采煤驱动下复杂井田含水层化学特征与水力联系辨识

黄 磊,侯泽明,韩 萱,许 磊,张圣微,2李钢柱,刘志强

采煤驱动下复杂井田含水层化学特征与水力联系辨识

黄 磊1*,侯泽明1,韩 萱1,许 磊1,张圣微1,2李钢柱1,刘志强1

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区农牧业大数据研究与应用重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010018)

通过分析复杂井田不同含水层的常规元素、微量元素、氘氧同位素与氚同位素的水化学特征来判断各含水层的水力联系,并分别建立了Piper识别图版、Durov识别图版、氘氧同位素识别图版,借此可以快速甄别矿井突水的来源.结果表明:研究区地下水主要为大气降水补给,第四系含水层与直罗组含水层存在显著联系,直罗组含水层与延安组存在有限的联系.利用各含水层不同岩性导致的水化学离子特征差异和氘氧同位素、氚同位素的示踪特性建立识别图版,可有助于快速识别补连塔矿区突水水源,并对不同含水层的突水事故提出针对性的解决措施.

复杂井田；多层含水层；水力联系；矿井突水；水化学特征；同位素示踪

当前,国内外学者对采煤驱动影响地下水系统变化机制[1-2]进行了一定研究:如钱鸣高等[3]通过研究采煤驱动作用对岩层原有平衡状态的破坏,认为采煤活动导致裂隙增加、地下水水位下降与地表塌陷;冀瑞君等[4]通过研究神东矿区采煤活动对窟野河流域地下水循环的影响机制,认为采动破坏了隔水层的隔水性,使含水盆地汇水面积减小,泉流量减小或干涸,同时一部分地下水转化为矿井水;范立民等[5]通过对比1994年与2015年毛乌素沙漠与黄土高原接壤区泉数量、流量变化趋势等,认为混合入渗补给点受隔水层结构破坏与侧向补给截断是导致近20a来泉点大量消失的主要原因.

鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内有70多座煤矿,其中大规模大产能煤矿主要分布在黄河的一级支流乌兰木伦河两岸,是典型的沿河矿区.连年持续高强度开采导致地下水问题日益严重,已经成为制约当地社会发展的重要因素.本文选取伊金霍洛旗补连塔煤矿为研究区,该煤矿坐落于乌兰木伦河西岸,是世界第一大单井井工矿.采煤驱动作用直接影响着乌兰木伦河流域引发地下水水位下降、浅水含水层疏干等一系列环境地质问题[6].

本研究区范围内前人的研究多集中于乌兰木伦河流域地下水化学特征与成因机制分析[7]或某一离子的空间分布变化规律[8].多手段、多角度对复杂地质条件下井田各含水层化学特征与各含水层之间是否存在水力联系的相关问题研究较少. 因此,选取补连塔矿区地下水为研究对象,通过绘制主要含水层地下水化学特征识别图版[9],揭示采煤驱动下地下水化学特征与含水层联通关系,为矿区快速定位矿井突水来源提供科学参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

补连塔矿区位于(109°33¢～110°10¢E,39°01¢～ 39°30¢N)内蒙古西部干旱半干旱地区(图1),年降雨量396.8mm,年蒸发量2772mm,面积约为130.9km2,地势较为平坦,整体呈东高西低态势,黄河一级支流乌兰木伦河位于矿区东侧边界,受当地采煤疏干影响,乌兰木伦河及研究区内三条支沟为季节性流水.

图1 研究区概况

1.2 水文地质条件

补连塔矿区地下水类型包括松散岩类孔隙水、松散岩类裂隙水与基岩类裂隙水,含水层顺序由上至下分别为第四系含水层、直罗组含水层与延安组含水层.

松散岩类孔隙水的含水层为第四系含水层,厚度较薄,厚度约在10～30m,主要赋存于乌兰木伦河两侧及其一级支流、河漫滩、一级阶地及局部沙丘区域,降水入渗是孔隙水的主要补给来源,此外还接受灌溉回流与山区基岩侧向补给.松散岩类裂隙水的含水层为直罗组含水层与下覆延安组含水层,直罗组含水层由西向东逐渐增厚,厚度约为10～120m之间,含水层在研究区西北侧存在出露,出露处直接受风化作用侵蚀;延安组为主要煤系地层,受采动作用强烈.

主要隔水层为两层,一:是介于第四系含水层与直罗组含水层的砂质泥岩隔水层;二:是介于直罗组含水层与延安组含水层的砂质泥岩隔水层.[10]

图2 研究区水文地质示意

1.3 样品处理与分析

根据研究区气候与水文地质特征,在2021年8月进行了水样采集,采样过程严格遵守《地下水环境监测技术规范》[11]（HJ/T164-2004）,以乌兰木伦河及其上游呼和乌素支流、下游活鸡兔沟支流为界限,进行网格状采样,并适当向研究区外延伸,按照水样采集深度分为4类:地表水采样点6个、第四系含水层采样点11个、直罗组含水层采样点6个、延安组含水层采样点6个(表1).

水样装于500mL水样瓶内,每个点采集3瓶,其中一瓶加入硝酸保存剂测试重金属离子,并使用Parafilm封口膜密封保存.后将水样送往内蒙古自治区生态环境科学研究院进行测试,共测试Na+、K+、Ca2+、Mg2+、F-、Cl-、SO42-、NO3-、CO32-、HCO3-、TDS、pH值、D、18O、3H共15项指标.

表1 各层含水层采样点编号

1.4 研究方法与数据处理

对水样测试数据进行数理统计分析[12-13];绘制不同含水层paper三线图来判断地下水化学主导类型;通过Schoeller图[14-15]判断各含水层离子置换与微量元素赋存情况;借助Durov图[16-17]对地下水整体进行水化学分类;根据以上分析结果,建立该研究区常规水化学组分识别图版.

2 结果与分析

2.1 常规离子分析

2.1.1 地表水与第四系含水层对比 由图3可看出:地表水中Na+、K+、SO42-、Cl-富集,其中SO42-、Na+离子占比达70%以上;第四系含水层中Na+、K+有所下降,Ca2+、Mg2+离子浓度开始上升至22%左右,略少于Na+、K+的26%,依旧为Na+、SO42-为主导,研究区的地下水主要为大气降水补给,降水入渗后,逐渐与周围岩石发生溶滤作用和阳离子交换吸附作用[18],导致Na+、K+离子浓度降低而Ca2+、Mg2+离子浓度升高.

地表水采样点地表水03-地表水01的化学类型由SO42-×Cl-—Ca2+×Mg2+型转为SO42-×Cl--Mg2+型,邻近采样路径第四系01-第四系02下,第四系含水层采样点的化学类型由SO42-×Cl--Ca2+型转为SO42-×Cl--Mg2+,地表水与第四系含水层水样空间变化趋势一致,说明地表水与第四系含水层之间存在水力联系.

2.1.2 第四系含水层与直罗组含水层对比 由图4可知:直罗组含水层较第四系含水层的采样点中的SO42-浓度较高且数值较为稳定,HCO3-、Mg2+离子浓度增高,而Cl-离子浓度降低,且降幅较大,地下水化学类型为Na+-SO42-主导型,两个含水层的水化学特征具有相同的趋势.考虑到第四系含水层与直罗组含水层之间的隔水层为粉砂岩与粉砂质泥岩,具有较好的隔水性,所以这两层含水层本应属于两个相对独立的含水系统,但直罗组地层受风化侵蚀作用[19],导致地层厚度不一,东部剥蚀严重,逐渐向西部增厚,最厚处可达160m左右.所以含水的砂岩岩层厚度变化较大,在东部边缘存在尖灭现象,且上部裂隙较为发育,导致第四系含水层与直罗组含水层存在水力联系.

图3 地表水与第四系含水层piper三线图

图4 第四系含水层与直罗组含水层piper三线图

2.1.3 直罗组含水层与延安组含水层对比 延安组为研究区主要煤系地层,由图5可知:延安组含水层部分水样落点与直罗组含水层水样落点出现重合,而另一部分落点与直罗组含水层水样落点相差较大,在数值上整体具有较高SO42-与HCO3-浓度,Cl-离子浓度大幅下降,地下水化学类型为HCO3--Ca2+主导型.piper三线图中延安组2号、3号水样依旧与直罗组含水层落点具有较强的关联性,但延安组1, 4, 5, 6号水样落点独立于直罗组含水层水样落点,推测出现这种情况的原因为:采煤驱动作用下煤层上覆岩层裂隙发育,直罗组含水层中的地下水渗入延安组含水层[25-28],导致延安组含水层的地下水化学组分变得更为复杂,位于工作面上方的延安组水样点2、3受扰动影响较大;而位于工作面下方的地下水受采煤带来的扰动作用较小[20-22],所以延安组水化学特征与直罗组含水层的差异性更为显著,直罗组含水层与延安组含水层是否存在水力联系,需通过氢氧同位素进一步判断.

图5 直罗组含水层与延安组含含水层piper三线图

2.2 氘氧同位素分析

以标准海洋水的千分差(SMOW)表示所采水样的氘氧值:

式中::代表样品;:标准样品;:同位素比率.

以鄂尔多斯市的氘氧同位素数据建立当地的降水线方程(LMWL)为[23-24]:

dD=6.5d18O-4.2(2)

以乌兰木伦河及其季节性支流所采水样的氘氧值计算当地河流蒸发线方程(EL)和第四系含水层蒸发线方程分别为:

dD=3.85d18O-32.21(3)

dD=4.76d18O-23.41(4)

通过克雷格温度效应公式进行误差验证:

d18O=0.695t(℃)-13.6(‰)(5)

dD=5.6t(℃)-100(‰)(6)

式中:为当地平均气温,补连塔平均气温6.2℃,将带入(5)、(6)中,得到18O=-9.291、D=65.28,将18O=-9.21带入(3)式,得D=67.42,与通过(6)式得到的D=65.28误差仅为2.14‰,说明(2)式可以代表研究区降水线.

图6 样品dD、d18O关系

由图6可以看出,在研究区内,渗入水与地下水充分混合后,有28例样品值仍位于当地降水线右下方,D、18O沿当地降水线呈线性分布,说明研究区地下水的主要补给来源为大气降水入渗补给,第四系含水层部分水样出现18O漂移现象[31],可能受到蒸发作用影响.

地表水水样与第四系含水层水样的D、18O分布范围相互重叠,反映了地表水入渗补给过程;第四系含水层水样的D则普遍贫于地表水,但丰于直罗组含水层与延安组含水层水样,这也符合第四系含水层为较年轻地层的实际情况[25];第四系含水层水样与直罗组含水层水样的落点相互重叠,说明两者间具有一定的水力联系,部分水样的落点接近重合,说明两者间可能存在垂向补给关系,进一步证明了第四系含水层地下水与直罗组含水层地下水存在水力联系;直罗组含水层与部分延安组含水层落点相接近,说明直罗组含水层与延安组含水层之间存在一定的水力联系,但另一部分水样点D、18O出现贫化,说明这部分采样点可能位于延安组含水层较深位置或采样点位于冒落、导水裂隙带影响区域边缘或影响区域外,受采动作用影响较小,含水层贮水条件更为封闭,导致这部分水样与上覆含水层的联系较小.

2.3 3H元素分析

氚元素的更新周期要慢于氘元素[26],借此可以测定氚元素来判断水体的形成年代,第四系含水层水样(埋深小于30m)3H值介于12.4～22.5TU,均值为17.1TU,说明第四系含水层所含地下水均来自现代大气降水;直罗组含水层水样(埋深位于20～ 120m)3H介于6.3～22.4TU,均值为14.1TU,在数值上略小于第四系含水层,说明直罗组含水层所含地下水为次现代-近代混合补给水;延安组含水层水样3H介于4.3～18.6TU,均值为11.4TU,整体小数值上于直罗组含水层,说明延安组含水层地下水的贮藏条件相对封闭,但与直罗组含水层水样在数值上仍然存在交叉,判断延安组含水层与直罗组含水层存在水力联系,所含地下水为次现代-近代混合地下水.由图7可以看出:数值偏小的水样采样点应该位于受采煤驱动扰动较小的区域,处于相对封闭的状态,与上覆含水层的联系较小,所含地下水主要为次现代补给水.

图7 3H含量

综上所述,研究区地下水的主要补给来源为大气降水,在乌兰木伦河沿岸地区,由于煤层埋深较浅,采空区冒落、裂隙带发育高度甚至可以直达地表,在长期采动作用下,煤系地层上覆含水层原有裂隙进一步发育至贯穿第四系含水层底板,使第四系含水层、直罗组含水层与延安组含水层之间产生水力联系.

2.4 微量离子分析

2.4.1 NO3-的变化趋势分析 选取NO3-和F-离子作为参考元素进行分析,由图8可知,在地表采样点所采水样的NO3-离子浓度较为稳定,入渗补给进入第四系含水层后浓度逐渐升高,直罗组、延安组含水层中NO3-浓度整体上低于第四系含水层,推测第四系含水层NO3-浓度增高的原因为:研究区地表存在大面积塌陷回填后形成松树种植区,所需施氮肥含量远高于周边稀疏分布的耕地,所以研究区第四系含水层硝酸的浓度主要受林地影响[27-29].结合研究区高程分布情况来看,第四系07采样点海拔较高,不利于NO3-在地下水中富集,因此该点的浓度低于第四系含水层其他采样点.

2.4.2 F-的变化趋势分析 如图8所示,F-离子浓度在地表水05点数值较大,地表水05点所在位置西北600m处为补连塔煤矿的露天矿堆渣场,导致F-离子浓度在地表水05点数值较高,受煤矸石堆放场影响导致F-含量在地表水中数值整体略高于第四系含水层水样.

图8 微量元素浓度折线

直罗组地下水在进入延安组含水层后,F-离子浓度明显上升,可能有3个原因[30]:(1)延安组含水层为补连塔矿区的主要采煤层,岩层内富含有机矿物,与地下水发生溶滤作用后,导致F-浓度升高[35]; (2)少量F-会与Ca2+反应生成极难溶于水的CaF2后达到水岩平衡(图9),所以F_易随水体迁移;(3)采动产生降落漏斗导致水力梯度增大,直接影响地下水径流,并形成局部地下水水流系统,上覆含水层地下水通过导水裂隙溶解了更多的F-,并最终汇入到延安组含水层中,同时延安为主要煤系地层,煤层开采使得地下水与围岩充分接触,导致延安组F-离子浓度增高[31].

由图9可见:在水体呈弱碱性的情况下,F-、Cl-浓度偏高,水体TDS整体偏高.一般情况下,高TDS、低Ca2+环境为高F-的生成条件,对于补连塔矿区延安组含水层,高TDS的同时,Ca2+浓度并不低,但F-浓度依旧较高,因此F-存在多个来源,延安组含水层与上覆含水层存在较密切的水力联系.

图9 各化学组分Scholler图

长时间的采动作用会导致:(1)上覆岩层的裂隙发育,裂隙连通性增强;(2)局部第四系含水层与直罗组含水层会通过裂隙向下层延安组含水层进行补给,形成新的汇流中心.综上所述,第四系含水层地下水与直罗组相近的元素变化趋势(图9)说明:第四系含水层与直罗组含水层存在密切的水力联系.延安组含水层在变化趋势上与直罗组含水层整体相近,且出现F-离子的逐层累计现象(图8),但部分点在常规元素上与直罗组含水层相差较大说明:直罗组含水层与延安组含水层存在有限的水力联系.

3 水化学特征识别图版

3.1 识别流程

研究区各含水层相互存在水力联系,导致不同含水层水样整体在数值上出现一定程度共同性.但受不同地质环境、贮藏条件与煤矿开采条件的影响,各含水层的地下水化学特征同时存在明显的差异性,差异主要反映在HCO3-、Mg2+、Cl-、SO42-、Ca2+、Na+、K+浓度的变化上.通过各层地下水的差异性将识别图版划分为4个区域,分别对应地表水、第四系、直罗组、延安组含水层,由此建立矿区突水水源识别图版.在矿区发生突水事故时,通过分析突水水样的化学组分特征值以及在识别图版上的落点分区,来确定突水来源,同时结合不同类型的识别图版,提高结果可靠性,以达到快速确定矿区突水来源的目的.

3.2 常规元素识别图版

由图10可知,地表水主要集中在Cl--SO42-- HCO3-三角形的SO42-端,落点集中于①区;第四系含水层主要集中在Cl--SO42--HCO3-三角形的Ca2++ Mg2+端,落点集中于②区;直罗组含水层主要集中在Mg2+-Ca2+-K+三角形的SO42-端,落点集中于③区;延安组含水层主要集中在Na++K+端,落点集中于④区.通过常规元素实现的判断过程,主要由Cl--SO42-- HCO3-三角形和Mg2+-Ca2+-K+三角形完成.由图11可知:在各含水层原有的地下水化学类型特征下,地表水与第四系含水层落点集中于TDS较低的①、②两区,直罗组含水层与延安组含水层落点集中于TDS较高的③、④两区,同时查看Piper识别图版与Durov图版可更准确地判断地下水来源.

图10 Piper三线图识别图版

图11 Durov识别图版

3.2 氘氧同位素识别图版

由图12可知:地表水的D、18O值最大,处于偏重端,落点集中于①区;第四系含水层D、18O值丰于地表水且落点较分散,多集中于②区;直罗组含水层D、18O值丰于第四系含水层,落点多集中于③区;延安组含水层D、18O同位素贫化,明显处于偏轻端,落点多集中于④区,该图版可清晰快速地辨别水源是否来自延安组含水层.

图12 dD、d18O同位素识别图版

4 采煤驱动下地下水循环模式构建

通过常规元素与氢氧同位素判断含水层之间是否存在水力联系,通过微量元素判断含水层之间水力联系的强弱，构建了采动作用下地表水、地下水循环模式,分别为孔隙地下水流系统(第四系含水层)、裂隙地下水流系统(直罗组含水层与延安组含水层)与局部地下水流系统三个层级.采煤驱动下形成的局部地下水流系统接受大气降水、部分地表水、孔隙水与裂隙水的集中补给,改变了地表水、孔隙水、裂隙水原有的循环形式,并在局部形成新的汇流中心(如图13所示).

图13 补连塔地下水循环概念模型

5 结论

5.1 地表水化学类型以Mg2+-SO42-×Cl-为主导型,第四系含水层水化学类型同样为Mg2+-SO42-×Cl-主导型,二者化学类型转化在空间上具有一致性;直罗组含水层水化学类型为Na+-SO42-主导型,与第四系含水层相比,HC03-、Mg2+浓度上升,Cl-离子浓度下降,且减幅较大;延安组含水层水化学类型为HCO3--Ca2+主导型,与直罗组含水层相比,SO42-与HCO3-浓度较高,Cl-离子浓度大幅下降.受采动作用影响,3个含水层中F-呈逐层递增的趋势,延安组含水层F-浓度偏高;受植被施肥影响,第四系含水层中NO3-浓度偏较高,研究区植被为第四系含水层NO3-含量大幅升高的主要原因.

5.2 地表水与第四系含水层存在相互转换的关系,存在密切水力联系;第四系含水层与直罗组含水层存在密切水力联系;直罗组含水层与延安组含水层存在有限的水力联系.

5.3 通过常规离子、微量元素、氘氧同位素与氚同位素等多种分析手段对复杂地质条件下井田不同层位水体进行识别与分析,总结了不同含水层地下水化学类型与水力联系,并建立Piper识别图版、Durov图版、氘氧同位素图版,通过联合比对可快速开展矿区突水溯源,并借此提出针对性的补救措施.

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Identification of chemical characteristics and hydraulic connection of each aquifer in complex mine field driven by coal mining.

HUANG Lei1*, HOU Ze-ming1, HAN Xuan1, XU Lei1, ZHANG Sheng-wei1,2, LI Gang-zhu1, LIU Zhi-qiang1

(1. Inner Mongolia Water Resource Protection and Utilization Key Laboratory, Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2.Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Big Data Research and Application of Agriculture and Animal Husbandry, Hohhot 010018, China)., 2022,42(6)：2697～2706

By analyzing the numerical characteristics of conventional elements, trace elements, deuterium, oxygenand tritium isotope of different aquifers, the groundwater chemical characteristics and hydraulic connection of each aquifer were judged. The three identification charts (piper and durov identification charts of conventional hydrochemical components and deuterium tritium isotope identification charts) were established to realize the rapid identification of aquifer water source. The results showed that the main recharge source of groundwater in the study area was atmospheric precipitation. There was a significant indigenous connection between Quaternary aquifer and Zhiluo Formation aquifer, limited indigenous connection between the Zhiluo Formation aquifer and the Yan'an Formation aquifer. The three identification charts were established to determine the water inrush source and put forward targeted solutions for water inrush from different aquifers in Bulianta mining area based on the differences in hydrochemical ion characteristics, deuterium-oxygen and tritium isotopes.

complex mine fields；multi-layer aquifer；hydraulic connection；mine water inrush；hydrochemical characteristics；isotopetracing

X523

A

1000-6923(2022)06-2697-10

黄 磊(1983-)男,内蒙古呼和浩特人,博士,副教授,主要从事水文地质与环境地质领域的教学与科研工作.发表论文20余篇.

2022-01-05

国家自然科学基金资助项目(51969023);内蒙古自治区科技计划项目(2020GG0076)

* 责任作者, 副教授, lei_huang@yeah.net