赵新民
(华晋焦煤有限责任公司 沙曲一号煤矿， 山西 柳林 033300)
沙曲一号煤矿可采煤层有2号、3+4号、5号、6号、8(8+9、8+9+10)号煤层，全井田带压开采，矿井水文地质类型中等，太灰水静水位平均标高为+568 m，奥灰水静水位平均标高+780 m，现开采煤层为2号、4(3+4)号、5号(上组煤)，生产水平+400 m. 井田范围内上组煤承奥灰水1.774～7.027 MPa，突水系数0.020 2～0.062 2 MPa/m，目前矿井正常涌水量55 m3/h(不含生产水)。另外矿井地质类型属极复杂，为瓦斯突出矿井,2021年度矿井绝对瓦斯涌出量220.5 m3/min, 矿井相对瓦斯涌出量38.6 m3/t. 高承压水、煤与瓦斯突出是该矿井最显著特征。
随着矿井开拓范围不断扩大，开采深度逐渐向下延深，矿井水对矿井的威胁越来越突显。对沙曲一号煤矿造成威胁的水源主要来自厚层灰岩岩溶水(太灰、奥灰)，不同水源存在环境和水交替强弱的信息在水化学特征上的表现不同，因此通过对本区内的主要含水层水化学特征的对比分析，快速判别生产过程中涌水水源，特别是对奥灰水的辨识，从而指导矿井迅速、准确地制定治理措施，对该区域防治矿井突水具有现实指导价值。
水化学组成受控于多种因素，但主要集中于补给水源组成、围岩岩性和水的混合作用，对于某个局部区域而言，其补给水源基本上是稳定单一的，沙曲一号煤矿多次水文勘探也查明各含水层没有水力联系。因此水化学特征的分析研究，是判别矿井突水来源的有效方法。现依据矿井水文历史台账数据和新采集的水样数据定量分析该区域内的煤系地层(二叠系)砂岩裂隙水、太灰水(太原组灰岩岩溶裂隙水)、奥灰水(奥陶系灰岩岩溶水)及采空区积水4个主要充水水源离子特征、来源及形成机理。
2.1 煤系地层砂岩裂隙水水化学组成
沙曲井田地表出露有P2sh、P2s地层，因沟谷切割砂岩含水层中地下水或基岩风化带砂岩地下水多以侵蚀下降泉的形式排泄至沟谷，涌水量0.006 4～1.862 4 L/s，单位涌水量0.000 1～0.055 L·s-1·m-1，渗透系数0.001 8～0.57 m/d. 二叠系砂岩裂隙水可分为浅层基岩风化裂隙水、深层裂隙承压水，砂岩裂隙水的水化学类型有明显的垂直分带性，井田内及周边水文孔及矿井抽水试验层段均采取水样进行水质全分析测试，主要离子成分含量及指标见表1.
表1 沙曲一号煤矿煤系地层含水层常规水化学组成表 /mg/L
由表1可看出，二叠系砂岩裂隙水水化学类型主要以HCO3·SO4-Na·Mg型、HCO3·SO4-Na型为主,其次为HCO3-Na型，矿化度0.372～2.084 g/L，总硬度11.44～905.64 mg/L(CaCO3计)，pH值7.17～9.10. 水质化验结果中矿化度和总硬度差异很大的原因:1) 浅层基岩风化裂隙水、深层裂隙承压水自身的补、径、排条件的差异。2) 岩石裂隙发育程度、埋深大小、富水性强弱不同，当含水层埋深较浅、裂隙发育、富水性强时，其水质矿化度、硬度减小，反之随含水层埋藏加深，地下水补给条件变差，地下水交替滞缓，溶滤作用加强，地层盐分明显增加，矿化度增高，水质变差。
2.2 太原组岩溶水水化学组成
太原组岩溶水涌水量0.058～0.361 L/s，单位涌水量0.000 64～0.014 L·s-1·m-1，渗透系数0.002 68～0.002 78 m/d. 水质全分析测试，主要离子成分及指标见表2.
表2 沙曲一号煤矿太灰含水层常规水化学组成表 /mg/L
由表2可知，太原组岩溶含水层的水化学类型较为单一，主要类型为HCO3-Na型、HCO3·Cl-Na型，矿化度1.190～3.486 g/L，总硬度14.83～1 292.69 mg/L(CaCO3计)，pH值6.82～9.22.与上覆二叠系水化学分析资料相比，太灰水水化学类型及主要离子含量与上覆二叠系深层裂隙水基本相近，其阳离子均以Na+含量居首位，但矿化度总体上有所增高，反映出太灰水含水层水补给径流时间较长。
2.3 奥陶系灰岩岩溶水水化学组成
奥陶系灰岩岩溶水涌水量0.006 7～0.694 L/s，单位涌水量0.000 14～0.028 2 L·s-1·m-1，渗透系数0.000 43～0.598 m/d. 根据井田内及周边钻孔对奥陶系含水层采取水样做分析测试，除AH7、AH12号水质为O2s岩溶裂隙含水层水外，其它钻孔为O2f岩溶裂隙含水层水，分析结果见表3. 本区岩溶含水层含水介质为碳酸盐岩与硫酸盐岩混合建造的海相沉积地层，主要矿物成分为方解石、白云石和石膏，这就决定了地下水中Cl-、SO42-、Na+、Ca2+的大量存在。因此，区内地下水主要类型为Cl·SO4-Na型、SO4·Cl-Na·Ca型、Cl-Na型，矿化度为0.413～10.69 g/L，总硬度为159.16～2 148.21 mg/L，pH值6.88～8.43.
表3 沙曲一号煤矿奥灰含水层常规水化学组成表 /mg/L
奥陶系灰岩岩溶裂隙水由于自身补、径、排条件的差异，水化学特征存在明显的差异。在灰岩埋藏的浅部，岩溶裂隙发育，地下水交替作用强烈，迳流速度快，含水层富水性好，其矿化度、硬度明显减小，水质好，如AH8、AH9埋藏最浅，反之，在灰岩深埋区，岩溶裂隙不发育，地下水交替缓慢，径流条件差，经长期与围岩发生溶滤作用，溶解含水层中的化学成分，地下水的矿化度也随之增高，导致地下水硬度升高，水质变差。
2.4 采空区积水水化学组成
矿井未受到小窑破坏，采空区积水主要由自身采掘活动形成，根据矿井在采空区积水疏放过程中采取水样做分析测试，分析结果见表4.
表4 沙曲一号煤矿采空区积水常规水化学组成表 /mg/L
由表4可知，采空区积水的水化学主要类型为HCO3-Na型，矿化度1.532～2.628 g/L，总硬度28.68～93.02 mg/L(CaCO3计)，PH值8.34～8.73.采空区积水水化学类型及主要离子含量与上覆二叠系深层裂隙水和太灰水相比基本相近，其阳离子均以Na+含量居首位，总硬度比较均一，但矿化度总体上较前两者有所增高。
由表1，2，3，4计算可得沙曲一号煤矿各充水水源常规水化学平均组成，见表5.
表5 沙曲一号煤矿各充水水源常规水化学平均组成表 /mg/L
1) 煤系地层砂岩裂隙水主要特征分析。
二叠系砂岩地层富水性极弱。赋存于其中的地下水由于径流比较滞缓，在与围岩长期接触过程中，水中的Ca2+逐渐与围岩中的钾长石、钠长石，以及黏土矿物中吸附的钠发生离子交换，从而使阳离子逐渐由补给的第四系地下水中的Ca2+为主，逐渐变为以Na+为主；
使得阴离子保持了以HCO3-为主，形成了以HCO3-Na型为主的地下水。
2) 太原组岩溶水主要特征分析。
3) 奥陶系灰岩岩溶水主要特征分析。
4) 采空区积水主要特征分析。
矿井采空区积水主要来自生产用水以及顶板二叠系砂岩水和底板太灰水的补给。由于矿井开采时间短，所以形成的积水呈碱性。
通过对本区域内二叠系砂岩裂隙水、太灰水、奥灰水和采空区积水离子特征、来源及形成机理的分析和研究，可以清楚得出4种水源的水质特征。
1) 二叠系砂岩裂隙水相对于其它3种水源矿化度最低，平均阴阳离子占比中Mg2+含量占比最高、Cl-含量占比最低。
2) 灰水矿化度和采空区积水相近，大约是二叠系砂岩裂隙水的两倍。
