摘要:海下采煤防治水工作重點(diǎn)是對(duì)頂板突水水源的預(yù)測(cè)和監(jiān)控。本文通過對(duì)海域不同水體的水文地球化學(xué)特征研究,及不同水體的混合水樣配比試驗(yàn),找出水情監(jiān)控中的特征離子并加以辨識(shí),確定預(yù)警閾值,輔以水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)海水潰入的早期預(yù)測(cè)預(yù)警,確保海下采煤安全。
關(guān)鍵詞:海下采煤;特征離子;辨識(shí);預(yù)警閾值
引言
地下水賦存于含水巖層的空隙中,而且在不斷地運(yùn)動(dòng)著,在地下水的形成、聚集和運(yùn)動(dòng)過程中,不斷地與周圍介質(zhì)相互作用,進(jìn)行離子的交換,經(jīng)過長(zhǎng)期地質(zhì)作用、離子交換作用、物理化學(xué)作用過程后,達(dá)到含水層水質(zhì)離子成份的動(dòng)態(tài)平衡。因而處于不同的地質(zhì)水文地質(zhì)條件下,含水層中的水化學(xué)成份在構(gòu)成與含量上都有差別。研究海域煤系地層地下水與上覆第四系含水層及海水的地下水水化學(xué)特征,掌握煤系各含水層水質(zhì)背景及主要離子含量?？梢钥焖俚嘏袛嗑峦凰?及時(shí)采取防治水措施,減少或避免淹井事故的發(fā)生具有重要價(jià)值。
1 海域水文地質(zhì)特征
海域地層是陸地井田向海下的自然延深,煤系地層、構(gòu)造與陸地井田有相似性和可對(duì)比性。為中生代形成、新生代繼承和發(fā)展的斷陷型全隱蔽式老第三系煤田,主要含煤地層為老第三系黃縣組。海域地層自下而上為下第三系地層(E)、上第三系地層(N)和第四系地層(Q),其巖性主要為泥巖、砂巖、粘土巖、炭質(zhì)頁巖、油頁巖和煤組成。影響海下采煤的水體主要有:海水、第四系含水層水及煤系泥灰?guī)r含水層水、泥巖夾泥灰?guī)r互層含水層水。
2 主要含水層情況及水化學(xué)特征
2.1 海水
北皂海域擴(kuò)大區(qū)位于北皂煤礦陸地區(qū)域以北的渤海內(nèi),海水由南向北漸深,海水深度0～12m。海水是常年性的巨大的動(dòng)態(tài)水體,也是海下煤炭開采的重大水害之一。北皂海域?yàn)椴澈?海水的主要特征是K++Na+、Mg2+、CL-和SO42+離子含量較高,其中CL-含量一般在20000ppm,K++Na+含量一般在12000ppm,而HCO3-離子含量較低,遠(yuǎn)低于煤系地層含水層。
2.2 第四系含水層水
第四系地層由含水的粗、中、細(xì)砂層和隔水的粘土、砂質(zhì)粘土相間組成。從含隔水性分析,第四系自上而下可分為Ⅰ含、Ⅰ隔和Ⅱ含,為二含一隔結(jié)構(gòu)。Ⅰ含為上部砂層,單位涌水量為0.1186～3.713L/s.m,富水性中等至強(qiáng);Ⅱ含為中、下部含水層,粘土質(zhì)含量較高,單位涌水量為0.249～1.094L/s.m,富不性中等;Ⅰ隔位于Ⅰ含和Ⅱ含之間,厚度大于3m,分布穩(wěn)定,為隔水性能良好的粘土、砂質(zhì)粘土,塑性指數(shù)IP=25.1,含粘量η=(20.05～35.3)%,土樣滲透系數(shù)小于1.0×10-8～1.12×10-7cm/s,為良好的隔水層,在垂向上可以阻隔Ⅰ含和Ⅱ含之間的水力聯(lián)系。
本層分為上下兩個(gè)含水分層。上部含水層:在陸地直接接受大氣降水補(bǔ)給,在海域內(nèi)可直接接受海水補(bǔ)給。K++Na+離子含量平均在130.4ppm,CL-含量平均158.6ppm。礦化度為2344.09mg/L,水質(zhì)類型為SO42+-CL--Na+( Mg2+)型水。下部含水層水:與上部含水層水離子含量相差非常大,CL-含量平均16898.3ppm,為上部含水層含量的106倍,K++Na+離子含量平均在7882.3ppm,為上部含水層含量的60倍,礦化度為33637.13mg/L,水質(zhì)類型為CL-Na(Ca.Mg)型水,與海水相近。
2.3 泥灰?guī)r含水層
含水層由鈣質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r相間,泥灰?guī)r呈灰色,質(zhì)不純,含遂石結(jié)核和遂石條帶,裂隙及小溶洞。海域該層厚度2.95～5.50m,平均厚4.36m。其底界下距煤2頂板距離為58.93～62.85m。在巷道直接揭露該含水層或由于斷層作用使其與可采煤層接觸或間距偏小時(shí),該含水層會(huì)向井下充水。各種離子含量均不太高,K++Na+和CL-離子含量明顯低于海水,CL-含量一般在900～13000ppm,為海水含量的1/2～2/3,礦化度為21160.0 mg/L,,水化學(xué)類型為CL-Na+K型水。
2.4 泥巖夾泥灰?guī)r含水層
泥巖夾泥灰?guī)r含水層,質(zhì)較純、較硬,裂隙發(fā)育,一般厚7～8m。陸地鉆孔和巷道揭露涌水量60～75m3/h,據(jù)海域回風(fēng)暗斜井施工的探放水孔實(shí)際觀測(cè),涌水量為15m3/h,一般為6.6～7.0m3/h。該含水層距可采煤層煤2頂板約44m。該層與泥灰?guī)r含水層水質(zhì)相近,由于二者相距較近,且水位標(biāo)高相似,分析二者可能存在相互滲透和補(bǔ)給關(guān)系。礦化度為2814.98mg/L,水化學(xué)類型為HCO3?CL-Na型水。
2.5 不同含水層水質(zhì)特征分析對(duì)比
(1)海水Mg/Ca摩爾比值為5,高于其它含水層1～2倍;(2)海水和第四系下部含水層(Ⅱ含)礦化度遠(yuǎn)高于煤系地層含水層,構(gòu)成其差異的主要離子為CL-、Na+離子;(3)SO42-、Br-離子在海水和第四系下部含水層(Ⅱ含)含量較高,而在煤系地層各含水層中的含量極低;(4)海水的HCO3-離子較低,煤系地層各含水層HCO3-離子值均高于其數(shù)倍至十幾倍。
3 特征離子的確定與辨識(shí)
為了確定具體的水質(zhì)特征離子和預(yù)警閾值,將海水和煤2頂板泥灰?guī)r、泥巖夾泥灰?guī)r二含水層混合水按體積比從1:9到9:1進(jìn)行配比,得到配比后水樣9個(gè),分別進(jìn)行化驗(yàn)分析。
3.1 陽離子變化趨勢(shì)
陽離子變化趨勢(shì)如圖3-1所示。
由陽離子的變化趨勢(shì)圖中,可以看出,隨著海水比例的增加,Na+離子和Mg2+離子含量顯著增加,并且變化趨勢(shì)比其他離子明顯的多。因此在陽離子中,可以選擇Na+離子和Mg2+離子作為特征離子進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
3.2 陰離子變化趨勢(shì)
陰離子變化趨勢(shì)如圖3-2所示。
從陰離子變化趨勢(shì)圖中,可以看出,隨著海水比例的增加,Cl-和SO42-含量顯著增加,變化趨勢(shì)比其他離子明顯的多。因此在陰離子中可以選擇Cl-和SO42-作為特征離子進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)其離子含量的變化進(jìn)行預(yù)警。
4 預(yù)警閾值研究
通過研究煤2頂板二含水層和海水的水化學(xué)成分和特征,掌握了礦區(qū)煤2以上各含水層(體)的水質(zhì)背景資料,可以確定區(qū)分煤2以上各含水層(體)的特征離子與特征指標(biāo),以海域煤2以上各含水層(體)水質(zhì)指標(biāo)為背景,以特征離子與特征指標(biāo)的變化幅度為閾值進(jìn)行防止海水潰入預(yù)警:
≤10% 綠色――安全狀態(tài)――正常工作
10-30% 黃色――戒備狀態(tài)――加強(qiáng)觀測(cè)分析
30-50% 橙色――緊急戒備狀態(tài)――密切關(guān)注、準(zhǔn)備救援
≥50% 紅色――危險(xiǎn)報(bào)警――應(yīng)急救援
5 結(jié)語
5.1 通過煤系地層含水層水樣與海水水樣的混合配比試驗(yàn),得出了含水層水質(zhì)背景和不同比例的混合水中變化趨勢(shì)明顯的特征離子。陽離子選擇Na+離子和Mg2+離子、陰離子選擇Cl-離子和SO42-離子作為水質(zhì)監(jiān)控的辨識(shí)離子。
5.2 以特征離子的變化幅度為基礎(chǔ),研究特征離子監(jiān)控的預(yù)警閾值,為建立水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。
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