¹安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南

²淮河能源集团顾北煤矿，安徽 淮南

收稿日期：2021年11月9日；录用日期：2021年11月30日；发布日期：2021年12月7日

摘要

研究深埋开采条件下岩溶地下水动态变化特征，对于分析含水层之间的水力联系及岩溶水害的防治具有十分重要意义。以淮南顾北煤矿为例，通过现场放水试验、采样测试与统计分析等方法，结合进一步水文地质探查和注浆治理工程，分析了南一1煤采区底板C₃I组灰岩含水层的水位、水质和水温等动态变化特征及影响因素。结果表明：区内C₃I组灰岩含水层浅部露头区岩溶裂隙相对发育，其富水性和渗透性相对较好，向深部富水性逐渐变弱、连通性逐渐变差特点。通过对岩溶含水层探查、注浆治理阻断了深部C₃III和奥灰含水层与浅部含水层(C₃I、C₃II组)之间垂向水力联系，并得到了验证，从而为该矿深部岩溶水害防治提供依据。

关键词

岩溶含水层，放水试验，探查与注浆，地下水动态，顾北煤矿

Dynamic Characteristics and Influencing Factors of Karst Groundwater in Gubei Mine

Shaobo Sun^1*, Guangquan Xu^1#, Chunyuan Dou², Xu Li¹, Tao Zhou¹, Jian Wei², Tong Xu², Youjing Cai²

¹School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui

²Gubei Coal Mine of Huaihe Energy Group, Huainan Anhui

Received: Nov. 9^th, 2021; accepted: Nov. 30^th, 2021; published: Dec. 7^th, 2021

ABSTRACT

The study of the dynamic characteristics of karst groundwater under the condition of deep mining is very important for analyzing the hydraulic relationship between different aquifers and the prevention and control of water inrush from aquifers under coal seam. Taking Gubei Coal Mine in Huainan as research object, through the methods such as dewatering test of aquifers, sampling and testing and statistical analysis, combined with the local advanced hydrogeological exploration and grouting project, the dynamic variation of characteristics (water level, water quality and water temperature) of group C₃I aquifer under the coal floor in the first southern coal mining area and its factors are analyzed. The results show that karst fractures are relatively developed in the shallow outcrop of C₃I limestone aquifer which is some abundance and permeability, while with increase of depth, its abundance, permeability and connection gradually become weak and the connectivity gradually becomes worse. Through further exploration to karst aquifers and grouting treatment, the vertical hydraulic connections between the shallow aquifer (aquifer of C₃I and C₃II) and the deep one (aquifer of C₃III and Ordovician) have been blocked up and verified, which has provided a scientific basis for the prevention and control of karst water hazards in Gubei Coal Mine.

Keywords:Karst Aquifer, Dewatering Test, Hydrogeological Exploration and Grouting, Groundwater Dynamics, Gubei Coal Mine

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

煤炭是我国能源的支柱，近年来随着开采深度增加，岩溶水害问题日益趋突出 [1] [2]。岩溶水害是煤炭安全开采重大隐患之一，华北煤田岩溶突水事故时有发生，它是制约煤矿安全生产的重要因素。如淮北任楼煤矿与桃园煤矿及淮南的潘二煤矿，因岩溶水害造成淹井事故，带来严重经济损失 [3]。自上个世纪七十年代以来，岩溶地下水研究从岩溶管道一裂隙一孔隙三重空隙介质地下水流模型 [4]，到研究了岩溶水系统地下水化学环境演化 [5] [7]，再到煤矿深部岩溶突水机理及水害防治研究 [6]，开展了一系列工作。

针对华北煤田岩溶水害问题，从先前的采前疏水降压 [8] [9] [10]，到目前的地面区域探查治理工程 [11] [12]，期间还采用放水试验 [13] [14] [15] [16]，均进一步查明开采范围内水文地质条件。通过地下水动态特征分析，获得不同含水层的水位、水质、水温等的变化，进而为分析各含水层之间的水力联系提供重要的依据。

顾北煤矿位于潘谢矿区构造转折段，水文地质条件较为复杂，煤层底板下部裂隙、溶隙和小溶洞发育不均，构造控水程度高。为此，前期围绕岩溶水害开展井下放水试验工作。依据放水试验数据，利用GMS模拟C₃I组灰岩水变化规律，揭示了岩溶地下水对流场变化规律 [17]。此外，利用离子组合比和主成分法分析了该矿F₁₀₄断层两侧岩溶水化学形成机制以及岩溶水化学组分特征及其成因 [18] [19]。

本文在以往工作基础上，以顾北煤矿南一1煤采区放水试验及地面区域探查治理为背景，通过现场观测、采样测试，分析了该过程的各含水层水位、水质、水温等地下水动态变化，尤其是TDS及pH随深度变化，并获得一些规律性的认识，探讨分析地下水动态的影响因素，从而为该矿深部岩溶水害防治提供依据。

2. 研究区概况

顾北矿位于井田中部，为断层发育区，主要为北西及北北西向的F₁₀₀、F₁₀₄等断层，其落差一般大于50 m；北东向主要断层有F₁₆、FS₁₄₆等，落差较小。整个矿区被F₁₀₄断层分为南北两个部分，F₁₀₉断层为南一采区南边界，F₁₀₄断层组为南一采区北边界。基岩被厚446.8 m的新生界松散层所覆盖，中部、下部隔水层分布稳定，平均厚度67 m。根据综合水文地质勘探成果，将井田划分为三个构造控水单元，分别为：F₈₆至F₁₀₄断层区段Ⅰ区、F₈₆断层以北Ⅱ区、F₁₀₄断层以南Ⅲ区(如图1)。

图1. 顾北煤矿基岩水文地质图

顾北煤矿南一1煤采区自上而下含水层为：新生界松散层含水层、顶底板砂岩裂隙含水层、太原组岩溶裂隙含水层组、奥陶系岩溶含水层组。其中太原组灰岩分成三个含水组：C₃Ⅰ灰岩含水组(1~3_下灰)、C₃Ⅱ灰岩含水组(4~9灰)、C₃Ⅲ灰岩含水组(10~12灰)。

3. 放水试验及探查与治理

3.1. 放水试验

试验分别于2018年3月19日至2018年4月2日、2018年12月5日至2018年12月23日，开展南一1煤采区13121工作面放水试验。试验历时32天，共完成背景值观测2次、放水试验3次、恢复试验3次、连通试验1次。

2021年4月26日至2021年5月16日，开展南一1煤采区13521工作面放水试验，试验历时21天，完成背景值观测1次，放水试验一次，恢复试验一次。放水期间各放水孔数据如表1，水位长观孔如表2。

表1. 两次放水试验井下试验孔一览表

表2. 放水试验灰岩含水层水位长观孔统计表

两次放水试验分别针对不同的工作面，其中第一次放水试验放水孔多，大都分布在底抽巷、放水巷，水位长观孔分布在新生界及C₃Ⅰ、C₃Ⅱ、C₃Ⅲ组灰岩含水组，观测采用自动监测系统。第二次放水试验放水孔少，仅有三个放水孔，水位长观孔分布在C₃Ⅰ、C₃Ⅱ、C₃Ⅲ组灰岩含水组，观测采用自动监测系统。通过放水试验进一步探查一水平南一1煤采区C₃Ⅰ组灰岩与其它不同灰岩含水层(组)之间的水力联系特征，并对区内主要断层的导、隔水性做定性分析，评价其是否具备疏放条件，且通过两次C₃Ⅰ组灰岩含水层群孔放水试验成果进行对比分析，对南一1煤采取地面区域探查及注浆治理效果进行评价。

3.2. 区域探查治理

依据南一1煤采区采掘规划及地面物探异常区治理需要，结合地面施工条件，南一1煤采区共计5个主孔，编号为S1-S5，S4主孔又分为S4-1和S4-2两个主支孔。其中S1、S2、S3主孔位于采区西侧，S1独立井场，S2、S3主孔共处一个井场；S4、S5主孔位于采区中部，共处一个井场(如图1)。项目于2018年8月17日开始施工，截止2021年3月21日完成了13121工作面，13321工作面，13521工作面的注浆治理，共完成5个主孔，67个分支孔，钻孔数据如表3。

表3. 南一1煤采区地面区域探查治理工程一览表

4. 地下水动态特征

4.1. 水位动态变化

依据地面自动监测系统统计水位标高数据，分析自2017年以来水位变化情况，及2018年以来地面区域探查治理对其的影响。地面区域探查注浆治理过程不仅改变了1煤底板含隔水层结构，同时也对不同含水层地下水水流产生一定影响，主要表现在对不同含水层的水位动态变化上，具体如下：

1) C₃I组灰岩含水层地下水动态

开采条件下受疏放水过程的影响C₃I组灰岩含水层水位呈下降趋势，其中距离13121工作面较近的九C₃I孔水位下降较快。后期注浆过程中，也发现九C₃I孔水位出现上升的反常现象，注浆结束后，C₃I组灰岩含水层水位下降减弱，九C₃I孔水位上升也有所减弱(如图2(a))。

2) C₃II组灰岩含水层

开采条件下C₃II组灰岩含水层水位九C₃II孔水位下降较明显。注浆过程中九C₃II孔水位动态变化受注浆影响变化较大，水位呈现先上升后下降以及持续下降的趋势，尤其距离13121工作面较近九C₃II孔水位先上升后下降(如图2(b))。

3) C₃III组与O₁₊₂灰岩含水层

开采条件下C₃III组与O₁₊₂灰岩含水层水位下降较快，斜率较大。注浆过程中C₃III组与O₁₊₂灰岩含水层水位下降速度有所减弱，并且七C₃III孔水位有所上升。注浆结束后C₃III组与O₁₊₂灰岩含水层水位下降速度比较注浆之前明显减弱(如图2(c)，图2(d))。

图2. 各含水层注浆前后观测孔水位动态变化

4.2. 水化学组分动态变化

4.2.1. TDS含量及pH变化特征

由TDS含量及pH随深度变化图可知：2018年放水试验第一阶段(如图3(a))，TDS含量在垂向上随着深度的增加缓慢递增，在深度−500~−650 m之间，含量大多集中于2000~3000 mg/L之间，仅有个别孔出现异常。pH值在垂向上也出现递增变化，数值分布在7.5~8.5之间，其水性为弱碱性。2018年放水试验第二阶段(如图3(b))，TDS含量在垂向上随着深度的增加逐渐递减，在深度−550~−554之间，含量集中于1900~2100 mg/L之间较多，仅有个别钻孔出现异常(JD12-10#、T5)，含量在2100 mg/L之上，孔壁水含量有所异常。pH值在垂向上逐渐递增，大多分布在7.0~8.0之间，其水性为弱碱性，J5-3#钻孔的pH值偏高。2021年放水试验阶段(如图3(c))，TDS含量在垂向上随着深度的增加逐渐递减，在深度−580~−680 m之间，含量在2000~2600 mg/L之间；pH值在垂向上递增，分布在7.6~8.0之间，其水性为弱碱性。从2018年到2021年的放水试验水质的空间，时间尺度分析来看，随着取样深度的增加，pH值均有所上升。

图3. TDS与pH随深度变化关系图

4.2.2. 水化学类型变化特征

在井下灰岩钻孔放水试验前，开采条件下太灰、奥灰、寒灰和混合灰岩水的水化学类型以Cl-Na+K型为主，到两次放水试验结束：井下灰岩钻孔水的水化学类型由放水试验前以Cl-Na+K型为主到放水试验后以Cl-(Na+K)·Mg型为主，期间Ca²⁺，Mg²⁺离子含量增大，HCO⁻， ${\text{SO}}_4^{2-}$ 子含量逐渐降低。

4.2.3. 水温动态变化

试验期间测试南一1煤采区13521工作面放水点不同深度出水点温度，结果发现：2018年第一阶段、第二阶段，水温随着深度的增加呈现递增趋势，且水温随深度增长趋势相近。对比于2018年，2021年放水阶段水温随温度增加随深度的变化不明显，D4-1#钻孔水温值较高，达到39℃，各钻孔及水温如表4。

表4. 各钻孔深度–水温一览表

5. 地下水动态变化影响因素

5.1. 构造控水影响

顾北煤矿位于淮南煤田中部水文地质单元，且属于顾北-张集-谢桥次一级水文地质单元。在这次一级单元中，该矿位于F₂₁₁和F₈₆之间，石炭系太原组含水层通过该断层与相邻矿井之间发生一定水力联系，且其上部为煤系弱含水层，而下部与奥陶系灰岩之间通过断层或陷落柱发生水力联系。因此，研究区为一个相对独立裂隙含水系统，但受F₁₀₄断层影响，又分为南北两个独立亚构造单元，形成两个相对独立含水系统。F₁₀₄断层对顾北矿灰岩露头区而言，为深部导水断层(太原组C₃III组灰岩深部导水)，九C₃I孔在F₁₀₄断层北侧，水位受断层影响较大，自疏放水以来水位持续下降达25.53 m。因此，断层对地下水水位变化控制显著。除断层外，还发育有滑面、裂隙溶隙和褶曲等构造。褶曲起伏幅度较大，致使煤层形成波状形态；滑面和裂隙破坏了煤层及其顶底板的完整性，导致岩层破碎，为地下水流动提供了导水通道。

由于受A组煤层采动和井下放水试验的影响，太原组含水层形成局部地下水流系统，而相对较深的下部奥陶系含水层为中间含水层系统，它通过构造与上部太原组含水层发生水力联系。这种不同深度含水层系统决定了地下水径流深度、水动力条件和氧化与–还原环境、地下水温度变化以及单斜径流方向上水岩作用程度。

5.2. 井下疏放水影响

第一次放水试验：通过不同阶段的水量、水压以及水位观测，获得了丰富试验数据，得出了规律性认识。C₃Ⅰ组灰岩含水层的水量、径流速度疏放随时间和深度增大逐渐减小，反映出以储存量消耗为主。试验期间，地面观测孔水位变化与疏放时间不同步，且不明显，表明井下C₃I组放水点与露头区其他同含水层之间水力联系存在滞后现象；同时也间接反映了在试验区内与其他含水层之间渗透性较差，水力联系不太密切。

第二次放水试验：再次证明C₃I组灰岩含水层浅部裂隙较为发育，富水性和渗透性相对较好，随着深度增加，水量逐渐减小，富水性弱，反映了岩溶裂隙发育程度由浅部至深部逐渐变差、下部与上部岩溶之间连通性差。

顾北矿南一采区水质自勘探阶段至2021年5月放水试验结束，自疏放水以来，地面观测孔水位一直呈下降趋势，截止到2018年8月注浆治理前，七O₁₊₂，九O_1+2-1，九C₃III钻孔水位分别下降了13.08 m，11.44 m，13.81 m (如图4)。

图4. 疏放水前后水位动态变化

水化学类型由Cl-Na+K转变为Cl·HCO₃-(Na+K)最后演变为Cl-(Na+K)·Mg型，水质类型不断变化。放水试验第一阶段底抽巷、放水巷以及放水试验第二阶段水质数据可以分三种，说明所取水样存在混合水的可能。随着时间的推移，含水层中离子含量也在不断变化，Cl⁻、Mg²⁺含量显著增多，Cl⁻含量随着地下水流程的增大而不断增加，Mg²⁺含量主要来源与白云岩、泥灰岩的溶解，由于取样点白云岩较少，因此推断该区Mg²⁺增多与邻近矿区注浆活动有关；井下疏放水造成灰岩地下水流速加快，溶滤作用增强；同时，由于灰岩水长期与空气接触，灰岩地下水中CO₂浓度上升，溶蚀能力增强，加快碳酸岩类的溶解。 ${\text{CO}}_3^{2-}$ 与 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 含量不断减少，这与含水层发生的水化学反应有一定的联系，在封闭的还原环境中，脱硫酸细菌促使 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 还原为H₂S，使得 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 含量增多。各离子含量的变化与含水层围岩性质、地温变化、含水层的氧化–还原环境以及人为干扰有一定的关系。

5.3. 区域治理工程影响

地面区域探查治理是近几年一种新型防治水技术，它采用地面定向钻进技术，围绕“点，线，面”的治理类型进行合理布置分支孔，在治理区域合理布井，做到钻探全覆盖无盲区，并通过注浆的方式 [20] [21]，进行填充加固裂隙及导水构造，改造深部灰岩及其附近含水层，使其成为隔水层并阻断奥灰及以下含水层通道 [22] [23]。综合考虑突水系数要求、含水层水力联系、地层可注性、地层岩石特征等因素可知，南一1煤采区选C₃⁹为地面区域治理目的层。

C₃Ⅰ组灰岩含水层：C₃I组钻孔中九C₃I孔，在未注浆前，水位呈下降状态自2015年以来，到2018年3月水位共下降25.53 m，注浆过程中，由于浆液扩散阻断了与相邻区域含水层之间的水力联系，对含水层产生一定的压力，结果导致水位上升，注浆结束后水位仍保持上升状态(如图5)，说明深部奥灰水对其没有补给，水位趋于稳定状态。

图5. 九C₃I孔水位动态变化

C₃Ⅱ组灰岩含水层：注浆对C₃II组灰岩含水层水位影响较大，早期九C₃II孔在13121工作面注浆过程中，受注浆充填挤压影响水位出现上升现象。注浆结束后，浆液阻隔了C₃I，C₃II灰岩含水层与下部C₃III灰岩含水层和奥灰灰岩含水层水力联系。

C₃Ⅲ组及O₁₊₂灰岩含水层：区域治理注浆前(2018年8月)，因井下受疏放水和相邻张集煤矿出水的影响，C₃III与O₁₊₂灰岩含水层联系密切，且其对C₃I组灰岩含水层具有一定的补给，水位下降幅度较大。随着分支钻孔的浆液由C₃⁹注入后形成了有效隔水层，阻隔了下部(C₃III与O₁₊₂)灰岩含水层对上部的补给，导致C₃III与O₁₊₂水位趋下降有所减弱。

6. 结论

通过上述分析，可以得出如下结论：

1) 通过井下多次放水试验发现：C₃I组灰岩含水层浅部裂隙较为发育，富水性和渗透性相对较好，随着深度增加，水量减小，富水性弱，反映了岩溶裂隙发育程度由浅部至深部逐渐变差、下部与上部岩溶之间连通性差，

2) 经地面区域探查治理后，井下C₃III组和奥灰水位下降速度变慢，表明通过注浆区域治理阻断了C₃I、C₃II组灰岩与下部C₃III组和奥灰含水层之间的垂向水力联系。

3) 试验区水质组分变化表明：由露头区沿单斜含水层的倾向方向，TDS及PH逐渐增加。随着时间的推移Cl⁻、Mg²⁺含量逐渐增大， ${\text{CO}}_3^{2-}$ 与 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 含量不断减少。

4) 井下疏放水、区域治理工程和地质构造是控制地下水流场及其动态变化的控制因素。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(42172279, 41572147)；安徽理工大学2021年研究生创新基金项目(2021CX2010)。

文章引用

孙绍波,许光泉,窦春远,李 旭,周 涛,魏 建,许 童,蔡有京. 顾北煤矿岩溶地下水动态特征及影响因素分析
Dynamic Characteristics and Influencing Factors of Karst Groundwater in Gubei Mine[J]. 地球科学前沿, 2021, 11(12): 1573-1583. https://doi.org/10.12677/AG.2021.1112151

参考文献