兖州煤矿深部岩溶水水化学成分分布特征与形成机理研究

论文摘要

华北型煤田作为我国重要的能源基地之一,煤炭生产不断向深部发展,面临的水害威胁也不断增加,因此,掌握煤田深部的水文地质条件、有效规避水害成为保障安全生产的重要课题。利用水文地球化学方法对与深部煤层开采密切相关的含水层系统水文地质状况进行研究,详细了解水化学和水动力场特征,预测评价岩溶含水层富水性和水化学成分的变化与分布规律,是防治突水、保障煤矿生产安全的重要方法。论文旨在研究深部岩溶含水系统的基本水文地球化学特征,从含水介质矿物组分、地下水化学组成、氧化还原环境、物质质量守恒和化学平衡等研究入手,建立水文地球化学模型,揭示煤矿深层岩溶地下水水化学场的分布规律,描述水文地球化学演化过程,分析各含水层之间的水力联系以及断层导水作用,着重分析奥陶系灰岩地下水的地球化学演化过程,解释地下水水化学特征的成因。研究区位于鲁西南兖州煤田内,为兴隆庄、鲍店、东滩三个相邻煤矿。其钻孔资料丰富,最深钻孔资料达到1000米以上。与待采下组煤层水力联系紧密的含水层分别为第十下灰岩含水层、第十三灰岩含水层、第十四灰岩含水层以及底部的奥陶系灰岩含水层。从平面分布上看,其水化学场随地下水流场有规律地变化,沿地下水流向,总体上由北向南Ca2+和SO42-对矿化度的贡献明显增加。从垂向分布上看,地下水水化学类型自上而下从Na-K-HCO3型向Ca-SO4型过渡。基于地下水水化学和水动力学特征,选择反应途径和可能矿物相,利用PhreeQC软件进行反向水文地球化学模拟,揭示径流区主要的水-岩作用和水化学变化规律,得出以下结论：（1）沿径流方向奥灰水的主要水-岩作用为方解石沉淀,白云石、硬石膏和石盐的溶解,阳离子交换和二氧化碳气体溶解或逸出等。（2）奥灰水矿化度沿地下水径流方向不断增大,因为沿途含Ca2+、Mg2+、Na+、SO42-及Cl-的矿物相发生溶解,且溶解迁入比率大于沉淀析出比率。（3）结合上述认识讨论不同含水层的水力联系和局部构造对其的影响。研究认为总体上各含水层之间水力联系较弱,区域级正断层有一定导水作用,改变了边界条件,但对研究区完整水文地质单元影响有限,局部岩溶裂隙网络较发育的地方有水力联系,开采附近煤层时需要采取相应措施防治突水。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究目的
• 1.4 技术路线
• 第2章 区域地质与水文地质
• 2.1 地理位置
• 2.2 自然地理
• 2.3 地层构造
• 2.4 区域地质构造
• 2.5 水文地质结构
• 2.5.1 各含水层基本特征
• 2.5.2 兖州煤田各含水层赋水及涌水的基本规律
• 2.5.3 边界水文地质条件
• 2.5.4 下组煤开采时的水文地质条件类型
• 第3章 水文地球化学特征分析
• 3.1 水化学分析目的与方法
• 3.2 含水层分布及水化学特征
• 3.3 主要灰岩含水层水化学特征分析
• 3.3.1 兴隆庄主要含水层水化学特征
• 3.3.2 鲍店主要含水层水化学特征
• 3.3.3 东滩主要含水层水化学特征
• 3.4 含水层主要离子与TDS关系
• 3.5 含水层系统水化学成分分布特征
• 第4章 水文地球化学过程模拟
• 4.1 地球化学模式
• 4.2 PHREEQC软件简介
• 4.3 奥灰水含水层矿物相变化判别
• 4.4 奥灰水水文地球化学模拟-以兴隆庄为例
• 4.4.1 反应路径的选择
• 4.4.2 矿物组成分析
• 4.4.3 可能矿物相与约束变量的确定
• 4.4.4 模拟结果及分析
• 第5章 含水层水力联系分析
• 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历