回坡底煤矿奥陶系灰岩含水层水文地质条件评价.pdf

第46 卷第9期2023年9月地测与水害防治回坡底煤矿奥陶系灰岩含水层水文地质条件评价煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.9Sep.2023王勇，吴丽，刘佳妍（河南城建学院市政与环境工程学院，河南平顶山46 7 0 41）摘要：为了研究回坡底煤矿奥陶系灰岩含水层的水文地质特征，采用地下水化学动力学和水文地球化学基本理论，对奥陶系灰岩含水层的水文地质、水动力学和水化学特征进行定性分析和定量评价，为回坡底煤矿制定科学合理的防治水措施提供依据。研究表明，坡底煤矿奥陶系灰岩含水层由南向北水质类型变化依次为SO4HCOs-CaMgHCOSO4-NaCaHCO;-CaMgSO4Cl-CaMg；研究区南部及东部含水层埋藏较浅，透水性较强，地下水径流较快，岩溶较发育；中部波浪状条带范围内岩溶比较发育，形成一中等的地下水径流带；北部及西北部含水层埋藏较深，透水性较弱，地下水径流缓慢，岩溶不发育。关键词：奥陶系灰岩含水层；水文地质条件评价；地下水化学动力学；水文地球化学中图分类号：TD163文献标识码：A文章编号：2 0 95-597 9（2 0 2 3）0 9-0 0 6 1-0 4Evaluation of hydrogeological conditions of Ordovicianlimestone aquifer in Huipodi MineWang Yong,Wu Li,Liu Jiayan(College of Municipal and Enwironmental Engineering,Henan Institute of Urban Construction,Pingdingshan 467041,China)Abstract:In order to study the hydrogeological characteristics of the Ordovician limestone aquifer in Huipodi Mine,thehydrogeological,hydrodynamic and hydrochemical characteristics of the Ordovician limestone aquifer were qualitativelyanalyzed and quantitatively evaluated by using the basic theories of underground water chemical kinetics andhydrogeochemistry,which provided a basis for the formulation of scientific and reasonable water prevention and controlmeasures in Huipodi Mine.The research showed that the change of water quality type of Ordovician limestone aquifer inPodi Mine from south to north was SO4HCO,-Ca MgHCO SO4-Na CaHCO,-Ca Mg SO4 Cl-Ca Mg.Theaquifers in the south and east of the study area were shallow,the permeability was strong,the underground water runoff wasfast,and the karst was more developed.Karst was relatively developed in the middle wavy strip,forming a mediumunderground water runoff zone;the northern and northwestern aquifers were buried deep,the permeability was weak,theunderground water runoff was slow,and the karst was not developed.Key words:Ordovician limestone aquifer;evaluation of hydrogeological conditions;underground water chemical kinetics;hydrogeochemistry井事故1-3 。因此，分析煤矿水文地质条件和研究充0引言水含水层水文地质特征，对保障煤矿安全、高效、煤矿水害是严重影响煤矿安全的重大灾害之绿色生产具有重要意义。一，主要表现为矿井涌水、突水。矿井涌水会对巷国内外学者在煤矿水文地质方面开展了大量道开拓和工作面回采产生不同程度的影响，若演变研究工作。史先志分析了张双楼煤矿主采煤层顶为矿井突水，则可能造成重大人员伤亡事件甚至淹板砂岩裂隙含水层的富水规律，确定含水层为主责任编辑：张彤D0I：10.192 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 9.0 15基金项目：国家自然科学基金项目（4197 2 2 8 1)；河南城建学院2 0 2 2 年省级大学生创新创业训练计划项目（2 0 2 2 117 6 50 43)作者简介：王勇（198 5一），男，锡伯族，辽宁沈阳人，讲师，博士。引用格式：王勇，吴丽，刘佳妍.回坡底煤矿奥陶系灰岩含水层水文地质条件评价J煤炭与化工，2 0 2 3，46（9）：6 16 4，6 8.612023年第9期采煤层顶板涌水的直接来源4；缪协兴等综合运用岩相古地理分析法与水文地质分析法，对某煤矿不同类型的水文地质结构特征、地下水分布与循环规律进行研究5；任虎俊等采用瞬变电磁法探测某煤矿3 号煤层顶板含水层的富水性，并基于解析法和富水系数法对首采工作面和井底车场的涌水量进行预测和评价；郭天辉等对某煤矿水文地质条件进行分析和评价，认为直罗组砂岩裂隙水是煤矿主采煤层的主要充水水源，冒落带和导水裂缝带为主要导水通道；孟凡写等运用瞬变电磁法探测某煤矿主要含水层的富水性，并对含水层的富水性进行分区评价8 。本文在分析回坡底煤矿水文地质条件基础上，采用地下水化学动力学和水文地球化学基本理论和方法，对奥陶系灰岩含水层的水文地质、水动力学和水化学特征进行定性分析和定量评价，为回坡底煤矿制定科学合理的防治水措施提供依据。1水文地质条件分析回坡底煤矿隶属于山西焦煤霍州煤电集团有限公司，设计生产能力达到了12 0 万t/a，开采最大深度为57 0 m，未来主要开采11号煤层。煤矿发育的煤系含水层主要包括太原组石灰岩岩溶裂隙含水岩组和奥陶系中统石灰岩溶隙含水层。其中，K2石灰岩是太原组石灰岩的主要岩溶含水层，是11号煤层上覆直接充水含水层，厚2.7 5 11.40 m，平均厚8.90 m，水质类型HCO;Cl-(K+Na)Ca、HCOCl-Na，矿化度7 15 997 mg/L，属于弱中等富水性。奥陶系石灰岩溶隙含水层（0）是11号煤层下伏主要含水层，水位标高517.5540 m，造成11号煤层局部带压开采，且开采范围内存在断层、陷落柱等破碎构造。因此，O2含水层是煤矿未来生产的主要水害隐患。2O2含水层水文地质条件评价2.1水化学类型划分02含水层是研究区11号煤层带压开采条件下有突水威胁的主要含水层。依据0 2 含水层水质资料，按舒卡列夫水化学分类标准进行分类，水化学类型分区如图1所示。HCOs-CaMg型水分布区（I区）分布于研究区北部，分布面积不大，呈北东向的条带，往东矿化度逐渐增高，区内只有HS-6号孔水化学类型为HCO3Cl-NaCa型，矿化度7 91mg/L，说明该区段地下水径流缓慢，为水质差的深埋区；HCO362煤炭与化工SO4-NaCa型水分布区（II区）分布于HCO-CaMg型水分布区（I区）和SO4HCO;-CaMg型水分布区（III 区）之间的狭长地带；SO4HCO;-CaMg型水分布区（I区）分布在研究区中南部广大地区，区内只有HS-1号孔水质类型为SO4HCOs-CaNa，矿化度在7 0 0 1110 mg/L；S O 4:Cl-CaMg型水分布区（IV区）分布于井田北东部，范围很小，区内只有HS-8号孔为SO4Cl-CaNa型，矿化度0.8 55mg/L。由此可见，O2含水层总体上由南向北水质类型变化依次为SO4HCO3-CaMgHCO;SO4-NaCaHCO3-CaMgSO4CI-CaMg，矿化度逐渐增大，表明O2岩溶含水层随埋深增加而发生如此变化。VSO,.Cl-CaNa 型水图10 2 含水层水化学类型分区Fig.1 The zoning of hydrochemical type of O2 aquifer2.2水化学环境分析根据地下水动力学和水文地球化学基本理论，选择表示化学势场的水化学指标离子活度()、矿物溶沉饱和指数()作为水化学环境分析因子。离子活度(a)和矿物溶沉饱和指数()不仅受上述纯化学作用的控制，同时也受地质构造和水文地质条件的影响。根据O2含水层水文孔和水井的水质监测资料，运用水文地球化学计算方法9，求出方解石、白云石、石膏和岩盐等代表性矿物的活度及溶沉饱和指数，分别表示为Ca2+和。、a Mg 2 和avaSO和g、a CI-和h，见表1。结果表明，只有位于研究区东北部的HS-8号水文孔的。和a大于1，其余水文孔的。和a小于1，说明研究区东北部0 2 含水层埋藏较深，封闭性良好，石膏、岩盐继续溶解；研究区大部分0 2 含水层埋藏较浅，封闭性不良，岩溶较发育，为方解石、白云石、石膏、岩盐全溶区段。第46 卷图例井田边界HCO,CI-Na型水HCO,.SO,NaCa型水SO.HCO-Ca.Mg 型水王勇等：回坡底煤矿奥陶系灰岩含水层水文地质条件评价白云石序号 孔号aCa21HS-12HS-23HS-34HS-45HS-56HS-67HS-78HS-89HS-910水井1.0302.3水动力场和水化学场特征分析（1）水力学指标表示的水动力场。研究区总体上为一由北向南径流的地下水流场，井田内水位标高517.5一540.0 m。北部、西北部碳酸盐岩裸露区，岩溶水接受大气降水补给和河道渗漏补给。北部岩溶水由北向南流向为郭庄泉岩溶水统的主径流带。（2）水化学指标表示的水化学场。根据研究区水动力场特征，;和值随着径流路径的增长或埋深的增加逐渐增大。从总体上看，研究区为倾向北西的缓倾斜单斜构造，北部及西北部碳酸盐岩出露于地表，构成0 2 含水层的补给区，地下水由北向南或由西北向东南方向径流。1的区段，地下水径流较快，为矿物的全溶区段；1的区段，地下水径流缓慢，说明该区段为封闭或半封闭的还原环境。a、n分布特征与。分布规律相似。基于地下水动力学和水文地质地球化学的基本理论，通过水化学指标可以推算出渗透系数及导水系数的水文地质化学动力学常数，经拟合叠加，分别计算O,含水层的渗透系数K、导水系数T、地下水流速u和地下水年龄t等水文地质参数，结果见表2。表2 O2含水层水文地质参数计算Table 2 Calculation of hydrogeological parameters of O2 aquifer孔号K/(md-l)HS-11.440HS-22.650HS-31.650HS-51.170HS-60.171HS-72.460HS-80.940HS-90.184水井2.4502023年第9期表1O2含水层水化学指标计算成果Fig.1 Calculation results of hydrochemical index of O2 aquifer方解石2.2020.3431.9630.4821.3820.2422.3370.8721.3690.2902.7150.6283.1960.7392.5481.6441.8100.5440.073TI(m?d-l)u/(m*al)163.140254.900277.950122.970162.480233.17046.510417.16013.74088.670158.290274.37042.170182.70016.70067.070158.2601 136.490石膏aMg*ta0.7430.0280.8340.0710.4180.0131.2550.8820.9710.0420.8030.1160.5970.0730.8791.0830.8490.0990.3360.0372.4水文地质条件定量评价2.4.1O2含水层透水性评价为研究和评价0 2 含水层透水性，根据水文地质参数计算结果，按下列间距进行分级：I区含水层透水性弱，K1.0m/d；I I 区含水层透水性中等，1.0m/dK2.5m/d；I I I 区含水层透水性强，2.5m/dK。根据上述级差，对研究区含水层透水性进行分区，如图2 所示。根据抽水试验相关资料，渗透系数K最大为2.9 8 m/d，最小为0.149 m/d，反映出研究区岩溶发育的不均一性，渗透系数在北部及西北部较小，往南部逐渐增大。8图例井田边界渗透系数等值线一透水性翁区透水性中等区透水性强区水文孔图2 0 2 含水层渗透系数分区Fig.2 The zoning of permeability coefficient of O2 aquifer含水层透水性分布规律：含水层透水性弱区t/a(I）分布在北部柴家垣小峪里一线，由于上团柏层179.600的作用，使0 埋藏较深，岩溶水失去了发育的水69.940文地质条件，透水性弱；含水层透水性中等区166.350112.580305.560106.20085.730268.90030.710岩盐aSO.Be2.2510.0521.6050.0331.2370.0181.6970.0412.2110.0310.7730.0572.4560.0821.4660.2371.6390.0311.5060.032(II）分布于前河村一带，表明含水层埋深由浅至深过渡；含水层透水性强区（II）分布在南部及东部，紧邻I区延伸，反映O,埋藏变浅，易于岩溶发育，主要接受北部及西北部岩溶水的补给，形63aCI-1.1230.2711.0011.5381.5471.6790.1551.9240.3770.298Bt 10-103.1620.1553.6861.6745.8568.0620.1484.5310.4460.0192023年第9期成一个中等径流带。2.4.2奥灰含水层导水性评价为研究和评价0 2 含水层导水性，根据水文地质参数计算结果，按下列间距进行分级：I区含水层导水性弱，T50m/d；I 区含水层导水性中等，5m/dT180m/d；I I I 区含水层导水性强，18 0m/d200 a、u 10 0 m/a；I I区地下水循环交替中等，2 0 0 at50 a、10 0 m/au1000m/a；I I I 区地下水循环交替快，t50a、10 0 0 u。根据上述级差，对研究区含水层水循环交替条件进行分区，如图4所示。6237.5200.087.5图40 2 含水层水循环交替条件分区图Fig.4 The zoning of hydrological cycling condition of O2 aquifer研究区北部及西北部地下水循环交替逐渐放慢，南部及东部循环地下水循环交替加快，这与研64煤炭与化工究区地质环境相吻合。水循环交替条件分布规律：地下水循环交替慢区（1I）分布于在北部柴家垣小峪里一线，地下水实际速度小于10 0 m/a，经过200a以上循环交替一次，说明该区地下水处于近停滞状态；地下水循环交替中等区（II）分布于井田内前河村、回坡底一带中部大部的较宽条带内，地下水实际流速10 0 10 0 0 m/a，地下水50 200a循环交替一次，为一相对封闭的滞流带；地下水循环交替快区（III）分布于南部及东部地区，地下水流速大于10 0 0 m/a，地下水小于50 aSLI循环交替一次，为一地下水含水层埋藏浅，水循环0:0S交替快区。综上所述，不同的水文地质参数，描绘出相同的地质构造的控水作用。研究区南部及东部区段K、T、u 值较大，t值较小，说明该区段为含水层图例埋藏较浅，地下水运动较快，岩溶发育；研究区中井田边界部波浪状条带内，K、T、u 值稍大，而t值则稍导水系数等值线口导水性弱区导水性中等区导水性强区162.5图例井田边界一地下水年龄等值线是循环交替慢区水循环交替中等区水循环交替快区第46 卷小，说明该区段岩溶比较发育，形成一中等的地下水径流带；研究区北及西北部，K、T、u 值较小，而t值较大，说明该区段地下水含水层埋藏深，地下水径流缓慢，岩溶不发育；研究区的南部和西南部，由于缺少点的控制，精度相对降低，但仍反映了研究区的水文地质及构造特征。即研究区总体上为一向北方向缓倾斜的单斜构造，K、T、u 和t值变化规律符合研究区地质构造和水文地质特征。3结 论在分析回坡底煤矿水文地质条件基础上，采用地下水化学动力学和水文地球化学基本理论，对奥陶系灰岩含水层的水文地质、水动力学和水化学特征进行定性分析和定量评价，得出如下结论。（1）奥陶系灰岩含水层是回坡底煤矿未来生产的主要水害隐患；奥陶系灰岩含水层由南向北水质类型变化依次为SO4HCO-CaMgHCO3SO4-NaCaHCO;-CaMgSOCl-CaMg。（2）研究区南部及东部含水层埋藏较浅，透水性较强，地下水径流较快，岩溶较发育；中部波浪状条带范围内岩溶比较发育，形成一中等的地下水径流带；北部及西北部含水层埋藏较深，透水性较弱，地下水径流缓慢，岩溶不发育，符合研究区总体地质构造发育特征。参考文献：【1高午.红石岩煤矿水害特征及防治措施J煤炭技术，(下转第6 8 页）2023年第9期体校正后探测成果图（图9）中的差异，当巷道底板存在低电阻率的良导体轨道时，其探测成果中可以明显的看出存在低电阻率的条带状，而进行校正后，其干扰异常明显的消失。10-7dobs10-10dpred10-13-20010-16-40010-19-60010-210-2510-2810410-310210-210-3310-410-3图6 层状模型反演结果Fig.6 Layered model inversion results103中m1010010-301图7 层状模型反演的拟合误差曲线Fig.7 The fiting error curve of layered model inversion-20/-80-100-120020406080 100120140 160180 200 220 240 260 280 300320图8 未消除良导体干扰底板探测成果图Fig.8 Detection result of uneliminated goodconductor interference floor-20-40-60-80-100-120020406080 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320图9校正后巷道底板探测成果图Fig.9 Detection result of roadway floor after correction（上接第6 4页）2019,38（12)：13 0-13 2.2丁百川.我国煤矿主要灾害事故特点及防治对策J.煤炭科学技术，2 0 17，45（5）：10 9-114.3刘畅，霍俊杰.山西某矿井水文地质类型划分及防治水工作建议J.煤炭技术，2 0 19，3 8（8）：6 6-6 8.4史先志.山西组砂岩富水规律及其应用J.煤炭工程，2 0 0 6(5):29-31.5 缪协兴，王长申，白海波.神东矿区煤矿水害类型及水文地质特征分析J1采矿与安全工程学报，2 0 10，2 7（3）：285291.6任虎俊，段俭君，胡婉，等.山西潞安集团李村煤矿水文68煤炭与化工6结语巷道中分布的铁轨、皮带支架等良导体会对探测数据造成较强的干扰，在响应曲线上最直观的表0现就是早期的响应曲线较为平缓、衰减缓慢，且持续较长时间。若将存在干扰的数据直接进行反演，数据拟合的难度非常大，反演收敛的速度也非常缓慢，因此在对实际数据进行处理之前需要对其进行-800干扰的校正。首先模拟无干扰体存在的响应，再模OrueF1000Oinversdd10-123第46 卷拟存在干扰的响应，求取校正系数并将其应用到实际数据的校正中。校正后的数据在保存异常响应特征的同时，也基本消除了干扰对响应的影响，虽然异常体的响应特征被一定程度的削弱，但仍与原始数据具有较好的对应性。将校正方法应用到实际数据的反演处理中进行测试，得到的电阻率剖面中低阻异常体的位置与实际数据中的低阻响应特征具有较好的对应性，将其与实际工区中探明的异常区域45进行对比进一步确认了反演结果的准确性，以及校正方法的可行性。对采用相同观测系统的探测数据进行处理时相信能够获得更好的结果。参考文献：1 李惠云，赵玉辉.矿井偶极瞬变电磁技术的应用效果与改进J.中国煤炭，2 0 14，40（5）：3 7-3 9，7 2.2彭仲秋，段新力，毕武，等.瞬变电磁“烟圈”反演实现J.物探化探计算技术，2 0 12，3 4（5）：57 3-57 5.3徐忠卫，秦之富，刘明伟.瞬变电磁烟圈反演及层状模型反演在隧道建设探测效果中的对比J公路交通技术，2020,36(2):115-118,124.4李广义，郝宇军.矿井TEM多匝小线框基于“烟圈”扩散角观测系统设计J.煤炭技术，2 0 19（2）：9 0-9 3.5蒋邦远.磁源TEM测深一维反演经验式及应用效果J.物探与化探，2 0 0 0，2 4（2）：99-10 4.6杜云杰.地面瞬变电磁法在采区积水勘探中的应用J.同煤科技，2 0 2 1（2)：2 4-2 7.地质条件及矿井涌水量预测J.中国煤炭地质，2 0 13，2 5(5):27-31.7郭天辉，樊雪莲.宁夏红柳煤矿水文地质特征及首采工作面涌水分析J1.中国煤炭地质，2 0 12，2 4（5）：3 0-3 4.8孟凡写，展茂征.瞬变电磁法在煤矿含水层富水性分区中的应用J.工程地球物理学报，2 0 14，11（5）：6 97-7 0 2.9段水云，吴慧芳.用地下水化学动力学方法计算出的水文地质参数来定量评价水文地质条件一一以太原三给地垒及周围地区为例J.水文地质工程地质，2 0 0 1（5）：6 2-6 5.10黄皓莉，侯玉新.地下水化学动力学基本理论在矿井水文地质中的应用J.中国煤田地质，2 0 0 2（2）：3 8 41.