辛置井田多含水层水岩作用机理及突水水源判别技术研究

论文摘要

辛置煤矿拥有60多年的开采历史,由于该矿井地质构造复杂和地层岩性不均一,造成其主要含水层水质和地下水环境复杂多变,使得很多巷道的突水水源很难准确判识。因此,研究辛置煤矿主要含水层水质的特征和水岩相互作用过程、以及巷道突水水源判别方法具有非常重要的理论和现实意义。本文在研究辛置煤矿水文地质资料和62份矿井水水质报告的基础上,对辛置煤矿主要含水层相关的15个岩芯样品和20个矿井水样品进行了全面的分析测试,系统研究和对比了其主要含水层的水化学特征;利用常规水源判别方法、改进后的灰色关联度判别法和模糊综合判别法对矿井水和突水水样进行了判别;利用自由排水柱淋滤实验和PHREEQC模拟软件研究了辛置4个主要含水层的水岩相互作用机理。辛置煤矿二叠系K8砂岩岩芯样品主要含有石英、粘土矿物和斜长石,该地层局部可能含有少量的硫酸盐和氯盐;该含水层主要判别的依据为:水化学类型为HCO3-Na型,且Na+离子毫克当量百分比大于96%;γCa/γCl值小于1。石炭系太原组K2灰岩岩芯样品主要为方解石（92%）、白云石和石英,该地层可能存在含量较少但分布较为均匀的硫酸盐,根据水质特征推断很可能为Na2SO4,该含水层主要判别的依据为:水化学类型为SO4-Na型,γCa/γSO4比值小于0.5。石炭系太原组K2灰岩岩芯样品的矿物组成为方解石（73.8%）、粘土矿物和石英,该含水层中的水化学类型为SO4-Ca·Mg,表明石膏和含镁矿物（白云石）较为均匀地分布在地下水流经的岩石中。奥陶系峰峰组O2f灰岩岩芯样品由98.4%的方解石和1.6%的黄铁矿组成,该含水层的水化学类型比较复杂,包含2个水化学类型为SO4-Ca·Mg型和HCO3-Ca·Mg型,表明该地层某些区域分布有石膏,白云石或其他含镁矿物,且较为均匀地分布在地下水流经的岩石中;峰峰组O2f灰岩含水层在不同地段的径流循环速度和氧化还原条件存在差异,造成该含水层的总溶解固体含量变化范围比较大。通过常量组分、微量组分和比例系数等判别方法均无法有效区分K2灰岩和O2f灰岩含水层。自由排水淋滤实验结果表明:（1）K8、K3、K2和O2f地层岩芯样品淋滤液SO42-离子当量百分比均超过74%,Ca离子当量百分比超过40%,所有淋滤液对应的水化学类型均为SO4-Ca型;（2）尽管4个岩芯样品没有检测出石膏矿物,但它们的淋滤液中SO42-离子浓度均显著高于其它离子,表明这些岩石样品中含有硫酸盐,这可以合理解释K3、K2和O2f灰岩含水层实际水样均为硫酸型的水质;（3）K8、K3、K2和C2f岩芯淋滤液中阴离子含量大小顺序均为:SO42->HC03->Cl-,K8、K3、K2和C2f岩芯淋滤液中阳离子含量顺序分别为:Ca>Mg>K>Na、Ca>Na>Mg>K、Ca>Mg>Na>K和Ca>Mg>K>Na;（4）K2和 O2f 灰岩淋滤液中 Fe、Mo、Sb、U 和Sr的含量具有很好地区分度,O2f灰岩淋滤液中Fe离子浓度显著高于K2灰岩淋滤液,而Mo、Sb、U和Sr离子正好相反;对于未发生脱硫酸反应的水样,该特征可以作为判别K2和O2f灰岩含水层的参考因素。太原组K3灰岩含水层中主要的水岩相互作用为方解石和白云石矿物的溶解,以及硫酸钠的溶解反应。太原组K2灰岩含水层中主要的水岩相互作用为方解石和白云石矿物的溶解、硫酸盐的溶解反应,以及不同程度的脱硫酸反应。奥陶系峰峰组O2f灰岩含水层中主要的水岩相互作用为石膏、方解石和白云石矿物的溶解,硫酸盐的溶解反应,以及还原环境下的脱硫酸反应。根据PHREEQC模拟结果表明:AC7水样与BC2和AK10水样以7:3的比例相混合后的水质特征一致,为K2和K3灰岩含水层的混合水样;PHREEQC软件正向和反向模拟表明参与水岩相互作用的固相物质不仅仅是岩芯样品检测出的几种矿物,还有未检测出的硫酸盐如Na2SO4、CaSO4等矿物参与反应,只有添加了这些硫酸盐软件模拟水样才能与实际矿井水水样比较接近,该结论这与淋滤实验和水化学推断的结论完全一致。在PHREEQC软件过程模拟中,建议利用反向模拟确定可能参与水岩作用的矿物种类,将正向模拟作为主要的模拟手段,只有这样才能使模拟结果更加客观和准确。灰色关联度判别法对辛置煤矿45个矿井水的判别准确率为95.6%。本研究将7个常量离子（K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Cl-,SO42-,HCO3-）的毫克当量浓度和毫克当量百分比、YCa/γCl和γMg/γCl比例系数作为模糊综合评判模型的评判因子,判识准确率升至100%,对3个突水水样的判识也完全准确,因此该方法可以作为辛置煤矿突水水源的可靠判别方法。本研究在国家和山西省关于煤矿防治水的各项规章制度的基础上,结合辛置井田的水文地质条件、开采特点和矿井水特征等因素,以及论文的研究成果,建立了适合辛置煤矿防治水安全管理体系,该体系包括水害预测预报制度、突水水源判别管理制度和突水处置管理制度。该管理体系有效弥补了辛置煤矿对突水水源判别管理不足的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 研究意义
•   1.2 突水水源判别研究进展
•     1.2.1 基于常规水化学组分的突水水源判别方法
•     1.2.2 基于微量元素组分的突水水源判别方法
•     1.2.3 基于同位素组分的突水水源判别方法
•     1.2.4 基于数学方法的突水水源判别研究方法
•     1.2.5 水化学模拟软件在突水水源判别研究中应用
•     1.2.6 存在的问题
•   1.3 研究内容
•   1.4 创新点
•   1.5 技术路线
•   1.6 本章小结
• 2 研究区水文地质概况
•   2.1 自然地理概况
•     2.1.1 矿井位置
•     2.1.2 地形地貌
•     2.1.3 水文气象
•     2.1.4 地震
•   2.2 地质概况
•     2.2.1 地层
•     2.2.2 含煤地层
•     2.2.3 构造
•   2.3 矿井水文地质
•     2.3.1 区域水文地质概况
•     2.3.2 矿井主要含水层及其特征
•     2.3.3 主要隔水层及其特征
•     2.3.4 井田地下水补、径、排条件
•     2.3.5 含水层之间的水力联系
•   2.4 本章小结
• 3 样品采集与测试
•   3.1 岩石样品的采集与测试
•     3.1.1 岩石样品的采集
•     3.1.2 岩石样品的分析测试
•   3.2 矿井水样品的采集与测试
•     3.2.1 矿井水样品的采集
•     3.2.2 矿井水样品的分析测试
•   3.3 矿井水水质报告收集和整理
•   3.4 本章小结
• 4 矿井水的水化学特征
•   4.1 矿井水的选取和分类
• 8砂岩裂隙水的选取'>    4.1.1 二叠系K₈砂岩裂隙水的选取
• 3灰岩岩溶裂隙水的选取'>    4.1.2 石炭系太原组K₃灰岩岩溶裂隙水的选取
• 2灰岩岩溶裂隙水的选取'>    4.1.3 石炭系太原组K₂灰岩岩溶裂隙水的选取
•     4.1.4 奥陶系峰峰组灰岩岩溶裂隙水的选取
•   4.2 主要含水层的常量组分水化学特征
• 8砂岩裂隙含水层水化学特征'>    4.2.1 二叠系K₈砂岩裂隙含水层水化学特征
• 3灰岩岩溶裂隙含水层的水化学特征'>    4.2.2. 石炭系太原组K₃灰岩岩溶裂隙含水层的水化学特征
•     4.2.3. 石炭系太原组K灰岩岩溶裂隙含水层的水化学特征
• 2f灰岩岩溶裂隙含水层的水化学特征'>    4.2.4. 奥陶系峰峰组O₂f灰岩岩溶裂隙含水层的水化学特征
• 3和K₂灰岩含水层水质对比'>  4.3 奥陶系灰岩含水层与太原组K₃和K₂灰岩含水层水质对比
•   4.4 本章小结
• 5 水岩相互作用淋滤实验
•   5.1 自由排水柱淋滤实验
•     5.1.1 实验材料及仪器
•     5.1.2 实验装置的设计
•     5.1.3 实验流程
•   5.2 实验结果分析
•     5.2.1 淋滤液的电导率
•     5.2.2 淋滤液的常量组分特征
•     5.2.3 淋滤液的微量组分特征
•   5.3 主要含水层的水岩相互作用特征
• 8砂岩裂隙水含水层'>    5.3.1 二叠系K₈砂岩裂隙水含水层
• 3灰岩岩溶裂隙水含水层'>    5.3.2 石炭系太原组K₃灰岩岩溶裂隙水含水层
• 2灰岩岩溶裂隙水含水层'>    5.3.3 石炭系太原组K₂灰岩岩溶裂隙水含水层
• 2f灰岩岩溶裂隙水含水层'>    5.3.4 奥陶系峰峰组O₂f灰岩岩溶裂隙水含水层
•   5.4 本章小结
• 6 矿井水的地球化学模拟
•   6.1 不同含水层的混合模拟研究
•     6.1.1 PHREEQC软件简介
• 2灰岩与奥陶系O₂f灰岩含水层水样混合模拟'>    6.1.2 太原组K₂灰岩与奥陶系O₂f灰岩含水层水样混合模拟
•   6.2 正向水岩相互作用模拟
• 3灰岩含水层正向模拟与分析'>    6.2.1 K₃灰岩含水层正向模拟与分析
• 2灰岩含水层正向模拟与分析'>    6.2.2 K₂灰岩含水层正向模拟与分析
• 2f灰岩含水层正向模拟与分析'>    6.2.3 O₂f灰岩含水层正向模拟与分析
•   6.3 反向水岩相互作用模拟
•     6.3.1 PHREEQC反向模拟简介
• 3含水层反向水岩相互作用模拟'>    6.3.2 K₃含水层反向水岩相互作用模拟
• 2含水层反向水岩相互作用模拟'>    6.3.3 K₂含水层反向水岩相互作用模拟
•     6.3.4 奥灰含水层反向水岩相互作用模拟
•   6.4 本章小结
• 7 矿井水水源判别模型
•   7.1 灰色关联度模型
•     7.1.1 灰色关联度分析原理
•     7.1.2 灰色关联度水源判别应用
•   7.2 模糊综合评判模型的改进以及在水源判别中的应用
•     7.2.1 模糊综合评判原理
•     7.2.2 模糊综合判识法的改进
•     7.2.3 改进的模糊综合评判法应用
•   7.3 两种判别模型的对比
•   7.4 模糊综合判别模型对突水水源的判断
•   7.5 本章小结
• 8 辛置煤矿水害防治管理
•   8.1 水害预测预报制度
•     8.1.1 水害预测预报的依据
•     8.1.2 预测预报的工作要求
•     8.1.3 预测预报内容要求
•   8.2 突水水源判别管理制度
•     8.2.1 突水水源判别依据
•     8.2.2 突水水源判别的工作要求
•     8.2.3 突水水源判别的程序
•   8.3 突水处置管理制度
•     8.3.1 重大突水事故停产撤人制度
•     8.3.2 突水事故应急预案与实施
•     8.3.3 排水恢复被淹井巷
•   8.4 小结
• 9 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭元

导师: 赵峰华

关键词: 矿井水,水源判别,自由排水柱淋滤实验

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程,矿业工程,安全科学与灾害防治

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: P641.4;TD744

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000206

总页数: 179

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