集合相交法对出水钻孔水源的分析与判别

李飞飞，张凡斌，牛真茹，等．集合相交法对出水钻孔水源的分析与判别［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１５，４２（５）：９９－１０２．文章编号：１００８－４４９５（２０１５）０５－００９９－０４集合相交法对出水钻孔水源的分析与判别李飞飞１，张凡斌２，牛真茹３，李　洋２，崔家全１，苏本振１（１．中国矿业大学（北京）地球科学与测绘学院，北京１０００８３；２．山东省煤田地质局物探测量队，山东泰安２７１０２１；３．中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京１０００８３）摘要：及时准确判断矿井突水成因，查找突水水源，是解决和预防突水灾害的关键。以某矿东钻机在正常钻进过程中突发井喷的现象为研究背景，通过现场测定出水流量、水温、ｐＨ值、电导率，以及室内水化学分析，综合流量、ｐＨ值动态分析和水化学分析，初步对井喷钻孔进行水源分析；通过对比分析，依次得到不同分析方法下最有可能的出水含水层，采用集合相交的方法综合分析各可能出水含水层，初步判断出水水源为太原组灰岩含水层。关键词：钻孔出水；动态分析；水化学分析；集合相交；水源判别中图分类号：ＴＤ７４５　　　文献标志码：Ｂ　　　网络出版时间：２０１５－１０－０８１４：１０网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５０．１０６２．ｔｄ．２０１５１００８．１４１０．０４０．ｈｔｍｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＢｏｒｅｈｏｌｅＷａｔｅｒＩｎｒｕｓｈＳｏｕｒｃｅｗｉｔｈＳｅｔＩｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄＬＩＦｅｉｆｅｉ１，ＺＨＡＮＧＦａｎｂｉｎ２，ＮＩＵＺｈｅｎｒｕ３，ＬＩＹａｎｇ２，ＣＵＩＪｉａｑｕａｎ１，ＳＵＢｅｎｚｈｅｎ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＳｕｒｖｅｙｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＧｅｏｐｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇａｎｄＳｕｒｖｅｙｉｎｇＴｅａｍｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅＢｕｒｅａｕｏｆＣｏａｌＧｅｏｌｏｇｙ，Ｔａｉ’ａｎ２７１０２１，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｔｉｍｅｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｊｕｄｇｅｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｍｉｎｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈａｎｄｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｓｏｕｒｃｅａｒｅｔｈｅｋｅｙｔｏｓｏｌｖｅａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｄｉｓａｓｔｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｍａｄｅｏｎｔｈｅｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｏｆｔｈｅｂｌｏｗｏｕｔｂｏｒｅｈｏｌｅｂｙｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｕｄｄｅｎｂｌｏｗｏｕｔｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｎｏｒｍａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｅａｓｔｄｒｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｎａｍｉｎｅａｓｓｔｕｄｙｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｆｌｏｗ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐＨｖａｌｕｅａｎｄｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｉｎｄｏｏｒｈｙｄｒｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗａｔｅｒｓａｍｐｌｅｓａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｎｄｈｙｄｒｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗａｔｅｒｆｌｏｗａｎｄｐＨｖａｌｕｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｍｏｓｔｐｏｓｓｉｂｌｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈａｑｕｉｆｅｒｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｎｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｍａｄｅｏｎｅａｃｈｐｏｓｓｉｂｌｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈａｑｕｉｆｅｒｗｉｔｈｓｅｔｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙｊｕｄｇｍｅｎｔｗａｓｔｈａｔｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｓｏｕｒｃｅｗａｓｔｈｅＴａｉｙｕａｎｌｉｍｅｓｔｏｎｅａｑｕｉｆｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｏｒｅｈｏｌｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈ；ｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｈｙｄｒｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｅｔｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅ收稿日期：２０１５－０１－１２；２０１５－０７－２０修订作者简介：李飞飞（１９８８—），男，河南商丘人，硕士研究生，主要从事矿井水防治与资源化利用方面的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]。　　近年来我国矿井突水事故频发，对矿工生命安全和国家财产造成极大损失。一旦矿井发生突水，对突水水源的准确判断是水害防治的重要依据。要判别矿井突水水源，首先需要对突水水源进行分析，结合矿区水文地质条件和构造条件，对水位、水温和水化学资料进行综合处理；针对掌握的资料情况，选择与之相适应的方法进行判别［１］。目前水源分析方法日趋成熟，已由以往的简单水质类型对比分析、特征组分判别、同位素分析法等，逐渐发展为目前的多元统计学方法（聚类分析、判别分析）和非线性分析方法（灰色系统理论、模糊数学、人工神经网络、ＧＩＳ、ＭＭＨ支持向量机法、可拓识别法等）等多种方法补充验证［２－１１］。笔者结合某矿东五盘区钻机在钻进过程中突发井喷的现象，在充分考虑矿区水文地质条件和构造条件的基础上，结合现场监测的出水点流量、ｐＨ值动态分析以及水化学分析，通过对比分析，·９９·第４２卷　第５期２０１５年１０月　　　　　　　矿业安全与环保ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　　　Ｖｏｌ４２Ｎｏ５Ｏｃｔ２０１５采用集合相交的方法对各可能出水的含水层集合综合分析，最后综合判断确定最有可能出水的含水层。１　矿区水文地质概况根据矿区地层岩性空间分布特征及水文地质条件，主要含水层自上而下依次分为：第四系松散层孔隙含水层、基岩风化带裂隙含水层组，二叠系石盒子组碎屑岩类裂隙含水层组，二叠系下统山西组碎屑岩类裂隙含水层组，石炭系上统太原组碎屑岩、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层组，以及奥陶系中统下马家沟和峰峰组碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。二叠系砂岩含水层厚度０～２０７５ｍ，是山西组３号煤层开采的主要充水来源，据抽水试验资料和邻近小煤矿排水资料及井巷揭露出水情况，含水性极弱，水质类型为ＨＣＯ－３－Ｋ＋＋Ｎａ＋型。太原组数层砂岩裂隙含水层和Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５等石灰岩裂隙岩溶含水层，构成太原组各主要煤层的直接充水水源；奥陶系灰岩厚约４５０ｍ，主要由中统峰峰组和中统下马家沟组组成，其构成石炭、二叠含煤岩系的基底，含水层富水性极强，对煤层开采具有较大威胁。２　出水动态监测与分析某矿东钻机在层位大致位于太原组Ｋ２灰岩上部顶板的砂泥岩地层中正常钻进时，出现井内泥浆漏失。现场施工人员在关闭防喷器过程中，大约３ｍｉｎ钻井内发生井喷，井内泥浆喷至地面以上约１７ｍ。钻孔出水一天后出水量变大，地面积水增多。２１　动态监测１）三角堰箱安装以后，每隔２ｈ测定１次三角堰堰高，查表换算成水流流量；选择一段渠底比较平缓，渠形近似矩形的固定渠段用流速仪测定水流流量；分别记录出水流量的大小（见表１），并综合两种方法测定的流量数据判断水流流量的大小和稳定性。２）水量稳定后，在井口处每隔４ｈ取１次水样和出水口处淤泥，并观察流水颜色、浑浊度、有无异味等情况，现场测定出水处ｐＨ值、水温和电导率等。表１　水文动态观测记录观测日期三角堰流速仪堰高／ｃｍ流量／（ｍ３／ｈ）水渠流量／（ｍ３／ｈ）水温／℃ｐＨ值电导率２０１３－０４－１７９５１４１２１６７６４１７３６８７６２１２２０１３－０４－１８９６１４５０１７０４３１７５３８９５２０９２０１３－０４－２７９４１４１１７４８０１７８５８７３２０５２０１３－０４－２８９４１４１１７７８１１７７６８７４２０６２２　动态分析根据出水点动态监测资料分别绘制出水点流量动态变化图（见图１）和ｐＨ值动态变化图（见图２），并进行动态分析。图１　出水流量动态变化图图２　ｐＨ值动态变化图由图１可看出，钻孔的出水量保持稳定，且出水量较大；出水流量基本稳定在１７ｍ３／ｈ左右。在４月１９日和４月２０日两日有所减小，之后流量又维持在１７ｍ３／ｈ左右。根据该矿区各含水层组富水特点，太原组砂岩含水层富水性较弱，属于弱富水性含水层，因此，结合出水钻孔流量特点可排除出水水源为太原组砂岩水的可能性。又根据钻机在层位大致位于太原组Ｋ２灰岩上部顶板的砂泥岩地层中正常钻进时发生井喷的背景，可进一步判断出水水源可能是太原组Ｋ２灰岩含水层，但也有可能是导通的奥陶系灰岩含水层，需根据其他信息进一步筛选判断。根据钻孔出水流量特点可初步判断出水水源：Ｖ１＝｛太原组灰岩含水层，奥陶系灰岩含水层｝由图２可看出，出水钻孔水源ｐＨ值基本保持在８７左右，上下浮动不大，含水层的水质偏碱性。根据钻孔揭露的太原组Ｋ２灰岩水样的水化学资料显示该层位灰岩具较高矿化度和ｐＨ值，ｐＨ值在９０左右，水质偏碱性；较符合出水点处ｐＨ值特征。根据钻孔揭露的峰峰组和上马家沟组水化学特·００１·Ｖｏｌ４２Ｎｏ５Ｏｃｔ２０１５　　　　　　　　　矿业安全与环保ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　第４２卷　第５期２０１５年１０月征统计资料显示该层灰岩ｐＨ值为５～６，水质略偏酸性；不符合出水钻孔水质特征，因此，出水水源不可能为奥陶系灰岩含水层。在砂岩裂隙水中，由于水岩相互作用，离子交换，导致砂岩裂隙水偏碱性。因此根据ｐＨ值特征可筛选出出水水源可能为太原组灰岩含水层与二叠系砂岩含水层。综合图２分析结果以及在东井区收集的各含水层水化学特征可初步判断出水水源：Ｖ２＝｛太原组灰岩含水层，二叠系砂岩含水层｝３　出水点水化学分析地下水的化学特征是围岩矿物与地下水水流之间内在关系所形成的结果，地下水的水化学成分及不同离子含量多少，与其赋存条件有着十分密切的关系［１２］。对出水点收集的水样进行水化学分析，水质分析结果见表２。将数据输入到Ｇｗ－ｃｈａｒｔ制图软件制作出水点Ｐｉｐｅｒ三线图，见图３，从而更直观地反映出水点的水化学类型。表２　室内水质分析数据ｍｇ／Ｌ取样时间硫酸根钾钠离子钙离子镁离子重碳酸根氯离子碳酸根ＴＤＳ２０１３０４１７Ｔ１０３００００００００１７６３８２７８５１６９９１７１０４４５０８６４９８６４９０１６０×１０００２０１３０４１７Ｔ２２３０７７４７７６００２１２３２２２０２７１５４５７２１１３１７６６０５４９９９４４１５６×１０００２０１３０４２８Ｔ０８３０４１１２２４００２１７３４２９２６１８６７５８１２５４５７１０３７９８５４５４１６４×１０００２０１３０４２８Ｔ１８３０８４２１７１３０１５４１２４８２９１０３７９８５５５６１７６×１０００图３　钻孔出水点的Ｐｉｐｅｒ三线图Ｐｉｐｅｒ图菱形区域用２条黑色交叉线分为４个较小的区域，其中左方属于ＨＣＯ－３－Ｃａ２＋型水，是奥灰水的典型水化学特征，一般是河水或浅层地下水的水质；正下方属于ＨＣＯ－３－Ｎａ＋型水，是砂岩水的典型水化学特征，一般是深层地下水的水质；右方属于ＳＯ２－４－Ｎａ＋或Ｃｌ－－Ｎａ＋型水，通常是海水、盐水或热水水质；正上方属于ＳＯ２－４－Ｃａ２＋、Ｃｌ－－Ｃａ２＋型水，一般是地下水和盐水（海水）混合水的水质［１３］。根据多个水样点落在Ｐｉｐｅｒ图上的位置，可以直观地确定某个水样是否和别的水样为同一水化学类型。由图３可以明显看出，出水点水化学成分主要是Ｎａ＋和ＨＣＯ－３，具有较高