一种确定矿井多含水层系统地下水混合模式及比例的方法

1.本发明涉及煤矿防治水技术领域，尤其涉及一种确定矿井多含水层系统地下水混合模式及比例的方法。


背景技术：

2.煤炭是我国的主要能源，采煤活动改变了矿井多含水层系统的水化学和水动力条件。随着开采深度和强度的增加，采煤和抽排水等人类活动不同程度破坏矿井含水层系统的地下水赋存状态，导致含水层水位下降和地下水混合。为了防止煤矿开采过程重大突涌水事故的发生，需要在开采前对矿井进行抽排水，抽排水活动会造成地下水位的变化，含水层之间水力联系的加强。因此，确定多含水层系统的地下水混合模式和比例对煤矿防治水工作具有重要意义。准确获得地下水混合模式和比例在矿井生产有以下几点作用：1、可用于判别突水水源；2、判断开采对含水层的影响，指示矿井导水通道的规模；3、确定矿井多含水层系统的水力联系与水化学来源。目前，对地下水混合模式的识别主要有模糊综合评判法、支持向量机和人工神经网络等，多集中于定性分析，对混合比例的计算方法操作繁琐、技术难度较大，确定混合模式和比例的误差均较大。因此，本发明针对这一问题提供一种操作简单、定性与定量相结合的地下水混合模式与比例的确定方法。


技术实现要素：

3.为解决背景技术中所提出的技术问题，本发明提供一种确定矿井多含水层系统地下水混合模式及比例的方法。
4.本发明采用以下技术方案实现：一种确定矿井多含水层系统地下水混合模式及比例的方法，包括以下步骤：
5.s1、收集整理矿井生产期间各个充水含水层的水化学数据、水位数据和各个充水含水层矿物组成，并绘制矿井开采前后的水位趋势图；
6.s2、依据水位趋势图分析矿井含水层的水位变化，结合各个充水含水层的水位变化特点和混合特征得到各个含水层之间的补给关系，最后确定矿井多含水层系统地下水的混合模式；
7.s3、基于含水层混合模式的分析，选取混合源水样作为初始水样，混合后的水样作为终止水样，并依据含水层矿物组成选取矿物相，在phreeqc软件中输入水样中相应的水化学数据和矿物相进行水文地球化学反向模拟，模拟后得到若干组混合比例；
8.s4、依据各个含水层矿物组成和比例特征选取最佳的地下水混合比例。
9.本方案提出的确定矿井多含水层系统地下水混合模式及比例的方法，结合各个充水含水层的水化学数据、水位数据和各个充水含水层矿物组成，并绘制水位变化趋势图，结合水位变化的趋势判断各含水层之间的水分补给关系，最终确定混合模式，并且本方案能够基于含水层混合模式的分析，选取混合源水样作为初始水样，混合后的水样作为终止水样，并依据含水层矿物组成选取矿物相，在phreeqc软件中输入水样中相应的水化学数据和
矿物相进行水文地球化学反向模拟，模拟后得到若干组混合比例，并最终筛选处最佳、最准确的混合比例。
10.作为上述方案的进一步改进，所述的水化学数据为矿井生产期间采集井下放水孔或者出水口流动的水样并密封测试所得，水化学数据包含na

、ca
2
、mg
2
、cl-、so
42-、hco
3-的浓度和ph值。
11.作为上述方案的进一步改进，所述的水位数据取自矿井生产期间各个充水含水层的水位观测孔，且为了增加水位数据的直观性与准确性，选取每个观测孔每一季度水位数据的平均值，以建立不同含水层多年的水位数据库。
12.作为上述方案的进一步改进，所述矿井多含水层系统由上至下依次为松散含水层、煤系含水层以及承压含水层。
13.作为上述方案的进一步改进，所述混合模式的确定依据以下方式：
14.若松散层含水层水位呈下降趋势，则地下水混合模式为松散层含水层向煤系含水层混合；
15.若承压含水层水位呈下降趋势，则地下水混合模式为承压含水层向煤系含水层混合；
16.若承压含水层与松散层含水层出现水位下降特征一致，说明两个含水层之间存在一定的水力联系，混合模式为承压含水层向松散含水层混合。
17.作为上述方案的进一步改进，在步骤s1中，采集水化学数据的水样位置应在矿井范围内，且与水位观测孔距离相近。
18.作为上述方案的进一步改进，在步骤s3中，模拟时，选取初始水样的采集时间需在终止水样的采集时间之前。
19.作为上述方案的进一步改进，在步骤s3中，选取初始水样和终止水样后，完成水化学数据的输入，依据含水层矿物组成设置矿物相，利用phreeqc软件进行水文地球化学模拟，并计算混合比例。
20.作为上述方案的进一步改进，在步骤s3中获取的若干组混合比例中，首先依据初始水样的混合比例的百分比之和小于或等于1的原则，再结合含水层的矿物相特点进行筛选。
21.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
22.1、本发明提出的方法能够全面的确定地下水混合模式和比例，且本发明同时结合矿井实际水位变化数据和水化学数据等水文地质资料，有效的提升地下水混合识别的准确性。
23.2、本发明采用水位数据定性判断地下水的混合模式，以水化学数据定量模拟计算地下水的混合比例，充分考虑了采煤影响下矿井多含水层系统实际的水动力与水化学条件的变化，使得计算结果更加准确和贴合实际。
24.3、本方法与现有技术中的其他方法进行对比，为矿井多含水层系统地下水混合模式及比例的确定提供了一种新的解决思路。
25.本发明提出的方法简单、易于操作、经济可靠，在生产实践中可以指导煤矿防治水工作，对导水通道和含水层水力联系判断有着指示作用。
附图说明
26.图1为一种确定矿井多含水层系统地下水混合模式及比例方法的流程示意图；
27.图2某矿井在2018～2021年钻孔水位标高变化图；
28.图3某矿井的含水层剖面图。
具体实施方式
29.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
30.实施例1：
31.本实施例以某矿井为例进行说明，某矿井经采煤与抽排水等工作导致不同含水层之间水力联系发生变化，多含水层系统地下水产生混合，由于该矿井水文地质条件复杂，地下水混合模式及比例有待查明。根据该矿井的相关资料，矿井的主要充水含水层包括新生界松散层第四含水层(以下简称“四含水”)，二叠系煤系砂岩裂隙含水层(以下简称“煤系水”)、石炭系太原组岩溶含水层(以下简称“太灰水”)。
32.参照图1，一种确定多含水层系统水化学成分及比例的方法测方法，包括以下步骤：
33.s1：数据收集；收集整理矿井生产期间各个充水含水层的水化学数据、水位数据和各个充水含水层矿物组成，并绘制矿井开采前后的水位趋势图。
34.矿井主要充水含水层的水化学数据为矿井生产期间采集井下放水孔或者出水口流动的水样并密封测试的，水化学数据包含na

、ca
2
、mg
2
、cl-、so
42-、hco
3-的浓度和ph值。水化学数据如表1所示，包含四含水3组，煤系水2组，太灰水2组。
35.表1
[0036][0037]
水位数据来自矿井生产期间主要充水含水层的水位观测孔，为了增强水位数据的直观性与准确性，水位数据选取整理每一季度的平均值，收集2018年第一季度到2021年第一季度3个水位观测孔的数据，包含2个太灰水位观测孔(2005-观1和2012-观1)，1个四含水位观测孔(2006-水1)，每个观测孔共13个数据共计39个数据，水位数据与水化学数据采集的位置相近。
[0038]
s2：混合模式确定；依据水位趋势图分析矿井含水层的水位变化，结合各个充水含水层的水位变化特点和混合特征得到各个含水层之间的补给关系，最后确定矿井多含水层系统地下水的混合模式。
[0039]
从图2可以看出，从2018年第一季度开始，四含观测孔2006-水1水位逐渐下降，虽然在2020年水位有所回升，但整体水位仍然处于下降的趋势，在2021年第一季度降低到了最低值。
[0040]
从2018年第一季度至2021年第一季度，观测孔2005-观1和2012-观1的水位均呈现下降的趋势，由此可知，采煤、抽排水等活动导致底板采动裂隙使得太灰含水层水位逐渐下降。
[0041]
矿井含水层剖面简图如图3所示，混合模式的判断依据开采期间地下水水位变化趋势，有以下三种情况：
[0042]
若松散层含水层水位呈下降趋势，则地下水混合模式为松散层含水层向煤系含水层混合；
[0043]
若承压含水层水位呈下降趋势，则地下水混合模式为承压含水层向煤系含水层混合；
[0044]
若承压含水层与松散层含水层出现水位下降特征一致，说明两个含水层之间存在
一定的水力联系，混合模式为承压含水层向松散含水层混合。
[0045]
由以上对含水层水位数据和含水层混合模式类型的分析，可知该矿井四含和太灰水位逐渐下降。由于四含位于煤系地层之上，且为松散层含水层，而采煤活动在煤系地层进行，煤系含水层富水性较差、以静储量为主，故四含水向煤系水混合。同时，太灰含水层位于煤系含水层之上，且属于承压含水层，说明由于底板采动裂隙导致了太灰水向煤系水混合。此外，四含水位观测孔2006-水1与太灰水位观测孔2012-观1的水位变化趋势明显的一致，这说明在煤系地层缺失的区域，下层太灰水向上层四含水混合。
[0046]
s3：反向模型建立，得到初步混合比例；基于含水层混合模式的分析，选取原始混合源水样作为初始水样，混合后的水样作为终止水样，依据含水层矿物选取矿物相，在phreeqc软件中输入相应的水化学数据和矿物相进行水文地球化学反向模拟；
[0047]
s4：筛选最终确定准确的混合比例；依据各个含水层矿物组成和比例特征选取最佳的地下水混合比例。
[0048]
根据上述多含水层系统地下水混合模式的定性分析，采集含水层的水化学数据与该矿井水位观测孔位置相近，见表1所列。根据表1，选取四含水与煤系水的水化学数据，分别为四17、砂3和砂7，其中，砂3和四17作为初始水样，砂7作为终止水样。完成水样的主要离子与ph值的输入。选取可能矿物相，进行水文地球化学反向模拟并进行运算，统计最终的混合比例如表2所示。从表2可以看出，结果中砂3占86.19％，四17混入13.78％，满足比例之和小于1的要求，故此比例为该处地下水混合比例。
[0049]
表2
[0050][0051]
根据表3，选取灰岩水与煤系水的水化学数据，分别为太9、砂3和砂7，其中，砂3和太9作为初始水样，砂7作为终止水样。完成水样的na

、ca
2
、mg
2
、cl-、so
42-、hco
3-的浓度与ph值的输入，选取可能矿物相，进行水文地球化学反向模拟，最终运算的结果选取合适的混合比例如表2所示。从表2可以看出，结果a中砂3占89.13％，太9混入10.84％，结果b中砂3占87.84％，太9混入12.16％。依据该矿井太灰与煤系含水层矿物特点，岩盐含量较少，且存在co2进入含水层，故确定结果a作为混合最终比例。
[0052]
表3
[0053][0054]
根据表4，选取灰岩水与四含水的水化学数据，分别为太10、四1和四2，其中，四1和太10作为初始水样，四2作为终止水样。完成水样的na

、ca
2
、mg
2
、cl-、so
42-、hco
3-的浓度与ph值的输入，并选取可能矿物相，进行水文地球化学反向模拟结果，最终运算的结果选取合适的结果如表2所示。从表2可以看出，结果a中太10占13.11％，四1占78.84％；结果b与结果a略有差异，太10占31.98％，四1占60.19％。依据该矿井太灰含水层含有方解石和白云石等碳酸盐矿物的特点，故选结果b作为混合最终比例。
[0055]
表4
[0056][0057]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。