摘要: 为了查清封闭不良天然气孔突水过程中充水水源的变化规律，开展了气孔出水水文地球化学特征研究。结果表明：“大53”天然气孔突水过程中TDS浓度逐渐降低，初期为SO4·Cl—Na型水，位于Piper三线图右端部，来自直罗组；中期TDS浓度降至500多mg/L，属于HCO3·SO4·Cl—Na型水，位于Piper三线图右端偏下，来自白垩系；期间煤层底部涌出高TDS的SO4·Cl—Na型水，该水样点位于三线图右端偏上。气孔处理过程中，水样中γ(Ca)/γ(Na)系数均远大于其他水样，且HCO– 3未检出，为煤层顶板直罗组水化学特征，表明阻隔了2-1煤层与白垩系含水层和2煤—6煤含水层的水力联系。取距离阈值20，分层聚类分析可以将水样分为白垩系水和侏罗系水，距离阈值5又可将侏罗系含水层水细分为直罗组2段、直罗组1段和2煤—6煤含水层水，实现了对气孔突水过程中充水水源变化规律的准确判别。
关 键 词：水文地球化学特征；封闭不良天然气孔；突水；葫芦素煤矿
蒙陕接壤区位于鄂尔多斯盆地中北部，其含煤地层为埋藏较深的侏罗系中下统[1-2]，煤层具有煤质优良、储量巨大、构造简单等特点[3]。同时，鄂尔多斯盆地是一个由不同含水岩类的多个含水层系统上下叠置构成的巨型地下水盆地[4]，其中白垩系碎屑岩类孔隙–裂隙含水层系统[5]和侏罗系碎屑岩类裂隙含水层系统[6]是本地区延安组煤炭开发过程中面临的主要充水水源，其中侏罗系地下水是侏罗系煤层的直接充水水源，其赋存特征对煤矿的防治水及保水采煤等至关重要。地下水的补给、径流和排泄是地下水循环的3个基本环节[7]，地下水在径流过程中，与介质相互作用，水质也会发生相应变化[8]，当不同含水层水进入巷道，可以通过检测其水化学指标来判别水源[9]。
煤矿井田范围内，一般存在着大量的封孔质量不合格钻孔(包括勘探孔、油气孔等)，这些钻孔严重制约着矿井的安全生产[10]，造成大量煤炭资源无法回采。更严重的是，封闭不良钻孔是一种较为严重的人工导水通道[11]，常引发突水溃沙事故[12]，但由于其规模小、隐蔽性强[13]，没有引起足够重视。当采掘工作面接近或揭露封闭不良钻孔时，有可能给煤矿带来安全危害，如果钻孔未沟通其他含水体，仅钻孔中的积水，则贯通后水压很高但水量不大；如果钻孔沟通白垩系等强含水层，则可造成钻孔涌水量大、持续时间长的严重突水事故，对矿井安全生产造成极大威胁[14]。因此，当井下巷道掘进过程中揭露封闭不良钻孔后，最快速有效的办法是检测分析出水水质，迅速判断充水水源[15]，为开展针对性的封孔处理工程提供科学依据。
1 研究区概况
葫芦素井田位于鄂尔多斯市乌审旗图克镇和伊金霍洛旗台格苏木，东西长约13.4 km，南北宽约7.4 km，面积92.761 km2(图1)。井田具典型的高原堆积型丘陵地貌特征，地表全部被第四系风积沙所覆盖，植被稀疏，为沙漠—半沙漠地区。无常年地表径流，雨水多通过风积沙渗入地下。井田的西北角有一小型泄洪沟，流向东北，该泄洪沟较浅，平时无水，只有在大雨或暴雨时才有水流过；井田北部边界以北约2.0 km有一地表水体查干淖尔湖。
葫芦素煤矿首采煤层为2-1煤(图2)，煤层自身富水性较强，个别探查孔最大涌水量达100 m3/h，涌水量衰减迅速，表明煤层富水以静存量为主，易于疏放。2-1煤直接顶板充水含水层为直罗组1段，井下施工的探放水钻孔单孔水量大部分在20 m3/h以下，多处出现干孔，终孔水压均在1 MPa以内。距离2-1煤顶板约80 m，发育了直罗组2段含水层，钻孔涌水量为6~11.5 m3/h，水压2.1~4.8 MPa。直罗组上覆安定组属于较稳定的隔水层，可以有效阻止白垩系巨厚含水层(厚度332.1~355.05 m)水的下渗。另外，2煤组到6煤组之间，发育有不连续分布的含水层，表现为“高溶解性固体总量(TDS)、低水压”特征。
图1 葫芦素煤矿位置示意图
Fig.1 Location of Hulusu coal mine
图2 矿井综合水文地质剖面图
Fig.2 Integrated hydrogeological section of the mine
2 气孔突水过程
葫芦素煤矿21102工作面主回风顺槽施工至3 441 m位置时，连采机切割过程中在距巷道右帮0.7 m位置中下部出现突水，初始突水量约120 m3/h，后增大至180 m3/h，稳定在150 m3/h左右。经水文地质条件分析及井上下排查后，判断突水通道为地面“大53”天然气孔套管外环状空间未封闭，可能沟通了顶板直罗组砂岩含水层和白垩系砂岩含水层。水量没有衰减迹象，但有增大风险，短期内不能封堵将成为重大安全隐患，影响矿井正常生产。由于气孔套管内有高压水、泥浆或残余气体，一旦套管破裂，可能出现突水、突泥及残余气体涌出；同时，气井已射孔压裂，底部封闭有高压天然气，对矿井安全构成威胁。
3 样品采集与检测
3.1 样品采集
为了弄清“大53”天然气孔管外环状空间与上下含水层沟通情况，突水过程中连续采集水样(2015年4月26日—5月3日)，5月14日采集了水样D53- 10；另外，气孔开始治理后，于6月9日采集了水样D53-11。所有水样采集后(共11个)，立即将取样瓶盖紧、密封，贴好标签。
3.2 检测方法
水样的检测指标包括：pH、阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+)、阴离子(NO– 2、NO– 3、CO2– 3、HCO– 3、SO2– 4、Cl–)、总硬度、TDS。样品经预处理后，根据MT/T 894—2000《煤矿水水质分析的一般规定》中规定的检测方法，利用WYX-9003A原子吸收分光光度计、722N分光光度计等设备进行检测。
4 结果和讨论
4.1 常规特征
通过对气孔突水过程中水化学指标的检测分析，可以发现如下特征：
a. “大53”天然气孔突水过程中，水中TDS变化较大(表1)，出水初期(4月26日—4月30日)TDS为1 128.98~2 661.10 mg/L，属于SO4·Cl—Na型水，pH值8~9；中期(从5月1日开始)，TDS下降至500多mg/L，属于HCO3·SO4·Cl—Na型水，可能是沟通了白垩系含水层；但这个过程中，出现高TDS (6 335.88 mg/L)的SO4·Cl—Na·Ca型水，且pH值也升至9.97，结合该气孔结构，可以推断有来自下部含水层水的混入。气孔封堵处理过程中，水化学特征又表现为煤层顶板直罗组水化学特征，即TDS为1 390.37 mg/L，SO4·Cl—Na·Ca型水。
b.利用Piper三线图可以发现与TDS变化类似的规律(图3)：尽管所有的水样均位于菱形的右半部分，但各个阶段并没有聚集在一起，其中D53-2、D53-3、D53-4、D53-5、D53-6水样位于菱形右端部，具有较接近的水化学特征；D53-1水样也位于菱形右端部，但阴离子与这些水样存在一定差异；D53-7、D53-8、D53-10水样位于菱形右端偏下；D53-9和D53-11水样位于菱形右端偏上。上述现象表明，这些水样的来源和水化学类型存在一定差异。
表1 天然气孔突水过程水化学特征表
Table 1 Groundwater hydrochemical test data during water inrush of poorly sealed gas hole
图3 天然气孔突水水化学变化Piper图
Fig.3 Piper three wire drawing of hydrochemical variation of water inrush of natural gas hole
Schoeller图也显示(图4)，水样曲线的形状趋势比较一致，但在垂向上有较大滑动, 总体上可分为3类来源，即：①D53-1、D53-2、D53-3、D53-4、D53-5、D53-6；②D53-7、D53-8、D53-10；③D53-9和D53-11。表明各水样既有相同的水源和水化学形成过程，又存在一定的水源差异。
4.2 分层聚类分析
聚类分析是研究样品分类的一种多元统计方法，包括快速聚类和分层聚类[16]。当用户事先无法确定类别数时，采用分层聚类，系统将所有的样本、变量信息调入内存，进行不同的聚类算法。本研究是对所采集样品进行分类，因此采用样本分层聚类分析。本次研究中选取所采集检测的11个水样，变量7个，分别为Cl–、SO2– 4、HCO– 3、Na+、Ca2+、pH、TDS，采用离差平方和法，由SPSS软件完成分层聚类分析[17](图5)。取距离阈值20，所有样品可划分为2大类：Ⅰ类属于白垩系含水层，包括D53-7、D53- 8、D53-10水样，TDS为520.32~552.25 mg/L，属于低矿化水；阳离子以Na＋为主，质量浓度为166.25~ 180.29 mg/L；阴离子以HCO– 3和SO2– 4为主，质量浓度分别为165.28~178.35 mg/L和100.3~106.75 mg/L。白垩系水的补给源以垂直渗入补给为主，砂岩含水层内各种长石砂岩的风化水解和离子交换作用，使流经砂岩含水层的地下水中溶入更多的Na离子。Ⅱ类属于侏罗系含水层，包括D53-1、D53-2、D53-3、D53-4、D53-5、D53-6、D53-9和D53-11，取距离阈值5，可以将侏罗系含水层水进一步细分，即D53-2、D53-3、D53-4、D53-5、D53-6属于直罗组2段，D53-1属于直罗组1段，D53-9属于2煤—6煤含水层，随着含水层埋深增加，水中TDS也逐渐增加，表现出较明显的水化学分层特征。另外，D53-11水样显示直罗组2段水化学特征，表明注浆封堵工程已经切断了与白垩系含水层及2煤—6煤含水层的水力联系；水中pH为12.2、OH–质量浓度336.99 mg/L、HCO– 3为0，导致分层聚类分析图中不能与其他直罗组2段水样归为一类。
图4 天然气孔突水水化学变化Schoeller图
Fig.4 Schoeller line chart of hydrochemical variation of water inrush of natural gas hole
图5 样品分层聚类分析图
Fig.5 Hierarchical clustering analysis diagram of water samples
4.3 离子比例系数分析
不同来源地下水某些比例系数的明显差异[18]，可以判断地下水的成因和地下水化学成分的来源及其形成过程。气孔突水过程中，所采集样品的水质特征离子比例系数见表2：①所有水样的γ(Na)/γ(Cl)系数均大于1(γ为质量浓度，mg/L。标准海水的γ(Na)/γ(Cl)系数平均值为0.85)，说明地下水中Na不是单一的岩盐来源；②D53-9水样中γ(Na)/γ(Cl)系数最小，由于TDS最高(6 335.88 mg/L)，反映了D53-9水样来自深部滞留型含水层，岩盐溶解较多；③各水样的γ(Mg)/γ(Ca)系数均远小于海水值5.5，排除了地下水与海相沉积水混合的可能性；④D53-11水样中γ(Ca)/γ(Na)和γ(Ca)/γ(SO4)系数均远大于其它水样，HCO– 3未检出，反映了气孔封堵过程中，导致D53-11水样中溶解了较多的含钙矿物。
表2 天然气气孔突水水化学离子比例系数
Table 2 Ion ratio coefficient of water inrush
4.4 综合判定
为了更加准确的确定本次事故及处理过程中的充水水源，根据葫芦素煤矿建井过程中建立的各含水层水化学特征，结合Piper三线图、分层聚类分析、离子比例系数等得到的结果，对各水样的水化学特征进行综合判定，结果发现(表3)：突水初期(D53-1—D53-6)气孔出水主要来自直罗组1段和直罗组2段含水层；中期(D53-7、D53-8和D53-10)出水主要来自白垩系含水层；期间还存在深部含水层高TDS水的涌出(D53-9)；治理过程中，由于切断了与白垩系含水层及2煤—6煤含水层的水力联系，出水主要表现为直罗组2段水化学特征(D53-11)。
表3 天然气气孔突水水化学特征评价表
Table 3 Hydrochemical characteristics evaluation of water inrush 单位：mg/L
5 结论
a. “大53”天然气孔突水过程中，水中TDS呈逐渐降低趋势，水化学类型由SO4·Cl—Na型逐渐转变成HCO3·SO4·Cl—Na型水，主要是由于沟通了白垩系含水层；这个过程中由于煤层底部的深层滞流型水涌出，出现了高TDS(6 335.88 mg/L)的SO4·Cl—Na·Ca型水；气孔处理过程中，又表现出直罗组含水层水的水化学特征，即TDS为1 390.37 mg/L，属于SO4·Cl—Na·Ca型水。
b. 不同出水阶段的水样点位于Piper三线图不同位置，表明这些水样的水化学类型存在一定差异，其水源也属于不同含水层；Schoeller图显示水样曲线在垂向上有较大滑动，进一步证明整个气孔出水过程中，存在水源上的持续变化。
c. 分层聚类分析中，取距离阈值20，首先将水样分为白垩系水和侏罗系水；取距离阈值5，又可以将侏罗系水样分为直罗组2段、直罗组1段和2煤—6煤含水层水，并发现6月9日已经切断了2-1煤层与白垩系含水层和2煤—6煤含水层的水力联系。
d. D53-11水样中γ(Ca)/γ(Na)和γ(Ca)/γ(SO4)系数均远大于其他水样，且HCO– 3未检出，反映了气孔封堵过程中，D53-11水样中溶解了较多的含钙矿物，并很好的封堵了沟通白垩系含水层和2煤—6煤含水层的导水通道。
