儲明熙，黨寶全，王瑋，錢家忠
(1.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230009；
2.淮南礦業集團有限責任公司，安徽淮南 232001)
煤炭在現階段仍然占中國一次性能源消耗的50%以上[1-2]，在我國經濟發展和社會建設中仍然發揮著不可取代的作用。煤礦在開采過程中往往會面臨嚴重的水害威脅[3-4]。一般突水事故主要發生在開采煤層附近的含水層[5]，大部分突水事故是由于在開采過程中，打穿了隔水層，導致工作區含水層與相連含水層之間出現了導水通道，從而使地下水涌入工作區引發突水事故[6-7]。因此，如果能夠在開采過程中，掌握工作區含水層與相連含水層之間的水力聯系情況，開展有針對性的預防措施，就能夠極大地減少突水事故的發生。
目前，在查明不同含水層的連通性和斷層的水力聯系程度方面，因為示蹤試驗適用性強、數據獲取便利、數據結果可靠等優勢，而被認為是一種較為可靠的技術手段[8]，已經被廣泛應用于礦區地下水連通情況的研究中[9-12]。
本文主要將KI 作為示蹤劑，在潘北礦區開展了示蹤試驗，主要目的是為了探查奧陶系灰巖含水層和石炭系C3I 組灰巖含水層之間的聯系，同時也對礦區的主要斷裂帶F1 斷裂的導水性、隔水性進行分析，為后期礦區的突水預防和治理提供參考和借鑒。
1.1 礦區地理位置和基本情況
潘北煤礦地處淮南市西北方向，距離淮南市有30 km左右，交通便利，四通八達，礦區往南大約20 km建有淮河航運線路。此煤礦于2004 年12 月建成，2007 年8 月開始運營。礦區地理坐標為：東經116°41′30″~116°52′30″，北緯 32°50′00~32°53′45″。研究區基巖地層由老到新分別為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系。對應的含水層由下而上分別是寒武系灰巖含水層、奧陶系灰巖含水層、石炭系灰巖含水層和二疊系砂巖裂隙含水層。
研究區位于礦區的東南部。研究區的基本地質情況如圖1所示。區內主要發育了一條F1斷裂帶，由東至西貫穿了整個研究區。此次研究的目標層位是奧陶系灰巖含水層和石炭系C3I組灰巖含水層。其中石炭系C3I組灰巖含水層可以分為C31、C32、C33上和C33下四層。
圖1 潘北研究區地質信息圖Figure 1. Geological information map of the Panbei study area
2.1 示蹤試驗基本原理
示蹤試驗即采用與研究區地下水背景值差異較大、化學性質較為穩定且易溶于水的鹽離子作為示蹤劑，通過某一個鉆孔注入地下含水層中，并且通過瞬時注水的方式施加壓力，使得示蹤劑在進入含水層后能夠快速地流動和擴散。同時，在釋放示蹤劑和加水注壓期間，需要在研究區內選定若干鉆孔作為觀測孔進行采樣檢測，通過觀測孔中離子濃度的變化來分析研究區內地下水的流動規律，從而進一步推斷投放孔和觀測孔之間的滲流通道發育情況和區域斷層的導水、隔水性能。
在示蹤試驗的過程中，一般可以通過計算投放孔和觀測孔的距離以及觀測孔接收到第一次濃度峰值的時間來獲得地下水的平均流速。計算公式如下所示：
2.2 投放孔和接收孔的選擇
表1 示蹤劑投放孔和觀測孔類型Table 1. Tracer drop hole and types of observation holes
2.3 試驗流程
（1）示蹤劑的選擇。根據場地前期的環境背景值調查，場地碘離子的背景值較低，KI本身無毒無害、化學性質非常穩定，且不容易與水中的其他組分發生化學反應，也不容易被吸附，而且碘離子檢測較為方便。因此，本次試驗選擇了KI 作為示蹤劑。計劃的投放量為17 kg。
（2）示蹤劑的監測。在示蹤劑投放之后，7口示蹤劑接收孔每間隔1 h 取樣一次，持續取樣128 h。在試驗過程中，為了加速示蹤劑的流動，分別在第60 h 和76 h 的時候加壓注水，在所有樣品采集結束之后再進行水質化驗，分析樣品成分并進行電位值的計算。
在水質化驗階段，采用數字式離子計對碘離子的電位EI進行測量，其主要原理是：選擇電極和參比電極在待測溶液中碘離子的敏感膜和溶液之間會存在一定的電位差，根據這一電位差，利用Nernst 公式就能夠求出不同時刻碘離子的電位值，Nernst 方程如公式（2）所示。最后，根據電位值的變化繪制曲線，就能夠分析示蹤劑在場地的流動情況。
式中：EI代表電極系統得到的電位；
E0代表截距電位，一般情況下是一個常數（單位：mV）；
F代表法拉第常數（通常取值9.65×104C/mol）；
R代表氣體常數（通常取值8.314 J/（mol·K））；
Z代表離子價態；
T代表溶液的溫度；
aI代表碘離子的活度。若要得到整個參數，需要先測量碘離子的濃度CI，再利用aI=f?CI的關系式計算，f為活度系數。
一般來說，上述方法得到的初始電位值EI需要進行一定的數據修正使得結果更加準確。因為測試過程中使用的是鹽橋溶液，在實驗測量階段，會產生電位測量值的延遲等不精確現象，且在測試過程中很難保證溫度的恒定，所以會存在一個熱滯后性的現象，以及在操作過程中的系統誤差等，都會對實驗數據的精度存在一定的影響。因此，參考測試過程中的溫度和相關儀器的修正系數等，須利用公式（3）對原始數據進行修正：
式中：Ec為修正后的電位值；
T和P分別代表溫度和儀器的修正系數。為了修正公式（3）中的溫度誤差，此次試驗統一修正為25 ℃時的電位。為了修正儀器誤差，即減少測試離子電位的滯后現象，本次利用每組8個樣品的后4 個樣品數據對前4 個樣品數據進行修正。同時，試驗過程中，為了消除測量的誤差，本次還以10-6mol/L 的KI 溶液作為標準液，對測試數據進行進一步的修正。修正后的電位與時間的關系如圖2所示。圖2中縱向的三條虛線分別代表第一次投放示蹤劑、第一次注水和第二次注水的時間，編號①、②、③代表每次投入示蹤劑或注水后首次出現濃度峰值的時間，電位值越低，代表碘離子的濃度越高。
圖2 電位隨時間變化曲線Figure 2. Potential curve over time
在此次的實驗中，W33下-1中的水位變化波動相較于其他接收孔最大，在注入示蹤劑之后，出現了多次峰值。一般來說，在巖溶裂隙地區，出現多峰值證明研究區存在多條巖溶通道，示蹤劑在不同巖溶通道中通過的時間不一致，甚至在部分巖溶通道內出現了滯留的現象，因此在接收點監測到的濃度變化較大，從這點來看，研究區的奧陶系灰巖含水層與石炭系C3I組灰巖含水層的巖溶裂隙發育較為復雜，存在多個滲流通道。
本文利用KI 作為示蹤劑，對潘北研究區不同含水層的連通情況進行研究和分析，得到如下結論：
（1）F1 斷裂帶為不完全隔水斷裂帶，奧陶系灰巖含水層與石炭系C3I 組灰巖含水層局部連通性較好，存在一定的水力聯系，但整體的連通性較差。
（2）根據投放孔和接收孔W33下-1之間的距離和監測到的示蹤劑峰值時間，估算得出研究區的地下水平均流速約為80.43 m/h。
（3）在注入示蹤劑之后，接收孔出現了多峰值現象，說明研究區的巖溶裂隙發育較為復雜，存在多個滲流通道，因此，后期在該地區煤礦開采中，需要做好煤礦突水的預防工作。
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