海河流域下游潜水水化学特征分析及水文地球化学模拟

海河是天津市重要的河流,为了解海河流域浅层地下水的水文地球化学特征,获取了55组水化学数据,开展离子比例关系、Gibbs图和水文地球化学模拟等相关研究。研究表明,流域附近潜水总体上呈中性或弱碱性水,沿地下水流向,水化学类型由HCO3-Na、HCO3-Na·Ca型过渡到HCO3·Cl-Na→Cl·HCO3-Na→Cl·SO4-Na型,最后过渡到滨海地区的Cl-Na型。研究区潜水化学组分主要受岩石风化控制,也受到一定程度的蒸发浓缩作用,阳离子交换作用是天津市滨海带地下水化学组分形成的重要过程。沿地下水流向,研究区地下水离子组分浓度呈递增趋势,岩盐、白云石和石膏发生溶解,方解石发生沉淀。     

蒙陕接壤区深埋型煤层顶板水文地质及水文地球化学特征

为了弄清蒙陕接壤区深埋型煤层顶板水文地质及水文地球化学特征,利用水文地球化学数据开展了综合研究,结果表明:白垩系志丹群与第四系之间水力联系密切,矿化度较低,属于HCO3-Ca型水,与志丹群底板标高没有相关性。安定组可有效地阻隔上部含水层水对直罗组的补给;大部分矿井主采煤层到安定组顶板距离较大(250 m),导水断裂带不会波及志丹群含水。主采煤层顶板含水层水中矿化度与地层标高呈负相关关系,大部分水样属于深部滞留型的SO_4-Na型水;但榆横北区的几个矿,普遍属于SO_4-Na·Ca型水,Cl/HCO3值也偏小,表明榆横北区上下含水层联系相对较好。     

准格尔矿区酸刺沟煤矿水文地球化学特征研究

为了准确判别酸刺沟煤矿井下各出水点的充水水源,开展了不同含水层水文地球化学特征研究,结果表明:黄河侵蚀下切奥陶寒武地层,黄河东岸以泉的形式排泄补给黄河水,形成SO_4·HCO_3-Na·Ca型或Cl·SO_4-Na·Mg型水;煤层顶底板各层水的水化学特征比较接近,均属于HCO_3-Ca·Mg·Na型水;岩溶地下水通过黄河底部侧向补给黄河西部隐伏奥灰含水层,形成HCO_3·Cl-Ca·Na型水,且奥灰水与黄河水有较密切的水力联系。分层聚类分析取距离阈值3,可以将所有水样分为4大类群,区分出各含水层水。     

顾北煤矿煤系砂岩裂隙水水文地球化学特征及其成因分析

采用水化学测试、统计分析、水文地球化学分析等方法,对顾北煤矿4个主采煤层顶板的76组砂岩水样进行系统研究,查明了各煤层顶板水的水化学作用类型,并对其成因进行了详细分析。研究结果表明:在顾北煤矿煤层埋藏条件和水化学环境控制下,13-1煤层为Cl-Na型,以溶滤和阳离子交替吸附作用为主;11-2煤层为HCO3·Cl-Na型,以溶滤作用为主;6-2煤层为SO4·HCO3-Na型,以脱硫酸和阳离子交替吸附作用为主;1煤层为HCO3·Cl·SO4-Na型,以溶滤溶解作用为主。研究成果可为查清含水层富水性和地下水径流特征提供指导,进而为制订矿山防治水决策提供重要依据。     

顾北矿区地下水化学特征及成因分析

为研究顾北矿区地下水水化学特征及其控制因素,快速准确判别矿区突水水源提供依据。采用常规数理统计、Piper三线图、相关性分析、TDS与各离子关系图、Gibbs图以及离子比例系数6种方法对研究区地下水22个水样进行系统的研究分析。结果表明:研究区内含水层总体上呈弱碱性;阳离子以K~++Na~+为主,阴离子以Cl~-为主,HCO_3~-和SO_4~(2-)次之;新生界下含和煤层顶板砂岩水质类型为Cl-Na+K型,底板砂岩水质类型为Cl·HCO_3~-Na+K型,太灰和奥灰含水层水质类型Cl·HCO_3-Na+K·Ca型和SO_4·HCO_3-Ca型;地下水水化学性质受水岩相互作用的影响。     

潘三矿区地下水化学特征及成因分析

为了研究潘三矿区地下水水化学特征及其成因、快速准确判断巷道突水水源和提前做好防治水工作,对研究区内地下水水样进行取样分析。综合利用常规数理统计、Piper三线图、相关性分析、TDS与各离子变化曲线图、Gibbs图和离子比例系数图来分析地下水水化学的空间分布规律和形成原因。结果表明:各含水层中水质呈弱碱性、TDS值普遍较高,离子变异系数均小于1,且分布比较稳定;井田内阳离子以K~++Na~+为主,阴离子以Cl~-为主,其次是SO_4~(2-),HCO_3~-;区内新生界下含和灰岩含水层中的水化学类型分别为Cl-Na型和Cl-Na型、SO_4·HCO_3·Cl-Ca·Na型,煤系砂岩含水层的水质类型为HCO_3·Cl-K+Na型、Cl-Na型和Cl·SO_4-Na型;最后得出地下水化学成分的形成过程中以蒸发岩溶解作用为主、其次为碳酸盐溶解。     

小屯煤矿无机和有机水化学特征及水源判别研究

为了准确判别小屯煤矿井下突水水源,在小屯矿区开展了无机和有机水化学特征研究。结果表明,研究区内玉龙山灰岩水、长兴灰岩水与第四系水或地表水存在密切水力联系,夜郎组玉龙山段含水层与长兴灰岩含水层之间水力联系密切;大气降水与玉龙山灰岩水联系密切,采空区水与地表、地下水区别较大;大气降水直接补给长兴组灰岩含水层,经含水层涌入矿井,可以根据突水中DOM特征,判别采空区水突水水源。     

滕西平原地下水资源特征的分析与研究

以滕西平原为研究对象,基于监测井数据研究其地质背景和水文地质条件,得出滕西平原地下水资源特征:含水层厚度越大涌水量越大,涌水量的增加趋势与第四系厚度的增加趋势基本一致,补给基本上受大气降水控制,地下水的水化学类型多为HCO3·SO4-Ca型和SO4·HCO3-Ca型,对滕州地区地下水的开发和可持续利用具有一定的指导意义。     

新疆俄霍布拉克煤矿矿井充水因素分析

通过对俄霍布拉克煤矿井田主要含水层水文地质特征及地下水位动态的分析,揭示了各含水层地下水之间及与地表水的水力联系,详细分析了第四系古冲沟富水带在井田内的分布及对矿井开采的影响.     

利用水化学特征识别朱庄煤矿突水水源

通过详述朱庄煤矿造成主采煤层突水的各含水层的水文地质特征,对其中的砂岩含水层和灰岩含水层的水质进行取样分析,利用K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、德国度、TDS等常规测验,分析各含水层之间离子组成的差异、水化学类型的不同,提出离子毫克当量百分比、Piper三线图、Gibbs图等方法,对矿井突水水源进行快速识别。结果表明,这3种方法能够直观、快速、准确地识别朱庄煤矿突水水源。     

采动影响下井田主要充水含水层水化学环境演化分析

为了揭示采动影响下井田主要充水含水层水化学的时空演化规律,运用多元统计学中的主成分分析法对淮北矿区任楼井田不同时期的“四含”、“煤系”、“太灰”与“奥灰”水样的常规水化学数据（K ++Na +,Mg 2+,Ca 2+,Cl -,SO2-4,HCO-3与CO 2-3）进行分析,确定了方差贡献率较大的第一与第二主成分,分别代表“脱硫酸”作用和“硬化”作用,并揭示包含于其中的“咸化”过程,进而得到各主要充水含水层水样主成分得分的时空分布。研究成果表明：任楼井田“四含”水化学环境受控于基岩面,采动影响大;“煤系”水化学环境受断层与岩溶陷落柱控制,采动对其影响不大;“太灰”水化学环境受断层与岩溶陷落柱控制,采动影响大;“奥灰”水流交替快,水化学环境受采动影响小。井田主要充水含水层水化学环境的时空演化除了与自身所处的地质背景有关外,采动是一个不可忽视的影响因素。     

有机-无机联合矿井突水水源判别方法

溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)在随地下水运移过程中,不同含水层水中DOM含量、类别、荧光强度等均存在较明显差异,因此结合无机水化学,开展了有机-无机联合的矿井突水水源判别方法研究,结果表明:地下水中无机组分浓度分布具有垂向分带性,利用pH、矿化度(TDS),HCO3,SO4等无机指标,可以判别浅部含水层和深部含水层水化学特征差异; DOM进入含水层后发生氧化还原反应强烈,其浓度(TOC含量和UV254)变化快、差异大,可以识别地表水与第四系水的水化学特征;第四系与白垩系含水层,以及覆岩破坏范围内的细分含水层,水中无机组分和有机组分含量非常接近,而荧光指纹技术灵敏度高,可以根据3DEEM光谱图分析DOM类型和荧光峰强度等差异,区分相邻含水层的水化学特征差异。陷落柱等地质异常体作为特殊的地质环境体,其内部水体中DOM相对丰富,其DOM含量和荧光指纹特征与奥灰水差异显著。将有机-无机联合开展不同含水层水化学特征分析,能够很好地区分不同水源,为矿井突水事故发生时快速判别水源提供科学依据。     

Impact of Mining Activities on Groundwater Level,Hydrochemistry, and Aquifer Parameters in a Coalfield’s Overburden Aquifer

Changes in groundwater level, hydrochemistry, and aquifer parameters were studied by following disturbances caused by tunnel excavation in a panel in the Ningtiaota coalfield, northwest China. Temporal changes of hydrochemical compositions were evaluated based on time-series hydrochemical data in three boreholes (J2, J13, and SK8). The time series of hydraulic conductivity and specific storage of aquifers were obtained using the water level response to Earth tides and long-term (from 2014 to 2019) hourly recorded water level data. The results showed that the concentrations of Ca²⁺, HCO₃^?, and TDS in groundwater in borehole J2 decreased sharply following underground tunnel excavation and recovered after six months. Back and forth changes also occurred in the hydrochemical types (HCO₃–Ca?→?HCO₃–Ca–Mg?→?HCO₃–Ca). The excavation caused changes in hydraulic conductivity (about 2 order of magnitudes) and groundwater level (about 3.2 m), possibly by unclogging fractures. This in turn caused hydrochemical changes, such as silicate dissolution and calcite precipitation, possibly due to inflow of dilute water from neighboring aquifers. After the disturbance, the concentrations of Ca²⁺, HCO₃^?, and TDS in groundwater gradually recovered as the aquifer and groundwater levels both tended to recover, possibly due to the reclogging of fractures. This study on the coupled evolution of hydrological processes could enhance our understanding of the effects of mining on aquifer systems.

     

南泥湖露天矿区采场水力联系及矿坑涌水量预测

为了查明南泥湖露天矿区采场范围内水力联系及矿坑涌水量,分析了含水层类型及其富水性特征,地下水补给、径流、排泄条件,地下水的基本特征等,基于此,采用长期水文监测、示踪试验及水化学分析等方法,研究了大气降水、地表水、地下水及矿坑涌水之间的水力联系及相互转换关系;并分析了露采矿坑的涌水因素以及预测了露采矿坑涌水量,主要包括矿坑大气降水补给量、地表径流量和地下水补给量。研究为后期水文地质监测以及地质灾害防治提供了技术支持。     

Groundwater Geochemical Variation and Controls in Coal Seams and Overlying Strata in the Shennan Mining Area,Shaanxi, China

Water resource conservation and ecological protection are key coal mining issues in northern Shaanxi Province and the Yellow River Basin. Revealing the characteristics and variation patterns of groundwater quality in the coal series and its overlying aquifers can provide a geological foundation for solving or optimizing these issues. Taking the Zhangjiamao coal mine of the Shennan mining area in northern Shaanxi Province, western China, as an example, water samples were collected for analysis from the: quaternary strata, weathered bedrock, burnt rock, coal series, and coal seam. Test parameters included conventional ion concentrations, total dissolved solids (TDS), and pH. Key water chemistry indicators such as oxidation/reduction index (ORI) and groundwater chemical closure index (GCCI) were used to explain the water quality differences. The Quaternary water, burnt rock water, and weathered bedrock water were dominantly the Ca–HCO₃ type, the coal series water (Yan’an Formation) was dominantly Ca–HCO₃ and Na–Cl types, and the coal seam water was dominantly Na–Cl type. From the shallow groundwater to coal seam water, dissolution and leaching gradually decrease and degree of retention gradually increases. Coal seam water was characterized by high TDS, high GCCI, and low ORI, reflecting a closed hydrogeochemical environment and moderate sulfate reduction. Leaching, salt accumulation, sulfate reduction, and cation exchange jointly control the groundwater chemical characteristics and evolution of the coal series and its overlying aquifers. Salt accumulation and cation exchange reactions of the stagnant coal seam water in the arid and semiarid climates and shallow buried conditions result in increased mineralization; the water quality is vastly different from that of the overlying aquifers, which are dominated by leaching. Groundwater circulation in the coal series and coal seam are of the infiltration–retention type, and the overlying aquifer of the coal series are of the infiltration–runoff type. A comprehensive hydrogeological model was constructed of the Middle Jurassic coal series and its overlying aquifers in the area. The results of this study have implications for the identification of mine water influx sources in the Shennan mining area, and the understanding of controls on the groundwater geochemical variation in Jurassic coal field of western China.

     

辛置煤矿主要含水层的自由排水柱淋滤实验与水岩作用机理

辛置煤矿石炭系太原组K_2灰岩含水层与奥陶系峰峰组O_2f灰岩含水层水质参数相互重叠,利用传统的判别方法无法对这两个水源进行有效判别。为了解决辛置煤矿水源判别的问题,并揭示该矿4个主要含水层的水岩相互作用机理,对辛置煤矿4个主要含水层的岩芯样品进行自由排水柱淋滤实验。研究结果表明:①岩芯样品含有非矿物相的硫酸盐,4个主要含水层地层同样也含有硫酸盐和石膏矿物,造成淋滤液和灰岩含水层水样均富含硫酸根离子;②K_8,K_3,K_2和O_2岩芯淋滤液中SO_4~(2-)离子当量百分比均超过74%,Ca离子当量百分比均超过40%,所有淋滤液对应的水化学类型均为SO_4-Ca型;③所有淋滤液中阴离子含量大小顺序均为:SO_4~(2-)HCO_3~-Cl~-,K_8,K_3,K_2和O_2f岩芯淋滤液中阳离子含量顺序分别为:CaMgKNa,CaNaMgK,CaMgNaK和CaMgKNa;④K_2灰岩岩芯样品和淋滤液中Mo,Sb,U和Sr含量均高于奥陶系O_2f灰岩岩芯样品及其淋滤液,但Fe离子含量分布规律正好相反,该特征可以作为判别K_2和O_2f灰岩含水层的参考因素。辛置煤矿含水层的水化学特征受岩性、埋藏条件、地下水补径排及水动力条件的控制,含水层实际水质比淋滤液更为复杂多变。K_8砂岩含水层和K_3灰岩含水层的水化学类型分别为HCO_3-Na型和SO_4-Na型,与对应的淋滤液水化学类型差异较大;但K_2和O_2f灰岩含水层的实际水化学类型与淋滤液基本一致。二叠系K_8砂岩含水层中主要的水岩相互作用为溶解斜长石为主,部分区域中可能存在少量的硫酸盐溶解反应。太原组K_3灰岩含水层中的水岩相互作用主要为方解石和白云石矿物的溶解,以及部分硫酸盐和钠盐的溶解反应。太原组K_2灰岩含水层和奥陶系峰峰组O_2f灰岩含水层中主要的水岩相互作用均为方解石、白云石和硫酸盐的溶解,以及局部地段的脱硫酸作用。     

皖北桃源矿深部含水层地下水地球化学数理统计分析

为查明皖北桃源煤矿煤系砂岩和灰岩含水层的水文地球化学特征及其主要控制因素,进而为深部水岩相互作用研究和水源识别提供信息,对22个水样品（10个煤系砂岩水、12个太灰水）的常规水化学组成进行了测试,并进行了包括因子、聚类和判别分析在内的多种数理统计以及离子相关性分析。结果表明：煤系砂岩和太灰水在离子含量上存在区别,前者水化学类型为SO4-Na型,而后者为SO4-Ca型。两个含水层的地下水样品化学组成与碳酸盐、硫酸盐及氯盐矿物的溶解以及硅酸盐矿物的风化有关。聚类分析结果表明,桃源矿煤系砂岩含水层部分样品在水化学特征上与太灰含水层相关,表明其可能受到了灰岩含水层的影响。此外,通过判别分析建立了识别煤系砂岩水和太灰水的判别方程,该方程不仅可以用于识别典型的煤系砂岩水和太灰水,也可以用于计算两者混合水的相对比例。     

巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术

陕北侏罗纪煤田榆横矿区(北区)是我国重要的煤炭生产基地,区内大型矿井分布较多,煤层埋藏相对较深,在采掘过程中发现有富水煤层问题。为研究区内煤层富水机理及采掘过程中的水害问题,以巴拉素煤矿2号富水煤层注浆堵水治理工程为例,通过对水文地质条件和地下含水层之间水力联系情况分析,查明了区内各含水层水文地质特征及类型,确定了2号煤层水为立井井筒过煤层段的主要充水水源,并提出了富水煤层注浆治理保障新技术。通过抽水试验、水化学测试,发现区内地下水含水层主要为第四系松散层潜水含水层、白垩系下统洛河组孔隙-裂隙含水层、侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤顶板延安组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤层含水层等。第四系松散潜水含水层和白垩系洛河组孔隙裂隙含水层之间水力联系密切,其他含水层之间均未发现水力联系。根据现场实际及多次实践,确定以"引流注浆、帷幕封堵"为总体思路,运用"井下打钻,地面拌浆,管道输送,高压灌注"的方法,完成2号煤层富水区段的封堵。研究及实践结果表明:通过多种材料结合、钻探注浆等组合工艺实施后,在副立井井筒马头门煤层揭露区段及待掘巷道周围形成了有效的止水帷幕,将掘进巷道与富水煤层隔开,最大程度地减小井筒涌水量,超出预期目标完成注浆堵水任务,副立井井筒总涌水量由最初的150 m~3/h(最高200 m~3/h)衰减至竣工时的11 m~3/h,注浆堵水率约为93%,实现了对富水煤层大量出水有效封堵的目的。