水在氢氧同位素组成分布仍存在一定的交叠，表明矿区仍可能受到上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙含水层充水的影响，但从其组成特征与交叠程度分析，上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙水对矿井充水的影响程度可能并不显著。可考虑通过进一步的取样调查与分析评价来确定不同水源对矿区充水的影响程度与位置。4研究区岩溶裂隙含水层(1)在水文地质结构上，小屯煤矿煤层所在二叠系龙潭组碎屑岩裂隙含水层的富水性较弱，二叠系长兴-大隆组等地层构成了矿区二叠系龙潭组煤层的直接充水含水层，其厚度较小、富水性中等，上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙含水层受三叠系沙堡湾组相对隔水层的控制，与直接充水含水层及煤层间隔开，经采动裂隙等途径方可能进入矿井并影响矿井。(2)受硫化矿物氧化过程、阳离子交换吸附作用等的影响，矿井水表现出以高浓度SO(3)研究区地下水中硝酸盐浓度表现出明显的垂向分布特征：上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙含水层等受人类活动的影响显著