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[摘要]海下采煤存在巨大的风险性，研究海域浅层含隔水层结构及水力联系对于确定海水的入渗下界面、合理的安全开采上限以及对海下采煤防治工作的开展具有重要的指导意义。论文以我国首个海下采煤的北皂煤矿为研究对象，在系统分析矿区地质及水文地质资料的基础上，提出了矿区第四系的"两含夹一隔"的含隔水层结构关系，并通过水化学分析、氢氧环境同位素示踪等方法，分析了第四系各含水层与海水的水力联系，并确定了海水的下渗界面，为北皂煤矿海域下采煤防治水工作的开展提供了一定的依据。
[关键词]海下采煤 水化学分析 同位素示踪 海水下渗界面
[中图分类号] P618.11 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-7-129-2
目前，对于滨海矿区海水下渗界面相关问题的研究，国内外学者已经积累了大量的经验。谢海峰[1]认为北皂煤矿陆地与海域扩大区内第三系、第四系及含煤地层基本相似。通过研究表明，随北皂煤矿开采范围的扩大，地表下沉塌陷坑的积水中有涨潮时渗入的海水成分，这表明冲积层的塌陷坑是导通的，但由于井下涌水量并没有增加，故一般情况下，海水仅与第四系松散层发生水力联系，与下伏煤系地层泥灰岩含水层无力联系。为了进一步确定海水下渗界面及水力联系，通过分析该区第四系含隔水层结构、地下水的水化学成份与海水的水质成份对比和环境同位素示踪在含水层的应用，得出矿区浅层地下水流场的演化规律，这将对北皂煤矿海域下煤炭资源的开发及水害防治的研究等具有重要意义。
1海域扩大区第四系含隔水层结构
1.1水文地质结构分析
区内煤系上覆地层，从煤1至第四系底界，除泥灰岩外，80%以上为粘土类岩石，易碎，具一定的可塑性和膨胀性，隔水性强。煤系中的泥岩、粘土岩与钙质泥岩，也具有吸水易碎，易膨胀，隔水性好等特点。
1.2主要含水层的富水性特征
该区第四系含砂、粘土质砂2～6层，相间排列，累厚6.60 m～27.92 m，多分布在第四系的顶部和底部，在水文地质上可分别归纳为“一含”和“二含”两个含水层。
“一含”为上部砂层，最厚处17.83 m，据北皂矿井陆上勘探资料[3]可知，抽水试验单位涌水量0.1186 L/s·m～3.713 L/s·m，受海域海水和陆地降雨补给，富水性中等至强。
“二含”为中下部砂层，该层粘土质含量较多，多为粘土质砂，局部夹薄层粘土，最厚处10.07 m。“二含”砂层进行简易抽水试验，单位涌水量约0.00019 L/s·m，说明第四系底部砂层富水性弱。分析“一隔”的隔水作用。即海水与“二含”无水力联系。
1.3含水层之间的水力联系
通过钻探取芯鉴定，“一隔”位于“一含”和“二含”之间，多为粘土或砂质粘土，局部含较多的砂或云母碎片，岩性为砂质粘土，层位稳定。 “一隔”全区分布，靠近海岸较厚，平均厚约20 m，厚度大于其上部和下部的砂层。该隔水层为相对隔水层，但厚度较大，在垂向上能阻断“一含”和“二含”之间的水力联系。
2北皂煤矿地下水水化学特征研究
2.1含水层水质分析
为进一步探究北皂煤矿浅部的第四系松散层“两含夹一隔”3层结构之间的水力联系性。采用水化学分析的研究方法通过分析研究矿区前期浅部含水层的水质资料，对北皂矿井上下能够取样的含水层和海水进行了水样采集，对其进行水质简分析和特殊离子的分析。得到个含水层矿化度与水化学类型如下表：
2.2北皂煤矿海域海水特殊离子分析
海水具有稳定的水化学组成，世界各大洋水的组分和含量变化不大。由北皂矿北部海水取样分析资料，现将取得的水质资料与大洋海水的平均值作对比，对比结果见下表：
2.3海水与第四系含水层的关系
以不同含水层水样的主要离子毫摩尔百分数含量绘制Piper图，可以看出不同含水层水质投影在菱形图的不同区域。“二含”分布在菱形图右上方且与海水水质在菱形图中的分布区域明显不同，“一含”分布在菱形图中部与海水水质在菱形图中的分布区域大致相平。这说明“一含”与海水存在着水力联系，而“二含”与海水无水力联系。
3应用环境同位素研究浅部含水层的水力联系
3.1H、D同位素标准及应用方法原理
在稳定同位素研究中，把某一元素两种同位素的丰度比用R表示。如D/H、18O/16O，在分析时只测定它的丰度比值而不测量单项同位素的绝对含量，通常用δ值表示，δ值定义如下：
其意义是样品中一元素的两种同位素丰度相对于某一对应标准丰度的千分偏差。使用国际标准SMOW（平均大洋水）为标准，SMOW定义δD和δ18O值均为零作为其标准。
氢氧元素共有5个稳定同位素（1H、D、16O、 17O、18O），用于稳定同位素研究的是D和18O。一般在水分子中氢氧的不同稳定同位素可形成9种不同形式的水分子（H216O、HD16O、D216O、H218O、HD18O、D218O、H217O、HD17O、D217O）。这些同位素水分子，因质量不同而具有不同的饱和蒸气压，在蒸发和冷凝过程中，重同位素水分子（D2O、H218O）优先富集在液相中，而在气相中贫化，导致液相和气相之间氢氧同位素组成的差异，产生了同位素分馏。地下水受大气降水的补给，而大气中的水分主要来自海水蒸发，因此，地下水中轻同位素1H、16O偏大，而重同位素D、18O偏小，即降水中较之海水中的D和18O贫乏。
3.2北皂矿区地下水中D、18O和T特征
本次采用18O、D、T进行各含水层地下水的分析研究。由资料知[4]，北皂矿井上下环境同位素取样分析结果见表2。
一个地区大气降雨的δD和δ18O值应当收集该地区全年降水水样混合后测定，以代表该地区降雨输入值，但由于取样困难，故采用 1980 年北京大学根据我国北京等八个地区资料得出中国雨水线公式 ： 将取样的δD、δ18O值投到该中国雨水线图上。可以看出 “一含”水样基本落在雨水线上，它反映出不同时间大气降雨渗入“一含”含水层充分混合后的δD、δ18O值仍然符合雨水线的线性关系，充分说明该含水层与大气降雨关系密切，即 “一含”与地表水体存在着水力联系。而 “二含”的δ值偏离雨水线则是由于该含水层属于一个相对封闭的环境，地下水与含水层岩石中的18O发生同位素交换致使18O富集的结果。海水偏离雨水线是由于海水在蒸发和凝结过程改变其物态时，不断地发生同位素分馏作用的结果。
取样获得北皂矿各含水层氚（T）含量分析如下：
“一含”地下水和地表海水的氚含量分别为23.17 2.75、22.72 2.86TU，根据“一含”δD和δ18O的丰度以及在雨水线上位置，其成因与大气降水关系密切，因此“一含”和海水的氚含量也就代表了近期大气降雨和海水中的氚含量水平。
“二含”地下水的氚含量是水样中最高的，为26.31 2.89TU，如果该含水层地下水不是近期补给的，把地下水补给关系看作是活塞式补给，不考虑混合弥散作用的影响，则可能是66～71年大气降水中氚（290.66～161.05TU）经过多年的衰变达到该含水层现在的氚含量水平，其地下水居留年龄为近40年。
4结论
通过论文研究，取得如下结论：
（1）影响龙口北皂煤矿海下采煤的第四系含水层由砂岩与泥岩的互层组成，其中第四系“一含”和“二含”的主要成分均为砂岩、泥质砂岩，具备了导水的必要条件。
（2）经水化学分析和海水特殊离子分析， “一含”与海水的离子成分大致相同，与海水存在沟通。 “二含”与海水成分有很大差异，与海水无水力联系。
（3）氢氧环境同位素示踪实验论证了第四系“一含”为相对开放的环境，大气降雨参与了 “一含”的水循环。第四系“二含”为相对封闭的环境，近期的大气降水无法补给到“二含”，早期的大气降水在“二含”滞留了近40年。
（4）经多方面分析，北皂煤矿海域海水的下渗界面为第四系“一含”。因此，煤矿在开采过程中除对其他矿井充水因素给予重视的同时，应加强对第四系“一含”的裂隙、导水断层、钻孔封堵情况及开采破碎带范围的检查监测，预防因自然或人为因素造成海水溃入矿井内的恶性灾害事故。
参考文献
[1]谢海峰.《对龙口矿区海下采煤安全性的认识B》[J].煤炭工程 2003 vol.12 38-40
[2]贾艳琨.《环境同位素在水文地质和环境地质研究中的应用》[J]. 地球学报 2005.26（z1）
[3]王兆忠.《山东省黄县煤田北皂煤矿海域扩大区补充勘查报告》[R] .山东省第一地质矿产勘查院 2008.10
[4]孙守增. 《龙口煤电有限公司北皂煤矿矿井水文地质类型划分报告》[R] .济南贝克矿山工程技术服务有限公司 2013.7
[关键词]海下采煤 水化学分析 同位素示踪 海水下渗界面
[中图分类号] P618.11 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-7-129-2
目前，对于滨海矿区海水下渗界面相关问题的研究，国内外学者已经积累了大量的经验。谢海峰[1]认为北皂煤矿陆地与海域扩大区内第三系、第四系及含煤地层基本相似。通过研究表明，随北皂煤矿开采范围的扩大，地表下沉塌陷坑的积水中有涨潮时渗入的海水成分，这表明冲积层的塌陷坑是导通的，但由于井下涌水量并没有增加，故一般情况下，海水仅与第四系松散层发生水力联系，与下伏煤系地层泥灰岩含水层无力联系。为了进一步确定海水下渗界面及水力联系，通过分析该区第四系含隔水层结构、地下水的水化学成份与海水的水质成份对比和环境同位素示踪在含水层的应用，得出矿区浅层地下水流场的演化规律，这将对北皂煤矿海域下煤炭资源的开发及水害防治的研究等具有重要意义。
1海域扩大区第四系含隔水层结构
1.1水文地质结构分析
区内煤系上覆地层，从煤1至第四系底界，除泥灰岩外，80%以上为粘土类岩石，易碎，具一定的可塑性和膨胀性，隔水性强。煤系中的泥岩、粘土岩与钙质泥岩，也具有吸水易碎，易膨胀，隔水性好等特点。
1.2主要含水层的富水性特征
该区第四系含砂、粘土质砂2～6层，相间排列，累厚6.60 m～27.92 m，多分布在第四系的顶部和底部，在水文地质上可分别归纳为“一含”和“二含”两个含水层。
“一含”为上部砂层，最厚处17.83 m，据北皂矿井陆上勘探资料[3]可知，抽水试验单位涌水量0.1186 L/s·m～3.713 L/s·m，受海域海水和陆地降雨补给，富水性中等至强。
“二含”为中下部砂层，该层粘土质含量较多，多为粘土质砂，局部夹薄层粘土，最厚处10.07 m。“二含”砂层进行简易抽水试验，单位涌水量约0.00019 L/s·m，说明第四系底部砂层富水性弱。分析“一隔”的隔水作用。即海水与“二含”无水力联系。
1.3含水层之间的水力联系
通过钻探取芯鉴定，“一隔”位于“一含”和“二含”之间，多为粘土或砂质粘土，局部含较多的砂或云母碎片，岩性为砂质粘土，层位稳定。 “一隔”全区分布，靠近海岸较厚，平均厚约20 m，厚度大于其上部和下部的砂层。该隔水层为相对隔水层，但厚度较大，在垂向上能阻断“一含”和“二含”之间的水力联系。
2北皂煤矿地下水水化学特征研究
2.1含水层水质分析
为进一步探究北皂煤矿浅部的第四系松散层“两含夹一隔”3层结构之间的水力联系性。采用水化学分析的研究方法通过分析研究矿区前期浅部含水层的水质资料，对北皂矿井上下能够取样的含水层和海水进行了水样采集，对其进行水质简分析和特殊离子的分析。得到个含水层矿化度与水化学类型如下表：
2.2北皂煤矿海域海水特殊离子分析
海水具有稳定的水化学组成，世界各大洋水的组分和含量变化不大。由北皂矿北部海水取样分析资料，现将取得的水质资料与大洋海水的平均值作对比，对比结果见下表：
2.3海水与第四系含水层的关系
以不同含水层水样的主要离子毫摩尔百分数含量绘制Piper图，可以看出不同含水层水质投影在菱形图的不同区域。“二含”分布在菱形图右上方且与海水水质在菱形图中的分布区域明显不同，“一含”分布在菱形图中部与海水水质在菱形图中的分布区域大致相平。这说明“一含”与海水存在着水力联系，而“二含”与海水无水力联系。
3应用环境同位素研究浅部含水层的水力联系
3.1H、D同位素标准及应用方法原理
在稳定同位素研究中，把某一元素两种同位素的丰度比用R表示。如D/H、18O/16O，在分析时只测定它的丰度比值而不测量单项同位素的绝对含量，通常用δ值表示，δ值定义如下：
其意义是样品中一元素的两种同位素丰度相对于某一对应标准丰度的千分偏差。使用国际标准SMOW（平均大洋水）为标准，SMOW定义δD和δ18O值均为零作为其标准。
氢氧元素共有5个稳定同位素（1H、D、16O、 17O、18O），用于稳定同位素研究的是D和18O。一般在水分子中氢氧的不同稳定同位素可形成9种不同形式的水分子（H216O、HD16O、D216O、H218O、HD18O、D218O、H217O、HD17O、D217O）。这些同位素水分子，因质量不同而具有不同的饱和蒸气压，在蒸发和冷凝过程中，重同位素水分子（D2O、H218O）优先富集在液相中，而在气相中贫化，导致液相和气相之间氢氧同位素组成的差异，产生了同位素分馏。地下水受大气降水的补给，而大气中的水分主要来自海水蒸发，因此，地下水中轻同位素1H、16O偏大，而重同位素D、18O偏小，即降水中较之海水中的D和18O贫乏。
3.2北皂矿区地下水中D、18O和T特征
本次采用18O、D、T进行各含水层地下水的分析研究。由资料知[4]，北皂矿井上下环境同位素取样分析结果见表2。
一个地区大气降雨的δD和δ18O值应当收集该地区全年降水水样混合后测定，以代表该地区降雨输入值，但由于取样困难，故采用 1980 年北京大学根据我国北京等八个地区资料得出中国雨水线公式 ： 将取样的δD、δ18O值投到该中国雨水线图上。可以看出 “一含”水样基本落在雨水线上，它反映出不同时间大气降雨渗入“一含”含水层充分混合后的δD、δ18O值仍然符合雨水线的线性关系，充分说明该含水层与大气降雨关系密切，即 “一含”与地表水体存在着水力联系。而 “二含”的δ值偏离雨水线则是由于该含水层属于一个相对封闭的环境，地下水与含水层岩石中的18O发生同位素交换致使18O富集的结果。海水偏离雨水线是由于海水在蒸发和凝结过程改变其物态时，不断地发生同位素分馏作用的结果。
取样获得北皂矿各含水层氚（T）含量分析如下：
“一含”地下水和地表海水的氚含量分别为23.17 2.75、22.72 2.86TU，根据“一含”δD和δ18O的丰度以及在雨水线上位置，其成因与大气降水关系密切，因此“一含”和海水的氚含量也就代表了近期大气降雨和海水中的氚含量水平。
“二含”地下水的氚含量是水样中最高的，为26.31 2.89TU，如果该含水层地下水不是近期补给的，把地下水补给关系看作是活塞式补给，不考虑混合弥散作用的影响，则可能是66～71年大气降水中氚（290.66～161.05TU）经过多年的衰变达到该含水层现在的氚含量水平，其地下水居留年龄为近40年。
4结论
通过论文研究，取得如下结论：
（1）影响龙口北皂煤矿海下采煤的第四系含水层由砂岩与泥岩的互层组成，其中第四系“一含”和“二含”的主要成分均为砂岩、泥质砂岩，具备了导水的必要条件。
（2）经水化学分析和海水特殊离子分析， “一含”与海水的离子成分大致相同，与海水存在沟通。 “二含”与海水成分有很大差异，与海水无水力联系。
（3）氢氧环境同位素示踪实验论证了第四系“一含”为相对开放的环境，大气降雨参与了 “一含”的水循环。第四系“二含”为相对封闭的环境，近期的大气降水无法补给到“二含”，早期的大气降水在“二含”滞留了近40年。
（4）经多方面分析，北皂煤矿海域海水的下渗界面为第四系“一含”。因此，煤矿在开采过程中除对其他矿井充水因素给予重视的同时，应加强对第四系“一含”的裂隙、导水断层、钻孔封堵情况及开采破碎带范围的检查监测，预防因自然或人为因素造成海水溃入矿井内的恶性灾害事故。
参考文献
[1]谢海峰.《对龙口矿区海下采煤安全性的认识B》[J].煤炭工程 2003 vol.12 38-40
[2]贾艳琨.《环境同位素在水文地质和环境地质研究中的应用》[J]. 地球学报 2005.26（z1）
[3]王兆忠.《山东省黄县煤田北皂煤矿海域扩大区补充勘查报告》[R] .山东省第一地质矿产勘查院 2008.10
[4]孙守增. 《龙口煤电有限公司北皂煤矿矿井水文地质类型划分报告》[R] .济南贝克矿山工程技术服务有限公司 2013.7