1.煤矿水害防治水化学分析法
地下水存在并运动于地壳岩石中，不断与岩石互相作用，从而决定了不同岩石中的地下水具有不同的化学成份，并且由于来源不同，不同成因的地下水化学成份也不一样[1]。水化学分析法是一种较为有效且简便的突水水源判别方法，在生产实践中中有着广泛的应用。
一般地下水中最见的离子成分有Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-这七种，它们在地下水中分布最广，并占绝对优势，这些成分决定了地下水化学成分的基本类型和特点[2]。除此之外，地下水主要的化学性质指标还有矿化度、碱度、硬度、PH值等[3]。实际工作中可通过水质化验对比，根据其基本特征，来判别水源。
2矿井水文地质条件
担水沟煤矿位于朔州市朔城区小平易乡担水沟村北，井田面积8.8395km2，设计能力90万t/a。矿井正常涌水量48m3/h，最大涌水量103m3/h，地质及水文地质类型为中等。矿井当前开采面临的主要水害风险为奥灰水、采空水、老窑水和煤系地层砂岩裂隙水。井田内主要含水层有三层，从上到下分别为二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层、石炭系上统太原组砂岩裂隙含水层、奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层，矿区水文地质概化模型如图1所示。
图1 矿区水文地质模型概化图
2.1二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层
该组稳定砂岩2-3层，以K3砂岩厚度较为稳定，其岩性为灰色厚层状中、粗砂岩，平均厚11.70m，单位涌水量0.00041～0.084L/s.m，为弱含水层。
2.2石炭系上统太原组层间砂岩裂隙含水层
本组含水层埋藏较深，其间有泥岩作为相对隔水层，不易接受上覆含水层越流和大气降水渗入，补给条件差，单位涌水量为0.0505L/s.m，富水性弱。
2.3奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层
担水沟井田位于平朔矿区东南部，奥灰岩溶普遍发育，富水性达到强至极强程度，但发育不均一，不同地段富水性差别较大。目前开采的9号煤层底板相对隔水层平均厚度56m，水压3.06MPa，突水系数为0.056MPa/m，接近底板构造破坏地段临界突水系数0.06MPa/m。
3矿井主要充水水源及含水层水化学特征
3.1老窑(空）水
老窑（空）积水常年处于一种封闭、缺氧环境，是一种高度还原环境，往往呈酸性状态，pH值较低[4]。老窑（空）水区别于其它含水层的明显特点是：矿化度非常高，一般大于1300mg/L；SO42－毫克当量百分含量一般大于50%以上，水质类型一般为：SO4∙（HCO3）∙（CL）-Ca∙Mg型。
3.2采空区积水
采空区积水根据开采时间、动态补给和流通情况，离子含量也不尽相同。一般来说，年代久、密闭的采空积水接近老窑水特性；开采年代短、封闭时间不长的采空区积水，离子特性往往更接近砂岩裂隙水特征[5]。其区别于其它含水层的明显特点是：矿化度一般间于老空水与砂岩水之间（1100-1300mg/L），水质类型一般为：SO4∙（HCO3）∙（CL）-Ca∙Mg型水。
3.3砂岩裂隙水
砂岩水为煤系水，其与采空水和灰岩水最大的区别是，所处环境的不同，即地化环境条件封闭，水交替程度差、补给来源有限[6]。砂岩裂隙水的明显特征为相对高的矿化度，一般含量在500-900mg/L，水质类型比较复杂，有HCO3·CL·（SO4）-Ca·Mg·Na、HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·CL-Na等几种。
3.4 奥灰水
根据水质浓度梯度场理论，因奥陶系灰岩围岩性质较为单一纯净，水流补给充分，径流条件好[7]。故奥灰水TDS小，Cl－、SO42－含量较低，水质类型一般为HCO3-Ca·Mg型水，少数为HCO3·（SO4）-Ca·Mg·（Na）型水。奥灰水的明显特征为：最低的矿化度，一般在400mg/L以下，HCO3-含量最高，一般在75%以上；SO42－含量一般在15%左右甚至更低，CL-含量一般在10%以下。4 水样水质的对比分析流程及方法
4.1水源判别的技术流程及要求
水源判别的基本流程为，当井下突水或涌水时，首先按化探要求采集水样进行检测，同时对水样采集地点、时间、出水形式、出水位置、水量、水压、水温等进行详细记录。其次对检测结果即水质检测报告的可靠性进行审查，审查合格后按相关规范对水质类型进行评定、绘制水化学三线图，最后综合进行水源判别。
4.2水样水质的对比分析
担水沟煤矿目前开采存在的水害风险主要为采空水、老窑（空）水、围岩裂隙水（砂岩水）和奥灰水四种类型，故列举有代表性的四类水源15个水样进行对比说明，其主要离子相对摩尔百分含量值如表1所示：
表1 水质测试结果 Meq%
从上表可知，不同取样点所采集的矿井水的主要离子含量有所不同，四种水质最具对比的特征指标为矿化度和主要阴离子的毫克当量百分数。
1）矿化度
四种类型水源其矿化度差异比较明显，由小到大的变化趋势为：奥灰（200-400）→砂岩水（500-900）→采空水（1100-1300）→老窑水1300mg/L以上。
2）奥灰水判别的主要特征指标
奥灰水判别除矿化度外，最可靠的指标为HCO3-相对摩尔百分含量，其变化趋势为：奥灰（75%以上）→砂岩水（40-65%）→采空水（20-45%）→老窑水（15-35%）；其次为CL-相对摩尔百分含量，其变化趋势为：奥灰（10%以下）→老窑水（15%以下）→采空水（20-35%）→砂岩水（25-40%）。
3）老空水判别的主要特征指标
老空水判别的主要特征指标为SO42-相对摩尔百分含量，其变化趋势为：
奥灰（15%以下）→砂岩水（15-25%）→采空水（40%以上）→老窑水（50%以上）。
4.3水化学图示法
为直观地显示不同水源的化学特性，一目了然发现异同点，人们提出了许多水化学分析结果的图示方法[8]。Piper三线图是地下水化学研究中使用最广泛的图表，由两个三角形及一个菱形组成，左、右下方的三角形分别代表阳离子和阴离子的相对摩尔百分含量，向上方菱形延伸得出的交点表示该水样的阴阳离子相对含量[9]。其主要优点是能把大量的水分析资料绘在同一张图上，依据其分布情况可判别水源及判断某种水是否是另外两种水简单混合的结果，担水沟煤矿常见的四种水源离子分布特征如图2所示。
5结论
5.1通过分析矿井主要水害水源的基本特征，提出了各种水源判别的首要特征指标为矿化度，其次奥灰水判别的特征指标为HCO3-相对摩尔百分含量，老空水判别的特征指标为SO42－相对摩尔百分含量。
5.2通对多个水样的测定，对矿井四类水源进行了水化学特征分析，划分了井田主要充水水源的水质类型。
5.3对矿井存在的主要水源绘制了Piper三线图，建立健全了矿井水化学档案，为水源判别及水害预测提供了依据。
[1]王宏斌，刘伯,才向军,张林.矿井水害防治技术、北京：煤炭工业出版社，2007.9
[2]王秀兰，刘忠席,矿井水文地质.北京：煤炭工业出版社，2007.9
[3]董兴远,常见矿井充水水源类型及特点.企业技术开发,2013.4
[4]王永法,应用矿井主要含水层水质分析方法判别出水源.煤炭科技,2010.06
[5]董兴远,常见矿井充水水源类型及特点.企业技术开发.2013.4
[6]王永法,应用矿井主要含水层水质分析方法判别出水源.煤炭科技.2010.06
[7]罗晓云,甘东科,方勇刚.某炼油项目场地水文地球化学特征分析《中国水运》.2011.04
[8]崔佳星.邢台矿地下水化学特征及突水水源判别模型研究.河北工程大学硕士论文.2012.05
[9]杨立志.piper三线图和特征离子在谢桥井田水源判别中的应用.科技论坛.2014.06
作者简介：
王正，男，1970年10月生，汉族，山西朔州人，工程师，本科学历，主要从事煤矿采掘、一通三防、防治水等技术管理工作。
