海下采煤水质监控特征离子辨识与预警阈值研究

来源:http://www.shuizhifenxi.com/ 作者:余氯检测仪 时间:2019-08-12

  摘要:海下采煤防治水工作重点是对顶板突水水源的预测和监控。本文通过对海域不同水体的水文地球化学特征研究,及不同水体的混合水样配比试验,找出水情监控中的特征离子并加以辨识,确定预警阈值,辅以水质自动监测系统,实现对海水溃入的早期预测预警,确保海下采煤安全。

  关键词:海下采煤;特征离子;辨识;预警阈值

  引言

  地下水赋存于含水岩层的空隙中,而且在不断地运动着,在地下水的形成、聚集和运动过程中,不断地与周围介质相互作用,进行离子的交换,经过长期地质作用、离子交换作用、物理化学作用过程后,达到含水层水质离子成份的动态平衡。因而处于不同的地质水文地质条件下,含水层中的水化学成份在构成与含量上都有差别。研究海域煤系地层地下水与上覆第四系含水层及海水的地下水水化学特征,掌握煤系各含水层水质背景及主要离子含量。可以快速地判断井下突水水源,及时采取防治水措施,减少或避免淹井事故的发生具有重要价值。

  1 海域水文地质特征

  海域地层是陆地井田向海下的自然延深,煤系地层、构造与陆地井田有相似性和可对比性。为中生代形成、新生代继承和发展的断陷型全隐蔽式老第三系煤田,主要含煤地层为老第三系黄县组。海域地层自下而上为下第三系地层(E)、上第三系地层(N)和第四系地层(Q),其岩性主要为泥岩、砂岩、粘土岩、炭质页岩、油页岩和煤组成。影响海下采煤的水体主要有:海水、第四系含水层水及煤系泥灰岩含水层水、泥岩夹泥灰岩互层含水层水。

  2 主要含水层情况及水化学特征

  2.1 海水

  北皂海域扩大区位于北皂煤矿陆地区域以北的渤海内,海水由南向北渐深,海水深度0~12m。海水是常年性的巨大的动态水体,也是海下煤炭开采的重大水害之一。北皂海域为渤海,海水的主要特征是K++Na+、Mg2+、CL-和SO42+离子含量较高,其中CL-含量一般在20000ppm,K++Na+含量一般在12000ppm,而HCO3-离子含量较低,远低于煤系地层含水层。

  2.2 第四系含水层水

  第四系地层由含水的粗、中、细砂层和隔水的粘土、砂质粘土相间组成。从含隔水性分析,第四系自上而下可分为Ⅰ含、Ⅰ隔和Ⅱ含,为二含一隔结构。Ⅰ含为上部砂层,单位涌水量为0.1186~3.713L/s.m,富水性中等至强;Ⅱ含为中、下部含水层,粘土质含量较高,单位涌水量为0.249~1.094L/s.m,富不性中等;Ⅰ隔位于Ⅰ含和Ⅱ含之间,厚度大于3m,分布稳定,为隔水性能良好的粘土、砂质粘土,塑性指数IP=25.1,含粘量η=(20.05~35.3)%,土样渗透系数小于1.0×10-8~1.12×10-7cm/s,为良好的隔水层,在垂向上可以完全阻隔Ⅰ含和Ⅱ含之间的水力联系。

  本层分为上下两个含水分层。上部含水层:在陆地直接接受大气降水补给,在海域内可直接接受海水补给。K++Na+离子含量平均在130.4ppm,CL-含量平均158.6ppm。矿化度为2344.09mg/L,水质类型为SO42+-CL--Na+( Mg2+)型水。下部含水层水:与上部含水层水离子含量相差非常大,CL-含量平均16898.3ppm,为上部含水层含量的106倍,K++Na+离子含量平均在7882.3ppm,为上部含水层含量的60倍,矿化度为33637.13mg/L,水质类型为CL-Na(Ca.Mg)型水,与海水相近。

  2.3 泥灰岩含水层

  含水层由钙质泥岩与泥灰岩相间,泥灰岩呈灰色,质不纯,含遂石结核和遂石条带,裂隙及小溶洞。海域该层厚度2.95~5.50m,平均厚4.36m。其底界下距煤2顶板距离为58.93~62.85m。在巷道直接揭露该含水层或由于断层作用使其与可采煤层接触或间距偏小时,该含水层会向井下充水。各种离子含量均不太高,K++Na+和CL-离子含量明显低于海水,CL-含量一般在900~13000ppm,为海水含量的1/2~2/3,矿化度为21160.0 mg/L,,水化学类型为CL-Na+K型水。

  2.4 泥岩夹泥灰岩含水层

  泥岩夹泥灰岩含水层,质较纯、较硬,裂隙发育,一般厚7~8m。陆地钻孔和巷道揭露最大涌水量60~75m3/h,据海域回风暗斜井施工的探放水孔实际观测,最大涌水量为15m3/h,一般为6.6~7.0m3/h。该含水层距可采煤层煤2顶板约44m。该层与泥灰岩含水层水质相近,由于二者相距较近,且水位标高相似,分析二者可能存在相互渗透和补给关系。矿化度为2814.98mg/L,水化学类型为HCO3・CL-Na型水。

  2.5 不同含水层水质特征分析对比

  (1)海水Mg/Ca摩尔比值为5,高于其它含水层1~2倍;(2)海水和第四系下部含水层(Ⅱ含)矿化度远高于煤系地层含水层,构成其差异的主要离子为CL-、Na+离子;(3)SO42-、Br-离子在海水和第四系下部含水层(Ⅱ含)含量较高,而在煤系地层各含水层中的含量极低;(4)海水的HCO3-离子较低,煤系地层各含水层HCO3-离子值均高于其数倍至十几倍。

  3 特征离子的确定与辨识

  为了确定具体的水质特征离子和预警阈值,将海水和煤2顶板泥灰岩、泥岩夹泥灰岩二含水层混合水按体积比从1:9到9:1进行配比,得到配比后水样9个,分别进行化验分析。

  3.1 阳离子变化趋势

  阳离子变化趋势如图3-1所示。

  由阳离子的变化趋势图中,可以看出,随着海水比例的增加,Na+离子和Mg2+离子含量显著增加,并且变化趋势比其他离子明显的多。因此在阳离子中,可以选择Na+离子和Mg2+离子作为特征离子进行监测。

  3.2 阴离子变化趋势

  阴离子变化趋势如图3-2所示。

  从阴离子变化趋势图中,可以看出,随着海水比例的增加,Cl-和SO42-含量显著增加,变化趋势比其他离子明显的多。因此在阴离子中可以选择Cl-和SO42-作为特征离子进行监测,根据其离子含量的变化进行预警。

  4 预警阈值研究

  通过研究煤2顶板二含水层和海水的水化学成分和特征,掌握了矿区煤2以上各含水层(体)的水质背景资料,可以确定区分煤2以上各含水层(体)的特征离子与特征指标,以海域煤2以上各含水层(体)水质指标为背景,以特征离子与特征指标的变化幅度为阈值进行防止海水溃入预警:

  ≤10% 绿色――安全状态――正常工作

  10-30% 黄色――戒备状态――加强观测分析

  30-50% 橙色――紧急戒备状态――密切关注、准备救援

  ≥50% 红色――危险报警――应急救援

  5 结语

  5.1 通过煤系地层含水层水样与海水水样的混合配比试验,得出了含水层水质背景和不同比例的混合水中变化趋势明显的特征离子。阳离子选择Na+离子和Mg2+离子、阴离子选择Cl-离子和SO42-离子作为水质监控的辨识离子。

  5.2 以特征离子的变化幅度为基础,研究特征离子监控的预警阈值,为建立水质自动监测系统提供科学依据。

  参考文献

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  [2]彭龙超,张雁,王成绪.松散层水与煤系地层砂岩水混合效应的水文地球化学研究.水文地质工程地质,2008.4,34-38.

  [3]王兰健,韩仁桥.水情监测预警系统的海下采煤中的应用.煤田地质与勘探,2006.34,54-56.

  [4]郑世书,孙亚军,赵林.GIS在殷庄煤矿微山湖下采区工作面涌水预测中的应用.中国矿业大学学报,1994.6,23(2),48-56.

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