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CN115201439A - 一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法 - Google Patents

一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法 Download PDF

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CN115201439A
CN115201439A CN202210926631.0A CN202210926631A CN115201439A CN 115201439 A CN115201439 A CN 115201439A CN 202210926631 A CN202210926631 A CN 202210926631A CN 115201439 A CN115201439 A CN 115201439A
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CN
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karst
goaf
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aquifer
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CN202210926631.0A
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邢立亭
邢学睿
张凤娟
王立艳
曹杰
窦舒畅
赵洋洋
邓兴
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Shandong Zhengyuan Geological Resources Exploration Co ltd
University of Jinan
Original Assignee
Shandong Zhengyuan Geological Resources Exploration Co ltd
University of Jinan
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，涉及水文地质学技术领域。该方法通过：①对于煤系地层、岩溶水、采空区，分别进行水位监测确定压力水头，测定地下水SO4 2‑、pH、电导率的背景值用于判别岩溶含水层污染趋势及串层阈值；②确定地下水系统不同时间水动力特征及水化学特征，确定地下水系统排泄量的化学组成；③确定地下水流向，求取水文地质参数，判断含水层的水力联系；④分析断裂带活化以及冒裂带的产生，查找潜在串层污染通道；⑤进行串层污染预警，有效降低了监测与预警的成本，实现了采空区岩溶水串层污染的高效、全面的识别与预警。

Description

一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法
技术领域
本发明涉及水文地质学技术领域，具体地说是一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法。
背景技术
华北型煤田是指下部为奥陶纪灰岩，上部为石炭二叠纪砂页岩煤层的地层组合。煤矿在开采过程中会形成矿井污废水，因为我们的生活用水要取用下部的奥陶纪灰岩中的水，因此位于上部煤矿采空区内的污废水很容易下渗到奥陶纪灰岩内，污染优质的地下水，发生串层污染。
可以预见煤田地下水串层污染是未来影响饮用水安全的重大隐患，前人对地下水污染识别都是采用钻孔水样的提取测试，可分为孔内定深取样测试以及孔内间断自动取样两种方式，两种方法都要先施工钻孔再孔内采样，通过实测数据判别串层污染。虽然孔内采样可以准确监测串层污染的发生，但两种方法适用性较低，属于被动的识别，监测成本与维护成本较高，且无法及时预测串层污染的发生。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，该方法有效降低了监测与预警的成本，实现了采空区岩溶水串层污染的高效、全面的识别与预警。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，包括以下步骤，
第一，布置监测点，对待测矿区的水位进行统测，并根据统测的水位数据编制地下水流场图，判断待测矿区地下水大致流向；
第二，进行示踪试验和抽水试验，确定地下水流向、水文地质参数和含水层水力联系；
第三，污染识别与预测；
3.1在矿区上游布置用于对岩溶水进行取样的对照取样点；
3.2分别对煤系地层、岩溶水和采空区进行采样，获取SO4 2-、pH、电导率的背景值；
3.3将步骤3.2中岩溶水的检测结果与步骤3.1中对照取样点的岩溶水检测结果对比，若步骤3.2中采取的地下水的检测结果高于步骤3.1中对照取样点的岩溶水检测结果，则加密布设取样点，并进行取样监测；
3.4依据步骤3.2和步骤3.3中测得的背景值监测结果：
3.4.1若岩溶水出现了与矿坑水相似的背景值特征，则可能发生串层污染，在步骤7.8进行数值模拟过程中，将监测得到的采空区中矿坑水的SO4 2-浓度作为初始浓度进行串层污染预测；
3.4.2若岩溶水的背景值未检测出与矿坑水相似的特征，则采用水质污染综合指数结合Spearman秩相关系数法来分析水质变化趋势；
第四，进行不同深度孔内观测，获取地下水系统的水动力特征和水化学特征；
第五，观测溢出点水质、流量，获得地下水系统排泄量的水化学组成。
第六，分析断裂带活化和冒裂带发育高度，查找潜在污染通道。
6.1通过采用灰色关联度分析，来确定待测矿区断裂带活化的影响因素。
6.2对于灰色关联度排序前1/2的影响因素进行spss主成分分析法，据此分析待测矿区断裂带活化规律，分析待测矿区断裂带可能活化的区域；
6.3根据步骤6.2中得到的可能活化的断裂带区域，进一步确定该断裂是否活化；
6.4采用经验公式运用数值模拟的方法对待测矿区进行冒裂带发育高度的预测；
第七，串层污染预警；
7.1根据区域地质结构和水文地质条件建立数值模拟模型；
7.2根据步骤7.1中建立的数值模拟模型，结合待测区域地质结构和水文地质条件建立概念模型，并概化含水层和边界条件；
7.3结合研究区的地下水统测资料和长期观测孔资料，考虑地下水的年内和年际变化，确定模型识别时段；
7.4依据参数分区原则及间接求参数，利用模型识别时段内的历史序列资料对模型参数进行调试；
7.5根据模拟区水位观测点的分布情况及观测资料的连续性，确定模型检验时段，且所述的模型检验时段与模型识别时段不存在重叠；
7.6利用步骤7.4得到的模型，对模型检验时段内的水位动态过程曲线进行模拟，得到模型检验时段内的水位动态过程模拟曲线；
7.7将步骤7.6中得到的模型检验时段内的水位动态过程模拟曲线与模型检验时段内实测的水位动态过程曲线拟合，从而对步骤7.4中得到的数值模拟模型进行验证；
7.8利用步骤7.7得到的数值模拟模型建立溶质运移模型；
7.9利用步骤7.8得到的溶质运移模型对硫酸根离子进行模拟，并利用观测孔的模拟数据和步骤7.3中模型识别时段的历史序列资料对溶质运移模型的参数进行调试；
7.10利用步骤7.9得到的溶质运移模型对硫酸根离子进行模拟，将观测孔的模拟数据与步骤7.5中模型检验时段的历史序列资料进行对比，从而对步骤7.9得到的溶质运移模型进行验证；
7.11根据现有降雨和开采数据对待测区地下水流场变化进行模拟预测。
进一步地，第二步包括以下步骤，
2.1进行示踪试验，确定地下水流向；
2.2求取各个含水层导水系数T、渗透系数K和储水系数S；
2.3判断含水层之间的水力联系；
2.3.1根据步骤2.1确定的地下水流向，在抽水层布置抽水井，在目的含水层布置目的含水层观测孔；
2.3.2进行稳定流抽水试验，获得目的含水层观测孔的地下水位降深S0；
2.3.3根据目的含水层观测孔的平面位置，计算该位置上抽水层的地下水位降深Sp；
2.3.4将步骤2.3.2中获得的目的含水层观测孔的地下水位降深S0和步骤2.3.3中获得的该位置上抽水层的地下水位降深Sp相除得到一个比值，通过该比值大小可以定量评价抽水层和目的含水层之间的水力联系。
进一步地，步骤2.3中，当进行多次抽水试验时，应采用抽水井最大降深时的数据计算抽水层的地下水降深Sp。
进一步地，在布置抽水井时，所述的抽水井应远离含水层的透水、隔水边界，尽量布置在含水层的导水及储水性质、补给条件、厚度和岩性条件有代表性的地方，且所述抽水井附近的排水条件应较好。
进一步地，第一步中，在岩溶大水矿山、岩溶塌陷易发区、地下水漏斗分布区、地下水动态变化较大及补给条件复杂的地区加密监测点。
进一步地，第一步中，在进行分层监测时，所检测的含水层应涵盖煤系地层、采空区和岩溶水。
进一步地，第四步包括以下步骤，
4.1在地下水流场方向上、采空区和裸露在地表的地层分界线的两侧布置观测点，并进行孔内观测，绘制电导率随深度的变化曲线；
4.2根据步骤4.1的监测结果，分析电导率发生突变的点的深度，并根据电导率突变点，采集指定深度的水样，检测pH、SO4 2-浓度和TDS，结合Piper三线图来研究矿区的地下水化学类型及区域特征。
进一步地，步骤3.2中，在布置采空区取样点时，位于相同水文地质单元的采空区，按照每10km2布设4-6个取样点的密度布置取样点，位于不同水文地质单元的采空区内，每个单元均按照每10km2布设3-4个取样点的密度布置取样点，其中，在矿坑排水口按排水量大小布置取样点3-5个，在各采空区的地下水溢出点布设取样点2-6个；
在布置煤系地层取样点时，矿区范围内地下水多含水层系统按照每10km2布置2-6个取样点的密度布置取样点，其中，在矿区内及导水断裂两侧分别布置取样点2-6个；
在布置岩溶水取样点时，在地下水与地表水水力联系密切处布设取样点2-6个，沿地下水流向，在采空区的下游及两侧分别布设至少一个取样点。
本发明的有益效果是：
1、地下水污染治理与修复难度困难，甚至有人提出了地下水污染修复不可达性，也就是说有些污染在我们的生命周期内是无法修复的，因此预警污染远比被动的识别污染更为紧迫。本方法不仅能够主动识别串层污染，还能够对未来污染的发展趋势进行预警，为准确补救提供科学的依据。
2、该方法有效降低了监测与预警的成本，能够实现了采空区岩溶水串层污染的高效、全面的识别与预警。
附图说明
图1为本方法的技术流程图；
图2为鲁中南盆地矿区监测点布设图；
图3为水力联系通道示意图；
图4为鲁中南盆地模拟区的三维图；
图5为鲁中南盆地模拟区的剖面图；
图6为鲁中南盆地模拟区的边界条件图；
图7为5年后模拟区岩溶水流场图；
图8为5年后模拟区岩溶水中SO4 2-离子浓度分布等值线；
图9为5年后模拟区岩溶水中SO4 2-离子浓度分布剖面图；
图10为20年后模拟区岩溶水流场图；
图11为20年后模拟区岩溶水中SO4 2-离子浓度分布等值线；
图12为20年后模拟区岩溶水SO4 2-离子浓度分布剖面等值线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下以鲁中南某盆地为例，对本发明技术方案做进一步的详细说明。
一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，包括以下步骤：
第一，布置监测点，对待测矿区的水位进行统测，并根据统测的水位数据编制地下水流场图，通过对流场的分析，判断待测矿区地下水大致流向。
作为一种具体实施方式，本实施例中在地下水与地表水水力联系密切处布设水位监测点2-6个；在各采空区的地下水溢出点布设水位监测点2-6个；矿区范围内地下水多含水层系统每10km2布置2-6个水位监测点；在矿区内及导水断裂两侧分别布置水位监测点2-6个。
进一步地，岩溶大水矿山、岩溶塌陷易发区、地下水漏斗分布区、地下水动态变化较大及补给条件复杂的地区适当加密监测点。
在上述监测点中，其中位于矿区上游及矿区边界的监测点的监测频率为12次/年，位于矿区下游的监测点的监测频率为24次/年，位于矿区内部的监测点的监测频率为36次/年。根据监测数据对于水位变幅较大的监测点采用自动监测。其余采用人工监测，且两侧两次监测时间间隔相同。在水位监测过程中，水位的测量精度不得低于1mm。
进一步地，在进行分层监测时，所检测的含水层应涵盖煤系地层、采空区和岩溶水。即在钻孔过程中，通过将滤水管放置在目标层位，分别监测煤系地层、采空区和岩溶水水位，实现水位的分层监测。
通过上述方式，实现了对待测矿区水位的统测，不仅能够为待测矿区数学模型的计算提供数据，还可以根据统测的水位数据编制某一时间内的地下水流场图，通过对流场的分析，判断待测矿区地下水大致流向，为下一步的示踪试验点位的选择提供依据。同时还可依据流场分析地下水降落漏斗的形成及位置，初步判断串层污染的发生及串层位置，从而反向检验待测矿区模型预测结果的可靠性。
以鲁中南某盆地为例，目前有多处矿区在鲁中南盆地，其中最大的矿区面积约为10km2，依据上述要求结合鲁中南该盆地实际情况，布设监测点如图2所示，图中部分水位监测点亦可用作水质监测点。
第二，进行示踪试验和抽水试验，确定地下水流向、水文地质参数和含水层水力联系。
2.1进行示踪试验，确定地下水流向。
依据第一步得到的地下水可能的流向，选择投源点及监测点，对监测点进行监测时，取样顺序由近及远，且根据监测结果可适当加密监测频率。
在这里，选择示踪剂必须考虑：①示踪剂对地下水质没有太大影响；②容易检出，检测的灵敏度要高；③在一定时间内稳定，不易被岩石吸附和过滤。
进一步地，为确定待测矿区的地下水流向，本实施例采用瞬时注入法进行投源，即将已知量的示踪剂在最短的时间内投入投源水中。通过持续观测或持续水样测试分析建立浓度—时间穿透曲线，根据曲线形态反映水流通道的结构：单一峰值表明存在单一管道；多峰值曲线表明可能存在多个水流通道，示踪剂经过管道时直接进入储存位置，储存部分为死端空洞或串联空洞，这些位置储存的示踪剂受变化的水流驱动，导致示踪剂的突然消失或自然出现。根据上述情况进一步精细刻画待测矿区地下水流向。
2.2求取各个含水层导水系数T、渗透系数K和储水系数S。
2.2.1根据步骤2.1确定的地下水流向，在某一含水层布置抽水井和观测孔。布置观测孔时，对于均质含水层，在垂直于地下水流向及上、下游各布置1-3个观测孔；对于非均质含水层，沿着不同储水、导水性质的方向分别布置1-3个观测孔；对于裂隙或岩溶裂隙，在富水段、地下水上下游和富水性弱的地段分别布置1-3个观测孔。
2.2.2以定流量进行非稳定流抽水，并观测至水位恢复，获取水位观测孔降深及对应的时间数据，通过对井函数的简化可得下述公式:
Y＝ts
Figure BDA0003779903930000081
Figure BDA0003779903930000082
Figure BDA0003779903930000083
2.2.3以Y为纵坐标、X为横坐标绘制Y＝AX+B直线，其中A为斜率、B为截距，据此得出A、B的值，则可得：
Figure BDA0003779903930000084
Figure BDA0003779903930000085
Figure BDA0003779903930000086
式中：T为导水系数，(L2T-1)；
s为观测井水位降深，(L)；
r为观测孔至抽水井距离，(L)；
t为观测井水位下降对应的时间，(T)；
M为有效含水层厚度，(L)；
Q为抽水流量，(L3T-1)；
tp为停止抽水之前的抽水持续时间，(T)；
S为储水系数；
K为渗透系数，(LT-1)。
根据上述方法可求解待测矿区某一含水层的导水系数T、储水系数S和渗透系数K。
2.2.4重复步骤2.2.1-2.2.3，确定待测矿区内各个含水层的导水系数T、储水系数S和渗透系数K，为煤田采空区串层污染预警提供数据来源。
2.3判断含水层之间的水力联系。
2.3.1根据步骤2.1确定的地下水流向，在抽水层布置抽水井，在目的含水层布置目的含水层观测孔，在布置目的含水层观测孔时，对于均质含水层，在垂直于地下水流向及上、下游各布置1-3个目的含水层观测孔；对于非均质含水层，沿着不同储水、导水性质的方向分别布置1-3个目的含水层观测孔；对于裂隙或岩溶裂隙，在富水段、地下水上下游和富水性弱的地段分别布置1-3目的含水层观测孔。
2.3.2进行稳定流抽水试验，如图3所示，获得目的含水层观测孔的地下水位降深S0。
2.3.3根据目的含水层观测孔的平面位置，计算该位置上抽水层的地下水位降深Sp，计算公式为：
Figure BDA0003779903930000091
式中：Q抽水井水量，(L3T-1)；
M为抽水层厚度，(L)；
Sp为该位置上抽水层的地下水位降深，(L)；
r1为抽水井半径，(L)；
rw为抽水井与观测孔平面距离，(L)；
K为抽水层的渗透系数，(L)；该参数已在步骤2.2中获得。
2.3.4将步骤2.3.2中获得的目的含水层观测孔的地下水位降深S0和步骤2.3.3中获得的该位置上抽水层的地下水位降深Sp相除得到一个比值，通过该比值大小可以定量评价抽水层和目的含水层之间的水力联系。水力联系系数计算公式如下：
Figure BDA0003779903930000101
式中：S0为目的含水层观测孔的水位降深，(L)；
Sp为该位置上抽水层的水位降深，(L)。
在这里，抽水层与目的含水层可以是同一含水层，也可以是不同含水层。当为同一含水层时，水力联系系数可以反映该含水层不同方向、不同距离钻孔之间的水力联系；当为不同含水层时，水力联系系数可以反映抽水层与目的含水层之间的垂向水力联系。另外，当进行多次降深抽水试验时，应采用抽水井最大降深时的数据计算该位置上抽水层的地下水降深Sp。
根据上述公式求出水力联系系数C，其中C值越接近于0表明含水层之间水力联系越弱，C值越接近于1表明含水层之间水力联系越强。根据上述方法能有效判断采空区、煤系地层、岩溶水之间的垂向水力联系，存在着水力联系的两个含水层之间可能发生水质交换，从而造成串层污染。
进一步地，步骤2.2.1和步骤2.3.1中，在布置抽水井时，所述的抽水井应远离含水层的透水、隔水边界，且尽量布置在含水层的导水及储水性质、补给条件、厚度和岩性条件有代表性的地方。在这里，可以利用已有的观测井作为抽水井，且所述抽水井附近的排水条件应较好，即抽出的水能无渗漏地排到抽水井影响半径之外。
进一步地，进行抽水试验前，应对最大水位降深时对应的出水量进行估算，以便选择合适的水泵。其最大出水量，可根据同一含水层中已有水井的出水量推测，或根据含水层的经验渗透系数值和设计水位降深推算，也可根据洗井时的水量来确定。
进一步地，步骤2.2.2中，抽水试验开始后应同时观测抽水井水位、出水量和各观测孔的水位。水位观测时间一般在抽水开始后的第1分钟，3分钟，5分钟，7分钟，10分钟，15分钟，20分钟，30分钟，45分钟，60分钟和90分钟各测1次，以后每隔30min观测1次，5h后，每1h观测1次，水位读数精确到厘米。从停抽时刻起，以上述抽水过程的时间间隔进行水位恢复观测，直到水位恢复到自然水位为止。步骤2.3.2中，目的含水层观测孔的水位一般为30min观测一次，根据其水位响应时间可适当加密。
第三，污染识别与预测。
3.1在矿区上游布置用于对岩溶水进行取样的对照取样点，作为一种具体实施方式，本实施例中在每个矿区的上游布设水质本底值监测点2-4个。
3.2分别对煤系地层、岩溶水和采空区进行采样，获取SO4 2-、pH、电导率的背景值。
采空区取样点的布置：位于相同水文地质单元的采空区，按照每10km2布设4-6个取样点的密度布置取样点；位于不同水文地质单元的采空区内，每个单元均按照每10km2布设3-4个取样点的密度布置取样点。其中，在矿坑排水口按排水量大小布置取样点3-5个；在各采空区的地下水溢出点布设取样点2-6个。
煤系地层取样点的布置：矿区范围内地下水多含水层系统按照每10km2布置2-6个取样点的密度布置取样点。其中，在矿区内及导水断裂两侧分别布置取样点2-6个。
岩溶水取样点的布置：在地下水与地表水水力联系密切处布设取样点2-6个；沿地下水流向，在采空区的下游及两侧分别布设至少一个取样点。
3.3将步骤3.2中岩溶水的检测结果与步骤3.1中对照取样点的岩溶水检测结果对比，若步骤3.2中采取的地下水的检测结果高于步骤3.1中对照取样点的岩溶水检测结果，则加密布设取样点，并进行取样监测。
3.4推测发生串层污染的可能性。
采空区内的矿坑水表现出高电导率、微酸性及高SO4 2-浓度的特征，依据步骤3.2和步骤3.3中测得的背景值监测结果：
3.4.1若岩溶水出现了与矿坑水相似的背景值特征，则发生串层污染，在步骤7.8进行数值模拟过程中，将监测得到的采空区中矿坑水的SO4 2-浓度作为初始浓度进行串层污染预测。
3.4.2若岩溶水的背景值未检测出与矿坑水相似的特征，则引用Spearman秩相关系数法来预测水质变化趋势。
对取样点进行监测，监测时序为Y1，Y2，……Yn，对应的SO4 2-浓度值为C1，C2，……Cn，按浓度大小依次排序的序号Xi，通过下述公式计算这组值的秩相关系数rs：
Figure BDA0003779903930000121
di＝Xi-Yi
式中，di为变量Xi和Yi的差值；
Xi为周期i到N按浓度从小到大排列的序号；
Yi为时间排序的序号，
N为时间周期。
采用水质污染综合指数结合Spearman秩相关系数法来分析水质变化趋势，水质污染综合指数计算公式为：
Figure BDA0003779903930000122
式中，Ci为水质因子实测含量，(ML-3)；
Coi为水质因子的地下水饮用水最高允许标准，(ML-3)。
采用秩相关系数对地下水污染综合指数的变化作趋势分析，从而确定地下水水质变化趋势。将秩相关系数rs的绝对值同Spearman秩相关系数统计表中的临界值wp相比较。
如果|rs|≥wp(95％的可信度)，且rs是负值，则表明变化趋势有显著意义，污染呈下降趋势，水质呈好转趋势；
如果|rs|≥wp(95％的可信度)，且rs是正值，表明变化趋势有显著意义，污染呈上升趋势，水质呈恶化趋势；
如果|rs|<wp，表明水质无明显变化，基本保持稳定。
若预测结果显示岩溶水水质恶化，即SO4 2-浓度变化显示出与矿坑水相同的变化趋势，也可作为判断串层污染发生的依据。根据上述预测结果检验步骤7.8中模型可靠性，同时也可作为串层污染提前防治的依据。
第四，进行不同深度孔内观测，获取地下水系统的水动力特征和水化学特征。
4.1沿地下水流场方向上在采空区、煤系地层和奥陶纪地层分别布置观测点，并进行孔内观测，绘制电导率随深度的变化曲线。
其中位于采空区内的观测点的监测频率为五天一次，其余观测点的监测频率为十天一次。
进一步地，在丰水期、枯水期及雨季适当加密监测频率。
观测时，在仪器的线缆上每隔一米标注一次，据此下放仪器，每下放五米，待数据稳定一分钟，记录一次数据。在地层分界线两侧和采空区内的观测点，加密监测，改为每下放两米记录一次数据。
4.2根据步骤4.1的监测结果，分析电导率发生突变的点的深度，并根据电导率突变点，采集指定深度的水样，检测pH、SO4 2-浓度和TDS，结合Piper三线图来研究矿区的地下水化学类型及区域特征。
第五，观测溢出点水质、流量，获得地下水系统排泄量的水化学组成。
矿区溢出点主要分为矿坑水溢出及岩溶水溢出，通过实地勘察，寻找废弃矿井的溢出点，并对该溢出点进行取样监测，取得样品进行简分析测定地下水系统排泄量的化学成分。分析的项目包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4 +、Cl-、SO4 2-、HCO3 3-、CO3 2-、OH-、F-、NO2 -、NO3 -、总硬度、溶解性固体、pH，通过舒卡列夫分类法判断其水化学类型，阴阳离子及总溶解性固体检测精度为0.01mg/L，总硬度检测精度检测为0.01mg/L。
其中，对于部分出水量较大的溢出点，监测频率为一天一次，必要时2个小时观测一次。
根据对溢出点水样的检测结果，对水质变化较大的溢出点加密监测，频率为两天一次。
其余溢出点的监测频率为10天一次，且在丰、枯水期及雨季加密监测。
第六，分析断裂带活化和冒裂带发育高度，查找潜在污染通道。
6.1通过采用灰色关联度分析，来确定待测矿区断裂带活化的影响因素。
关联结果的得出需先求出关联系数：
Figure BDA0003779903930000141
式中，Loi(k)为关联度系数；
Δoi(k)为k时刻两序列的绝对差；
Δmin为绝对差最小值；
Δmax为最大值；
ρ为分辨系数。
关联系数反映两序列在某一时刻的紧密程度，范围在0-1之间，进而计算灰色关联度，公式如下：
Figure BDA0003779903930000142
式中，roi为灰色关联度，范围为0-1；
N为序列个数。
其中roi越接近1说明两者关联度越高，最终得出各影响因素的灰色关联度。
6.2对于灰色关联度排序前1/2的影响因素进行spss主成分分析法，方差及相关系数越趋近于1的因素对于断裂带活化的影响因素越高，据此分析待测矿区断裂带活化规律，分析待测矿区断裂带可能活化的区域。
6.3根据步骤6.2中得到的可能活化的断裂带区域，进一步确定该断裂是否活化。
断裂活化的具体确认方法需通过巷道内观测，对于穿过断裂带的巷道在断裂带两侧巷道内部钻孔测定其排水量及水质变化情况，监测频率为五天一次，依据对于待测矿区巷道排水量及水质变化情况判断巷道是否发生突水，进一步确认断裂带是否活化。
6.4冒裂带发育高度不仅与开采厚度有关,而且与开采面积、覆岩岩性、煤层倾角、采煤方法等多种因素有关。根据这些因素采用前人总结的经验公式进行冒裂带发育高度的预测，不同情景下适用的经验公式如下：
煤层倾角0-54°，岩石饱和单轴抗压强度40-80Mpa：
Figure BDA0003779903930000151
煤层倾角0-54°，岩石饱和单轴抗压强度20-40Mpa：
Figure BDA0003779903930000152
煤层倾角0-54°，岩石饱和单轴抗压强度10-20Mpa：
Figure BDA0003779903930000153
煤层倾角0-54°，岩石饱和单轴抗压强度小于10Mpa：
Figure BDA0003779903930000154
煤层倾角55-90°，岩石饱和单轴抗压强度10-80Mpa：
Hm＝(0.4-0.5)Hli
其中∑M为累计采厚，(L)；其单层采厚为1-3m，累计采厚不超过15m。
上述方法能有效的判断断裂带的活化及冒裂带的产生，矿坑水串层污染岩溶水，必须有一定的通道将二者沟通，构成所谓的污染通道，其中的污染通道就包括发生活化的断裂带及冒裂带。通过上述第一、四、五步的分析，若岩溶水已受污染或矿坑水水位偏低且补给、排泄条件对岩溶水影响不明显，则确定该断裂带、冒裂带为潜在的串层污染通道。识别污染通道，可作为串层污染数值模型识别的依据，同时可根据潜在的污染通道采用注浆的方式治理串层污染。
第七，不同情景串层污染预警
7.1根据区域地质结构和水文地质条件建立数值模拟模型。
(1)当待测区含水层为等厚均质含水层、边界处为隔水边界或已知水头且无垂向的补给与排泄时，可以采用一维稳定流公式，利用解析解对照数值解法进行检验和比较，并用解析解去拟合观测资料以求得水动力系数，一维地下水流方程为：
Figure BDA0003779903930000161
式中，Kx为x方向上的渗透系数，(LT-1)；
S为储水系数；
H为水头高度，(L)。
一维弥散方程为：
Figure BDA0003779903930000162
式中，c(x,t)为溶质溶解的浓度，(ML-3)；
Dx为纵向弥散系数，Dx＝αLvx,(L2T-1)；
αL为纵向弥散度,(L)；
Vx为渗流速度，(LT-1)；
t为模拟的总时间，(T)。
一维弥散方程解析解为：
Figure BDA0003779903930000171
(2)当待测区地下水流向以水平流为主，含水层可概化为底部为隔水边界的非均质各向异性承压含水层，且忽略垂向上的水量交换时，可以采用二维非稳定流公式，利用数值法进行求解，二维地下水流方程为：
Figure BDA0003779903930000172
式中：T为主方向上的导水系数,(L2T-1)；
S为储水系数；
H为水头高度，(L)。
二维弥散方程为：
Figure BDA0003779903930000173
式中：C为溶液中溶质浓度，(ML-3)；
t为时间变量，(T)；
Dxx、Dxy、Dyy为各方向上的弥散系数，(L2T-1)；
Vx、Vy为x和y方向上的实际流速，(LT-1)；
f为源汇项，(L3T-1)。
(3)当待测区可概化为多层垂向非均质含水层，水文地质条件相对复杂且包含多种类型的边界条件及源汇项时，可采用三维非稳定流公式，利用有限元或有限差分法进行求解，三维地下水流方程为：
Figure BDA0003779903930000174
式中：Kxx、Kyy、Kzz分别为各向异性介质的主渗透系数，(LT-1)；
SS为储水系数；
H为水头高度，(L)；
W为源汇项，(L3T-1)。
三维弥散方程为：
Figure BDA0003779903930000181
式中：Ck为溶质k在地下水中的浓度，(ML-3)；
n为孔隙度；
Dij为弥散系数，(L2T-1)；
∑Rn为源汇项，(L3T-1)；
Cks为物质k源汇项的浓度，(ML-3)；
qs为含水层中流体单位体积的过流量，(L3T-1)；
vi为渗流速率，(LT-1)。
作为一种具体实施方式，本实施例中，盆地内煤炭开采历史悠长，有多层采空区及多个含水岩组，水位地质条件复杂，包括：第四系松散岩类孔隙含水岩组、煤系地层上覆地层碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、多层石炭-二叠系裂隙水含水岩组、多层煤层中的老窿及巷道充水岩组即煤系地层含水岩组、寒武-奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组。因此采用三维数值模型进行计算，给出该区数学模型定解如下：
三维非稳定流模型：
Figure BDA0003779903930000182
式中：Ω为模拟区；
Γ2为模拟区流量边界。
Kxx、Kyy、Kzz分别为各向异性介质的主渗透系数，(LT-1)；
H为水头高度，(L)。
溶质运移模型：
Figure BDA0003779903930000191
式中：Ck为溶质k在地下水中的浓度，(ML-3)；
n为孔隙度；
Dij为弥散系数，(L2T-1)；
∑Rn为源汇项，(L3T-1)；
Cks为物质k源汇项的浓度(ML-3)；
qs为含水层中流体单位体积的过流量，(L3T-1)；
vi为渗流速率，(LT-1)。
C0为源汇项的浓度，(ML-3)；
Γ2模拟区边界；
C2(x，y，z)为第二类边界上的已知浓度，(ML-3)。
7.2根据步骤7.1中建立的数值模拟模型，结合待测区域地质结构和水文地质条件建立概念模型，并概化含水层和边界条件。
作为一种具体实施方式，由于步骤7.1中陶枣盆地的数值模拟模型采用三维非稳定流模型进行计算，因此含水层概化及边界条件概化结果如图4、图5和图6所示。
7.3结合研究区的地下水统测资料和长期观测孔资料，考虑地下水的年内和年际变化，确定模型识别时段。
作为一种具体实施方式，本实施例确定的模型识别时段为2010/6/1至2017/12/31，共2770天。每个月为一个应力期，共91个应力期。同一应力期内地下水系统补排项保持不变，每个应力期1个时间步长。
7.4依据参数分区原则及间接求参数，利用模型识别时段内的历史序列资料对模型参数进行调试。
即根据模型识别时段内各观测孔的观测值，反复修改参数(包括渗透系数、给水度、储水系数等)和调整源汇项进行拟合，从而实现对水文地质参数和一些源汇项的反演。
7.5根据模拟区水位观测点的分布情况及观测资料的连续性，确定模型检验时段，且所述的模型检验时段与模型识别时段不存在重叠。
作为一种具体实施方式，本实施例确定的模型检验时段为2018年1月1日至2020年12月31日。
7.6利用步骤7.4得到的模型，对模型检验时段内的水位动态过程曲线进行模拟，得到模型检验时段内的水位动态过程模拟曲线。
7.7将步骤7.6中得到的模型检验时段内的水位动态过程模拟曲线与模型检验时段内实测的水位动态过程曲线拟合，从而对步骤7.4中得到的数值模拟模型进行验证。
若二者的拟合程度高，则说明步骤7.4中得到的数值模拟模型是准确的；若二者的拟合程度低，则重复步骤7.3-7.7，直至得到准确的数值模拟模型。
7.8利用步骤7.7得到的数值模拟模型建立溶质运移模型。
本实施例中，鲁中南该盆地矿坑水的污染物以硫酸盐为主，故以硫酸根离子进行溶质运移模拟。在模拟区中确定污染源位置、污染物硫酸根离子浓度、预测串层污染位置，分别赋予不同的初始浓度、背景值、总孔隙度、固定孔隙度、弥散系数。
7.9溶质运移模型的识别
利用步骤7.8得到的溶质运移模型对硫酸根离子进行模拟，并利用观测孔的模拟数据和步骤7.3中模型识别时段的历史序列资料对溶质运移模型的参数进行调试。
7.10溶质运移模型的检验
利用步骤7.9得到的溶质运移模型对硫酸根离子进行模拟，将观测孔的模拟数据与步骤7.5中模型检验时段的历史序列资料进行对比，从而对步骤7.9得到的溶质运移模型进行验证。
若观测孔的模拟数据与模型检验时段的历史序列资料接近，则说明步骤7.9中得到的溶质运移模型是准确的；若观测孔的模拟数据与模型检验时段的历史序列资料不接近，则重复步骤7.9-7.10，直至步骤7.9和7.10中溶质运移模型的拟合结果均符合要求，即得到最终的溶质运移模型。
7.11根据现有降雨和开采数据对待测区地下水流场变化进行模拟预测。
作为一种具体实施方式，本实施例对鲁中南该盆地5年后与20年后的地下水流场和硫酸根离子浓度场变化进行模拟预测。根据已建立的数值模拟模型，对待测区硫酸根离子浓度进行5年与20年的模拟预测。
(1)5年后模拟区地下水流场及硫酸根浓度变化(图7、图8、图9)，东城生活水源地岩溶水受上覆煤矿采空区矿坑水串层影响，地下水中硫酸根离子浓度逐渐增大至127mg/L，西北的北-刘一带硫酸根离子浓度最大754mg/L。
(2)20年后模拟区地下水流场及硫酸根浓度变化(图10、图11、图12)，东城生活水源地岩溶水受上覆煤矿采空区老坑水串层影响，地下水中硫酸根离子浓度逐渐增大至146mg/L，西北北-刘一带硫酸根离子浓度最大1152mg/L。

Claims (8)

1.一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，其特征在于：包括以下步骤，
第一，布置监测点，对待测矿区的水位进行统测，并根据统测的水位数据编制地下水流场图，判断待测矿区地下水大致流向；
第二，进行示踪实验和抽水试验，确定地下水流向、水文地质参数和含水层水力联系；
第三，污染识别与预测；
3.1在矿区上游布置用于对岩溶水进行取样的对照取样点；
3.2分别对煤系地层、岩溶水和采空区进行采样，获取SO4 2-、pH、电导率的背景值；
3.3将步骤3.2中岩溶水的检测结果与步骤3.1中对照取样点的岩溶水检测结果对比，若步骤3.2中采取的地下水的检测结果高于步骤3.1中对照取样点的岩溶水检测结果，则加密布设取样点，并进行取样监测；
3.4依据步骤3.2和步骤3.3中测得的背景值监测结果：
3.4.1若岩溶水出现了与矿坑水相似的背景值特征，则可能发生串层污染，在步骤7.8进行数值模拟过程中，将监测得到的采空区中矿坑水的SO4 2-浓度作为初始浓度进行串层污染预测；
3.4.2若岩溶水的背景值未检测出与矿坑水相似的特征，则采用水质污染综合指数结合Spearman秩相关系数法来分析水质变化趋势；
第四，进行不同深度孔内观测，获取地下水系统的水动力特征和水化学特征；
第五，观测溢出点水质、流量，获得地下水系统排泄量的水化学组成。
第六，分析断裂带活化和冒裂带发育高度，查找潜在污染通道。
6.1通过采用灰色关联度分析，来确定待测矿区断裂带活化的影响因素。
6.2对于灰色关联度排序前1/2的影响因素进行spss主成分分析法，据此分析待测矿区断裂带活化规律，分析待测矿区断裂带可能活化的区域；
6.3根据步骤6.2中得到的可能活化的断裂带区域，进一步确定该断裂是否活化；
6.4采用经验公式运用数值模拟的方法对待测矿区进行冒裂带发育高度的预测；
第七，串层污染预警；
7.1根据区域地质结构和水文地质条件建立数值模拟模型；
7.2根据步骤7.1中建立的数值模拟模型，结合待测区域地质结构和水文地质条件建立概念模型，并概化含水层和边界条件；
7.3结合研究区的地下水统测资料和长期观测孔资料，考虑地下水的年内和年际变化，确定模型识别时段；
7.4依据参数分区原则及间接求参数，利用模型识别时段内的历史序列资料对模型参数进行调试；
7.5根据模拟区水位观测点的分布情况及观测资料的连续性，确定模型检验时段，且所述的模型检验时段与模型识别时段不存在重叠；
7.6利用步骤7.4得到的模型，对模型检验时段内的水位动态过程曲线进行模拟，得到模型检验时段内的水位动态过程模拟曲线；
7.7将步骤7.6中得到的模型检验时段内的水位动态过程模拟曲线与模型检验时段内实测的水位动态过程曲线拟合，从而对步骤7.4中得到的数值模拟模型进行验证；
7.8利用步骤7.7得到的数值模拟模型建立溶质运移模型；
7.9利用步骤7.8得到的溶质运移模型对硫酸根离子进行模拟，并利用观测孔的模拟数据和步骤7.3中模型识别时段的历史序列资料对溶质运移模型的参数进行调试；
7.10利用步骤7.9得到的溶质运移模型对硫酸根离子进行模拟，将观测孔的模拟数据与步骤7.5中模型检验时段的历史序列资料进行对比，从而对步骤7.9得到的溶质运移模型进行验证；
7.11根据现有降雨和开采数据对待测区地下水流场变化进行模拟预测。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，其特征在于：第二步包括以下步骤，
2.1进行示踪试验，确定地下水流向；
2.2求取各个含水层导水系数T、渗透系数K和储水系数S；
2.3判断含水层之间的水力联系；
2.3.1根据步骤2.1确定的地下水流向，在抽水层布置抽水井，在目的含水层布置目的含水层观测孔；
2.3.2进行稳定流抽水试验，获得目的含水层观测孔的地下水位降深S0；
2.3.3根据目的含水层观测孔的平面位置，计算该位置上抽水层的地下水位降深Sp；
2.3.4将步骤2.3.2中获得的目的含水层观测孔的地下水位降深S0和步骤2.3.3中获得的该位置上抽水层的地下水位降深Sp相除得到一个比值，通过该比值大小可以定量评价抽水层和目的含水层之间的水力联系。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，其特征在于：步骤2.3中，当进行多次抽水试验时，应采用抽水井最大降深时的数据计算抽水层的地下水降深Sp。
4.根据权利要求2所述的一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，其特征在于：在布置抽水井时，所述的抽水井应远离含水层的透水、隔水边界，尽量布置在含水层的导水及储水性质、补给条件、厚度和岩性条件有代表性的地方，且所述抽水井附近的排水条件应较好。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，其特征在于：第一步中，在岩溶大水矿山、岩溶塌陷易发区、地下水漏斗分布区、地下水动态变化较大及补给条件复杂的地区加密监测点。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，其特征在于：第一步中，在进行分层监测时，所检测的含水层应涵盖煤系地层、采空区和岩溶水。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，其特征在于：第四步包括以下步骤，
4.1在地下水流场方向上、采空区和裸露在地表的地层分界线的两侧布置观测点，并进行孔内观测，绘制电导率随深度的变化曲线；
4.2根据步骤4.1的监测结果，分析电导率发生突变的点的深度，并根据电导率突变点，采集指定深度的水样，检测pH、SO4 2-浓度和TDS，结合Piper三线图来研究矿区的地下水化学类型及区域特征。
8.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区岩溶水串层污染识别预警方法，其特征在于：步骤3.2中，在布置采空区取样点时，位于相同水文地质单元的采空区，按照每10km2布设4-6个取样点的密度布置取样点，位于不同水文地质单元的采空区内，每个单元均按照每10km2布设3-4个取样点的密度布置取样点，其中，在矿坑排水口按排水量大小布置取样点3-5个，在各采空区的地下水溢出点布设取样点2-6个；
在布置煤系地层取样点时，矿区范围内地下水多含水层系统按照每10km2布置2-6个取样点的密度布置取样点，其中，在矿区内及导水断裂两侧分别布置取样点2-6个；
在布置岩溶水取样点时，在地下水与地表水水力联系密切处布设取样点2-6个，沿地下水流向，在采空区的下游及两侧分别布设至少一个取样点。
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