煤礦井下水文地質(zhì)觀測與分析

井下水文地質(zhì)觀測與分析PAGEPAGE1井下水文地質(zhì)觀測與分析各種類的礦井突水往往都有一定的征兆，加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測與分析工作是礦井防治水的基礎(chǔ)工作，也是一項重要工作。各種類型的突水，事前都可能出現(xiàn)各種征兆，下面分別作簡單介紹。(一)一般征兆1、煤層變潮濕、松軟；煤幫出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象，且淋水可由小變大；有時煤幫出現(xiàn)鐵銹色水跡。2、工作面氣溫降低，或出現(xiàn)霧氣及硫化氫氣味。3、有時可聞到水“嘶嘶”聲。4、礦壓增大，發(fā)生片幫冒頂及底臌。(二)工作面底板灰?guī)r含水層突水征兆1、工作面壓力增大，底板臌起，底臌量有時可達(dá)500mm以上。2、工作面底板產(chǎn)生裂隙，并逐漸增大。3、沿裂隙或煤幫向外滲水。4、隨著裂隙的增大，水量增加，當(dāng)?shù)装鍧B水量增大到一定程度時，煤幫滲水可能停止，此時水色時清時濁，底板活動時水質(zhì)混濁、底板穩(wěn)定時水色變清。5、底板破裂，沿裂縫有高壓水噴出，并伴有“嘶嘶”聲或刺耳水聲。6、底板發(fā)生“底爆”，伴有巨響，水大量涌出，水色乳白或呈黃色。(三)沖積層水的突水征兆1、突水部位發(fā)潮，滴水。滴水逐漸增大，仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)水中有少量細(xì)砂。2、發(fā)生局部冒頂，水量突增并出現(xiàn)流砂。流砂常呈間歇性，水色時清時混，總的趨勢是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出。3、發(fā)生大量潰水、潰砂，這種現(xiàn)象可能影響到地表，致使地表出現(xiàn)塌陷坑。以上征兆典型情況，在一些突水過程中，并不一定全部表現(xiàn)出來，所以，應(yīng)該細(xì)心觀察，認(rèn)真分析、判斷。分析和判斷突水水源可以對突水的發(fā)展及突水的后果作出預(yù)測，是組織搶救和正確決策的前提。分析水源分析水源一般可利用以下方法：一、直面分析法礦井突水后，應(yīng)仔細(xì)觀察突水點及周圍情況，包括出水點的位置、周圍的地質(zhì)情況、巷道壓力，以及水的氣味、顏色、聲音、水壓、水溫及水中攜帶的物質(zhì)。不同水源的突水現(xiàn)象及突水特征不同、出水規(guī)律不同。二、水文地質(zhì)條件分析法發(fā)生突水后，應(yīng)對突水的水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析。礦井突水的因素，可從以下幾個方面進(jìn)行分析：1、煤層底板接近強(qiáng)含水層，致使水突破隔水層。2、底板有斷層、裂隙、隱伏的陷落柱，發(fā)生地下水垂向補(bǔ)給。3、采掘工作面接近或揭露含水陷落柱。4、斷層使強(qiáng)含水層與煤層中的薄層灰?guī)r含水層接觸，地下水發(fā)生側(cè)向補(bǔ)給。5、工作面接近或揭露與強(qiáng)含水層串通的鉆孔。6、淺部露頭補(bǔ)給。7、地表水和沖積層水補(bǔ)給。8、斷層帶含水，并與地表水或強(qiáng)含水層勾通。9、采掘工作面揭露含水層或含水溶洞。10、上下采空區(qū)被導(dǎo)水裂縫帶連通。三、水化學(xué)試驗法及示蹤試驗（一）水化學(xué)試驗法1、一般概況地下水是天然的溶液，在含水層中儲存運移，不可避免地與圍巖發(fā)生化學(xué)、物理、生物等方面的反應(yīng)。這些反應(yīng)使地下水成為含多種化學(xué)成分的復(fù)雜溶液。地化環(huán)境、水文地質(zhì)條件以及含水部位的不同，會產(chǎn)生含有不同成分的地下水。因此通過水化學(xué)試驗，可以了解地下水取樣點所反映的水文地質(zhì)條件和地化環(huán)境。因而可以查清不同含水層地下水的水質(zhì)差別，用其判別井下和泉點的出水水源，了解不同含水層之間的聯(lián)系和補(bǔ)給關(guān)系，甚至了解地下水循環(huán)交替和徑流的強(qiáng)弱、含水層的富水性等。2．取樣的化驗為使水樣有代表性，取樣工作應(yīng)按以下要求進(jìn)行：（1）取一般水質(zhì)樣品用塑料桶或玻璃瓶。取樣前用水樣水將2000mL的桶或瓶涮洗于凈，水樣取滿（玻璃瓶要留一小空隙），將蓋蓋緊后用膠布或石臘封口，寫好取樣地點、時間、含水層位、水溫、要分析的項目和取樣人員的姓名等，盡快送化驗室。無污染的清潔水樣在分析前最多只能存放3d。（2）要求分析侵蝕性CO2、H2S、溶解氧和易揮發(fā)變質(zhì)項目的水樣，應(yīng)按化驗要求，在現(xiàn)場取樣后立即加穩(wěn)定劑，并作專項分析送樣；檢測含CU、ZU、Pb的水樣，每升須加5mL的1：1HC1進(jìn)行酸化處理；分析含F(xiàn)e的水樣，應(yīng)加醋酸醋酸鈉緩沖溶液，防止氧化沉淀。（3）同位素分析的取樣，要根據(jù)分析同位素的要求進(jìn)行取樣。如18O一般需要100~200mL水樣；3H（氚）用電解法需取2000~3000mL；14C的取樣要根據(jù)水中CO32-、HCO3-和CO2的含量確定；Rn要求在現(xiàn)場馬上分析，用擴(kuò)散瓶直接取樣100Lm即可。3.煤礦地下水中幾種主要水源的基本水化學(xué)特征及判別在礦井開采過程中，經(jīng)常遇到的地下水源有厚層灰?guī)r水、煤系薄層灰?guī)r水、煤系砂巖水、老空水、沖積層礫石層水。在一般情況下，它們的主要水化學(xué)類型分別是：厚層灰?guī)r水HCO3-Ca-Mg型（徑流條件較好的）；煤系薄層灰?guī)r水SO4-HCO3-Ca型；煤系砂巖水HCO3-Na型；老空水SO4-Ca或SO4-HCO3-Ca型；沖積層礫石層水HCO3-CL-Ca或其它型。實際情況要復(fù)雜的多，有的礦區(qū)由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在同一厚層灰含水層中可以出現(xiàn)從HCO3-Ca、SO4-Ca到CL-Na中的多種水質(zhì)類型。因此，每個礦區(qū)要建立不同含水層和同一含水層不同區(qū)間的水質(zhì)特征資料檔案，為具體區(qū)分和判別不同水源準(zhǔn)備充分的基礎(chǔ)資料，以便水害事故發(fā)生時，通過水質(zhì)分析作出正確判斷。煤礦區(qū)地下水除用水質(zhì)類型作基礎(chǔ)判別外，還有幾種情況可作參考：出水水樣中若含有Mn2+和Fe2+，或水樣取上后被空氣氧化自行產(chǎn)生Fe2O3沉淀，則此水一定來自處于還原條件的煤系薄層灰?guī)r水、水量一般不會很大。水中若出現(xiàn)白色沉淀或有H2S臭味，而且礦化度高，則大部分是屬于封閉性的老空水或還原性強(qiáng)的煤系水。沖積層水中氡Rn的含量，比煤系地層水中高，如奧陶系灰?guī)r水由于徑流條件較好，在非放射性礦區(qū)的HCO3-Ca-Mg型水中，其氡Rn的含量一般小于沖積層水中含量的1/2。溴Br-在不同含不同水層中的含量，也可以作為判別水源的指標(biāo)之一。奧陶系灰?guī)r水，是我國北方煤礦的主要供水水源，也是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素。由于該層有徑流帶和滯水帶的差別，致使水質(zhì)類型不同，因此通過水質(zhì)分析的方法研究含水層不同區(qū)間的徑流條件或富水性，也是水文地質(zhì)研究中的重要手段之一。（二）示蹤試驗示蹤試驗又叫連通試驗，是將溶于水或水均勻混合的物質(zhì)、藥品試劑等投放到可能成為補(bǔ)給水源的水體中（如地表水、強(qiáng)含水層的不同方向與位置等），然后在井下出（突）水點或放水點（或地面鉆孔中）進(jìn)行取樣檢測。用以確定地下水的補(bǔ)給關(guān)系。(一)示蹤劑的種類目前國內(nèi)外使用的示蹤物質(zhì)，主要有以下幾大類：1、電離解物質(zhì)：指極易溶于水并離解成離子的化學(xué)物質(zhì)，如由CL-、Br-、I-、No3-、No2-、K+、Li+、NH4+等離子所組成的鹽類。2、放射性物質(zhì)：用放射性同位素作示蹤劑，在一定條件下有其特殊的優(yōu)越性。放射性核素種類很多，但由于半衰期、射線種類和毒性等限制，可以作地下水示蹤用的放射性核素只有以下幾種。3、有機(jī)染料：用作示蹤劑的有機(jī)染料是熒光黃或熒光素鈉鹽、伊紅、酸性大紅等水溶性強(qiáng)的顏料。4、其它種類：乙醇、重量金屬絡(luò)合物、氟碳化合物CCL2F2、CCL3F、固體粉末（孢子花粉）等，在一定條件下也可作示蹤物質(zhì)。2、示蹤劑的選擇與應(yīng)用用于地下水示蹤的物質(zhì)種類雖然不少，但具體到試驗現(xiàn)場進(jìn)行選擇時，還有很多實際問題需要考慮。在現(xiàn)場選擇示蹤劑時，需要考慮以下幾點：①示蹤劑的來源容易，價格適當(dāng)，可以在附近地區(qū)得到；②被示蹤的地下水中背景值低，示蹤劑的靈敏度，在被水稀釋后仍可測出其異常；③有快速方便的檢出方法，干擾物質(zhì)少；④對地下水不污染或污染小，示蹤物被水稀釋后應(yīng)在國家規(guī)定的允許濃度以下。在離子示蹤劑物質(zhì)中，CI-在許多地下水中的背景值含量較高，限制了它作示蹤劑的機(jī)會；Li+是理想的示蹤劑，但目前檢測只能在大型離子色譜儀上進(jìn)行，現(xiàn)場檢測困難；NO2-靈敏度極高，可測到0.01PPm，循環(huán)條件較好的地下水中很少含它，但在衛(wèi)生防護(hù)士對NO2-限制較高，與生活飲用水有聯(lián)系的地下水源，不能用它作示蹤劑。除上述幾種外，Br-、I-、NH4+、K+、NO3-等幾種離子可作為示蹤劑。顏料類作示蹤劑在衛(wèi)生上雖然沒有明確的規(guī)定，有些顏料甚至可以用作食品的添加劑，但是在生活飲用水中職出現(xiàn)意外的顏色，總會引起居民強(qiáng)烈的反應(yīng)。因此，作用顏料類示蹤劑，也要盡量避開與生活用水有直接聯(lián)系的地下水源。顏料示蹤劑的檢測基本上都是用直接比色法，操作簡單。如熒光素鈉鹽C20H10O5Na2，在紫外燈光下進(jìn)行比色，其靈敏度可達(dá)到投入試劑原始濃度的10-8PPm，一般顏料的目視直接比色可達(dá)到10-6～10-7PPm。示蹤試驗過程簡介示蹤試驗全過程是：選孔、試劑準(zhǔn)備、投放示蹤劑、取樣檢測分析、資料整理等。選孔示劑投放孔一定要選在取樣點或放水點所能影響到的范圍內(nèi)，要在自然流場的上游。檢測孔（點）一般可選用井下出水量較大的涌水點（孔）。利用抽水，人為造成降落漏斗，進(jìn)行示蹤試驗也是勘探區(qū)常用的方法。試劑準(zhǔn)備示蹤試驗根據(jù)現(xiàn)場條件，可用一元或多元互不影響的示蹤劑同時進(jìn)行多孔投放試驗。示蹤劑的投放量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場投放點與檢測點的距離、水量大小、示蹤劑的靈敏度以及背景值的高低而定。另外、檢測人員還應(yīng)根據(jù)試驗檢測的需要，準(zhǔn)備多種分析藥品和試劑。投放示蹤劑投放孔選定后，還要了解孔內(nèi)結(jié)構(gòu)、水位、孔徑、含水層頂板到水位的高度以及套管長度等，略算鉆孔水柱體積。被投放的試劑，一般是極易溶解于水的物質(zhì)，不需進(jìn)行化學(xué)處理。對于少部分難溶于水的示蹤物，則需進(jìn)行化學(xué)處理。如轉(zhuǎn)換成鈉鹽的熒光素C20H12O5和變成絡(luò)合物的金屬元素，在一般化學(xué)手冊上均可找到配制方法。投放的方式一般有兩種：一是先將試劑溶于水，直接灌入鉆孔中，后用清水壓入含水層；另一是將試劑藥品裝入布袋，用長尼龍繩下到含水層透水部位后，再壓入清水。前者多用于鉆孔水柱小于50m（從水位到透水部位）的投放孔；后者用于鉆孔水柱大于50m的投放孔。如果示蹤物投放量大（超過20kg），則一般是先溶解，后灌入鉆孔中，投放試劑后壓入的清水量，須根據(jù)水柱高程決定，一般是4～8t，用消防水車或鉆機(jī)用的拉水車?yán)?～2車即可。（4）取樣檢測分析在試劑投放前2～3d就要定時取樣，主要是監(jiān)測地下水中示蹤物的背景值的變化。取樣間隔時間視示蹤距離和水量大小而定。在井下放水試驗的同時作示蹤試驗，一般是每隔1～2h取樣。取1L水樣，可供2～3種示蹤劑同時檢測之用。取樣地點根據(jù)水文地質(zhì)上的要求，和井下地面具體情況而定。試驗前要對井下取樣人員交待注意事項，嚴(yán)格控制取樣時間，取樣后，立即用膠布寫上取樣地點和日期、時間、按班次送檢測站進(jìn)行化驗分析。示蹤劑的檢測方法視示蹤離子和物質(zhì)類型而定。對離子示蹤劑多用離子選擇性電極法或比色法。這兩種方法操作簡便，快速，一般干擾物質(zhì)少。用電極法分析示蹤物前，要配制系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，并測試?yán)L制電位值（mV）標(biāo)準(zhǔn)濃度工作曲線，以便正式測試水樣時，從所測電位值查得水樣中示蹤物濃度的變化。用比色法分析水樣時，每一批樣品都要同時作標(biāo)準(zhǔn)色列顏色比較。從顏色深淺了解示蹤物離子濃度的變化(5)資料整理在檢測分析中，按各取樣點及取樣的時間順序分析水樣，記錄分析結(jié)果，然后在坐標(biāo)紙上畫出時間濃度曲線，用離子選擇性電極法確定異常值時，只有當(dāng)電位值變化超出背景