西部矿区开采扰动下矿井水来源判别方法

摘要

一种西部矿区开采扰动下矿井水来源判别方法，包括：步骤1：确定煤层及顶板地层结构特征；步骤2：确定研究区各含水层水位和水质特征；步骤3：根据各含水层水位变化确定矿井水来源；步骤4：确定井下矿井水水质特征和来源比例。由此，通过分析研究区煤层及其顶板各层段地层厚度、岩性岩相等特征，掌握含水层分布发育规律、水位和水质特征，确定水质指标标准值，监测煤炭开采过程中各含水层的水位变化情况，确定煤炭开采扰动下导水裂缝带沟通的含水层情况和矿井水来源，取样检测矿井水中常规水化学指标和环境同位素指标，并建立科学的开采扰动下矿井水来源比例计算公式，实现对煤炭开采扰动条件下矿井水来源和比例的准确判断。

说明书

技术领域

本发明涉及地质、水文地质、采矿工程和水文地球化学综合应用 的技术领域，尤其涉及一种西部矿区开采扰动下矿井水来源判别方法。

背景技术

西部鄂尔多斯盆地是我国煤炭资源开采的核心区域，多个矿区在 煤炭开采过程中，出现了矿井涌水量大、充水含水层补给好的特点， 但是其来源一直不清楚，特别是煤炭开采过程中是否会导致浅部第四 系松散层水漏失。为了解决上述问题，必须掌握煤层及顶板地层结构 特征，确定研究区各含水层水位和水质特征，查清开采扰动下各含水 层水位变化规律，准确判断井下矿井水水质特征和来源比例，这一方 面可以为西部矿区水资源保护和生态供水保障提供科学依据，另一方 面可以指导煤矿井下防治水工作的开展。因此，在提出并制定科学合 理的矿区水资源保护、生态恢复和水害防治措施之前，必须查清矿区煤炭开采扰动前后含水层水位变化和水质特征，以及矿井水水质特征， 并建立矿井水来源比例计算公式，实现对西部矿区开采扰动下矿井水 来源判别，但是鉴于西部鄂尔多斯盆地陆相沉积地层结构、含水层赋 水、水文地球化学演化的复杂性和高强度开采扰动的破坏性影响，往 往又难以建立科学准确的一种西部矿区开采扰动下矿井水来源判别 方法。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计， 综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种西部矿区 开采扰动下矿井水来源判别方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种西部矿区开采扰动下矿井水来源判 别方法，解决了现有技术难以科学准确判断西部矿区开采扰动下矿井 水来源和比例难以确定的问题，能有效实现对煤炭开采扰动条件下矿 井水来源和比例的准确判断。

为实现上述目的，本发明公开了一种西部矿区开采扰动下矿井水 来源判别方法，其根据研究区煤层顶板地层结构特征，并建立开采扰 动下矿井水来源比例计算公式，实现对煤炭开采扰动条件下矿井水来 源和比例的准确判断；其特征在于包括如下步骤：

步骤1：确定煤层及顶板地层结构特征；

收集整理研究区的地质勘探资料，确定研究区中煤层及其顶板的 各层段的地层厚度、岩性岩相的特征，以明确各层段的含水层的分布 和发育规律；

步骤2：确定研究区各含水层水位和水质特征；

开展各含水层的水位监测和水质取样分析，确定研究区各含水层 在未受到开采扰动条件下的水位和水质特征，从而确定研究区的水质 指标标准值；

步骤3：根据各含水层水位变化确定矿井水来源；

利用研究区的水位自动监测系统，监测整个煤炭开采过程中各含 水层的水位变化情况，并开展工作面顶板覆岩破坏实测，确定煤炭开 采过程中导水裂缝带发育高度，确定煤炭开采扰动下导水裂缝带沟通 的含水层情况，确定井下矿井水的来源；

步骤4：确定井下矿井水水质特征和来源比例；

取样检测矿井水中常规水化学指标和环境同位素指标，综合步骤 2中含水层水质指标标准值，建立矿井水来源比例计算公式(1)，计 算出矿井水中各含水层地下水的比例；

其中：S—含水层1和含水层2的混合比例；MW—矿井水的浓度 值；Q

其中：步骤1中确定煤层顶板地层中砂岩、粗砂岩和松散沙层为 含水层，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和土层为隔水层。

其中：在步骤3中，如果煤炭开采过程中某一含水层的水位出现 下降，但导水裂缝带的实测结果并未发育至该含水层，则以水位数据 为准。

其中：在步骤4中，如果矿井水水源判别过程中，常规水化学指 标判别结果与环境同位素判别结果冲突，则以环境同位素判别结果为 准。

其中：步骤一中，确定研究区均为厚度为5.0～12.0m的厚煤层， 在煤层顶板发育有第四系松散孔隙含水层(以下简称第四系含水层)和侏罗系基岩裂隙含水层(以下简称基岩含水层)，其中第四系松散 孔隙段的厚度为10～30m，侏罗系基岩裂隙段的直罗组厚度为75.26～175.12m，煤层顶板延安组四段平均厚度75.1m，两段含水层 之间为离石组黄土和保德组红土，其中保德组红土厚度为0～49.56m。

其中：研究区第四系含水层的原始水位为1225.9m，基岩含水层 原始水位为1219.75m。

其中：通过取样检测的常规水化学指标确定第四系含水层地下水 矿化度为250～450mg/L，阳离子Ca

其中：基岩的含水层地下水矿化度为328.5mg/L，阳离子Ca

其中：在煤炭资源开采过程中第四系含水层的水位快速下降 3.0m后又逐渐保持稳定；基岩含水层的水位则持续下降了 50.0～100.0m，且随着煤炭资源的持续开采，基岩含水层的降落漏斗 范围在持续增大；工作面开采前后，在地面施工导水裂缝带实测钻孔，表明采厚6.0m煤层，导水裂缝带发育高度为110～120m，未发育至第 四系含水层；综合水位和覆岩破坏结果以确定煤炭开采过程中，第四 系含水层地下水会漏失下渗，矿井水属于第四系含水层地下水和基岩 含水层第四系含水层地下水地下水的混合水。

其中：取样检测井下矿井水的结果表明，矿井水中矿化度为880.00mg/L，阳离子主要以Na

通过上述内容可知，本发明的西部矿区开采扰动下矿井水来源判 别方法具有如下效果：

1、能有效查清西部鄂尔多斯盆地典型矿井煤层及其上覆地层(和 含水层)结构特征，为后续水位监测、水质分析提供依据。

2、进一步建立各含水层水化学特征指标标准值，为煤炭开采过 程中井下矿井水的来源判别提供基础。

3、依据含水层和矿井水的水质指标数据，建立了矿井水来源比 例计算公式，解决了现有技术难以科学准确判断西部矿区开采扰动下 矿井水来源和比例难以确定的问题。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的西部矿区开采扰动下矿井水来源判别方法 的结构示意图。

图2为本发明所述步骤3实施流程图；

图3为本发明所属步骤4实施流程图。

具体实施方式

参见图1和2，显示了本发明的西部矿区开采扰动下矿井水来源 判别方法，本发明所需要解决的技术难题包括：确定煤层及其顶板各 层段地层厚度、岩性岩相等特征，掌握含水层分布和发育规律；分析 研究区各含水层在未受到开采扰动条件下的水位和水质特征，确定水 质指标标准值；开展整个煤炭开采过程中各含水层的水位变化监测和 顶板覆岩破坏实测，确定煤炭开采扰动下导水裂缝带沟通的含水层情 况，确定井下矿井水的来源；建立矿井水来源比例计算公式，计算矿 井水中各含水层地下水的混合比例。

由此，为实现本发明的具体目的，以鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤 田区矿井水来源判别为例进行进一步说明，该区域位于内蒙古与陕西 省接壤地带的伊陕斜坡，包括神府、榆神、榆横和呼吉尔特等矿区， 煤炭资源高强度开发过程中存在水文地质条件、井下矿井水来源、对 浅部水资源影响等诸多未查清的问题，准确判断井下矿井水来源和比 例，是制定科学合理的矿区水资源保护、生态恢复和水害防治措施的 前提。

以鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田区矿井水来源判别为例进行进 一步说明，该区域煤层顶板存在多层充水含水层，其中浅部第四系含 水层和白垩系含水层是重要的供水水源和地表植被生态水源。通过分 析研究区煤层及其顶板各层段地层厚度、岩性岩相等特征，掌握含水 层分布发育规律、水位和水质特征，监测煤炭开采过程中各含水层的 水位变化情况，确定煤炭开采扰动下导水裂缝带沟通的含水层情况和 矿井水来源比例，取样检测矿井水中常规水化学指标和环境同位素指 标，并建立科学的开采扰动下矿井水比例来源计算公式，实现对煤炭 开采扰动条件下矿井水来源和比例的准确判断。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于 以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本 发明的保护范围，其中，本发明的西部矿区开采扰动下矿井水来源判 别方法主要是根据研究区煤层顶板地层结构特征，并建立科学的开采 扰动下矿井水来源比例计算公式，实现对煤炭开采扰动条件下矿井水 来源和比例的准确判断；具体包括如下步骤：

步骤1：确定煤层及顶板地层结构特征；

收集整理研究区的地质勘探资料，确定研究区中煤层及其顶板的 各层段的地层厚度、岩性岩相等特征，以明确各层段的含水层的分布 和发育规律。

步骤2：确定研究区各含水层水位和水质特征；

开展各含水层的水位监测和水质取样分析，确定研究区各含水层 在未受到开采扰动条件下的水位和水质特征，从而确定研究区的水质 指标标准值。

步骤3：根据各含水层水位变化确定矿井水来源；

利用研究区的水位自动监测系统，监测整个煤炭开采过程中各含 水层的水位变化情况，并开展工作面顶板覆岩破坏实测，确定煤炭开 采过程中导水裂缝带发育高度，确定煤炭开采扰动下导水裂缝带沟通 的含水层情况，确定井下矿井水的来源；

步骤4：确定井下矿井水水质特征和来源比例；

取样检测矿井水中常规水化学指标和环境同位素指标，综合步骤2中含水层水质指标标准值，建立矿井水来源比例计算公式(1)，计 算出矿井水中各含水层地下水的比例。

以地下水和矿井水中某项水质指标X为例：

其中：S—含水层1和含水层2的混合比例；MW—矿井水的浓度 值；Q

其中，步骤1中确定煤层顶板地层中砂岩、粗砂岩和松散沙层为 含水层，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和土层为隔水层。

其中，在步骤3中，如果煤炭开采过程中某一含水层的水位出现 下降，但导水裂缝带的实测结果并未发育至该含水层，则以水位数据 为准。

其中，在步骤4中，如果矿井水水源判别过程中，常规水化学指 标判别结果与环境同位素判别结果冲突，则以环境同位素判别结果为 准。

具体而言，本发明的西部矿区开采扰动下矿井水来源判别方法在 其中一个具体实施例中能通过如下步骤实现：

步骤1：确定煤层及顶板地层结构特征；

根据收集的研究区各阶段的地质勘探资料，以及煤矿建设和生产 阶段的井下实际情况，优选的是确定研究区均为厚煤层(5.0～12.0m)， 且平面上展布较稳定；在煤层顶板主要发育有第四系松散孔隙含水层 和侏罗系基岩裂隙含水层，其中第四系松散孔隙段的厚度一般为10～ 30m，最大厚度62.82m，富水性中等；侏罗系基岩裂隙段的直罗组厚 度为75.26～175.12m，平均130.95m，富水性较弱；煤层顶板延安组 四段平均厚度75.1m，富水性较弱；两段含水层之间为离石组黄土和 保德组红土，其中隔水效果较好的保德组红土厚度0～49.56m，平均 13.20m。

步骤2：确定研究区中各含水层水位和水质特征；

煤炭开采前，研究区第四系松散层的原始水位为1225.9m，侏罗 系基岩裂隙的含水层原始水位为1219.75m。通过取样检测的常规水 化学指标确定，第四系含水层地下水矿化度为250～450mg/L，阳离 子以Ca

步骤3：根据各含水层的水位变化确定矿井水来源；

在煤炭资源开采过程中，第四系含水层的水位快速下降了约 3.0m，之后又逐渐保持稳定；基岩含水层的水位则持续下降了 50.0～100.0m，且随着煤炭资源的持续开采，基岩含水层的降落漏斗 范围在持续增大；工作面开采前后，在地面施工导水裂缝带实测钻孔， 结果表明采厚6.0m煤层，导水裂缝带发育高度为110～120m，未发育 至第四系含水层；综合水位和覆岩破坏结果，可以确定煤炭开采过程 中，第四系地下水会漏失下渗，矿井水属于第四系含水层地下水(含 水层1)和基岩含水层地下水(含水层2)的混合水。第四系

步骤4：确定井下矿井水水质特征和来源比例；

取样检测井下矿井水的结果表明，矿井水中矿化度为880.00 mg/L，阳离子主要以Na

其中：S—含水层1和含水层2的混合比例；MW—矿井水的浓度 值；Q

另外，根据本发明中的评价方法，以及本地区某浅埋煤矿矿井水 中δD＝-71.9‰，计算得到矿井水中第四系含水层地下水(含水层1)的比例为61.77％。

由此，本发明的一种西部矿区开采扰动下矿井水来源判别方法具 有如下优点：通过分析研究区煤层及其顶板各层段地层厚度、岩性岩 相等特征，掌握含水层分布发育规律、水位和水质特征，确定水质指 标标准值，监测煤炭开采过程中各含水层的水位变化情况，确定煤炭 开采扰动下导水裂缝带沟通的含水层情况和矿井水来源，在此基础上， 开展矿井水取样和检测工作，分析常规水化学指标和环境同位素指标， 确定相关水质指标标准值，并建立科学的开采扰动下矿井水来源比例 计算公式，实现对煤炭开采扰动条件下矿井水来源和比例的准确判断。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本 发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附 图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的 作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的 范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。