雙柳煤礦充水含水層水化學(xué)特征及涌水水源識(shí)別技術(shù)

趙益晨，郭國(guó)強(qiáng)

(1.汾西礦業(yè)集團(tuán)地測(cè)處，山西 介休 032000;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安 710054)

雙柳煤礦充水含水層水化學(xué)特征及涌水水源識(shí)別技術(shù)

趙益晨1，郭國(guó)強(qiáng)2

(1.汾西礦業(yè)集團(tuán)地測(cè)處，山西 介休 032000;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安 710054)

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度理論，對(duì)雙柳煤礦主采煤層主要充水水源水化學(xué)一般特征進(jìn)行分析，確定各含水層的特征離子。采用piper三線圖、離子含量柱狀圖，分析研究煤系地層砂巖水、太灰水、奧灰峰峰組、奧灰上馬家溝組含水層的水化學(xué)特征，并利用piper三線圖對(duì)本區(qū)各含水層水質(zhì)類型進(jìn)行初步分區(qū)，為礦井技術(shù)人員快速準(zhǔn)確判別涌水水源類型提供了有效方法和依據(jù)。

水化學(xué)特征;灰色關(guān)聯(lián)度;piper三線圖;水源類型

近年來(lái)，礦井突水事故頻發(fā)，對(duì)突水水源的準(zhǔn)確判斷是水害防治的重要前提。水化學(xué)特征研究是判別突水水源的基礎(chǔ)，分析認(rèn)清各含水層水化學(xué)特征，充分認(rèn)識(shí)地下水賦存規(guī)律，有利于快速判別突水水源，能提高應(yīng)急反應(yīng)速度，節(jié)省人力物力。本文以雙柳煤礦為例，分析研究該礦各主要充水含水層的水化學(xué)特征，為初步判斷突水水源提供技術(shù)方法依據(jù)。

地下水的化學(xué)特征是圍巖礦物和水流之間內(nèi)在關(guān)系所形成的結(jié)果，決定于地下水運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸的圍巖成分、水文地質(zhì)條件和氧化還原環(huán)境等。地下水的水化學(xué)成份及不同離子含量的多少，與其賦存條件有著十分密切的關(guān)系。本文采用礦區(qū)主要含水層的水樣，進(jìn)行常規(guī)水質(zhì)分析，研究礦區(qū)地下水的水化學(xué)成份及其背景含量特征，為判別礦井突水水源提供依據(jù)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

區(qū)域內(nèi)對(duì)煤炭資源開采有一定影響的含水層主要有第四系松散孔隙潛水含水層、煤系地層砂巖裂隙承壓含水層、石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層。

本區(qū)地下水主要以承壓水含水層為主，含水層在山間溝谷地帶接受大氣降雨的補(bǔ)給，其中二迭系上統(tǒng)砂巖含水層在區(qū)域內(nèi)廣泛出露，寒武－奧陶系可溶巖裸露區(qū)分布于柳林泉域的東部和北部，在山區(qū)成片出露，黃土丘陵區(qū)只在溝谷零星分布，太原組灰?guī)r在區(qū)域北部溝谷中零星出露。區(qū)域內(nèi)石炭、二疊、三疊系含水層富水性較弱，奧陶系巖溶含水層富水性較強(qiáng)，其地下水在巖層露頭接受補(bǔ)給后，分別由北、東、南等方向排向柳林泉，構(gòu)成一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元。

2 主要含水層的水化學(xué)特征

2.1 煤系地層砂巖裂隙水

煤系地層砂巖裂隙水主要指二疊系砂巖含水層，該含水層是山西組煤層的頂板充水水源。本文選取6組地表水文鉆孔水化學(xué)簡(jiǎn)分析資料，分析含水層水化學(xué)特征。水質(zhì)類型主要為 SO4·HCO3－Na·Mg型，六大主要離子平均含量:K++Na+含量 236.22 mg/L，Ca2+含量 65.74 mg/L，Mg2+含量 50.51 mg/L，Cl－含量 90.30 mg/L，SO42－含量425.94 mg/L，HCO3－+CO32－含量 379.565 mg/L。礦化度 613.89 ～1 876.97 mg/L。

從圖1piper三線圖可以看出，砂巖水在菱形圖上分布比較分散，顯示本區(qū)二疊系砂巖水接受補(bǔ)給的水源及補(bǔ)給途徑差異較大，導(dǎo)致樣本個(gè)體間存在一定差異。

表1 煤系地層砂巖裂隙水主要離子含量表 mg/L

2.2 太原組灰?guī)r水

太原組灰?guī)r含水層是本區(qū)煤系地層重要充水含水層之一，一般包含4～5層厚層石灰?guī)r。本文選擇井下探放水鉆孔5組水樣測(cè)試成果分析太灰含水層主要水化學(xué)特征。主要水化學(xué)類型為 Cl·SO4·HCO3－Mg·(Ca)·(K+Na)，礦化度平均1 251.6 mg/L。六大離子含量見下表2。

從圖2的 piper三線圖上看，各水樣在菱形圖上比較集中，反映出本組水樣中基本沒(méi)有其它水源參與，離子特征準(zhǔn)確反映了太灰含水層的水化學(xué)特征。

表2 太原組灰?guī)r含水層主要離子含量表 mg/L

圖1 煤系地層砂巖水三線圖

2.3 奧陶系灰?guī)r水

奧灰含水層是本區(qū)帶壓開采最重要的含水層，其整體富水性強(qiáng)，水平分布上存在富水性不均勻。不同埋深條件下，其水化學(xué)特征有一定區(qū)別。本文選用地面鉆孔5組水化學(xué)資料，分析奧灰含水層水化學(xué)特征。從水樣分析資料看，不同埋深，不同水化學(xué)環(huán)境下，奧灰含水層水質(zhì)類型有一定區(qū)別，主要為 Cl·SO4－Na·Ca型水，其次為 Cl·(HCO3)－Na，HCO3·(SO4)－Na·(Ca)。主要離子及其含量見表3。

從圖3piper圖來(lái)分析，奧灰上馬家溝組含水層的水樣分布集中，水質(zhì)類型接近。而峰峰組的水樣分布較分散，水樣間個(gè)體差異很大，表明其水化學(xué)形成環(huán)境有差異，水化學(xué)場(chǎng)分布具有區(qū)域性。

圖2 太灰含水層piper圖

表3 奧灰含水層主要離子含量表 mg/L

圖3 奧灰含水層piper三線圖

3 雙柳煤礦充水含水層水化學(xué)特征研究及突水水源識(shí)別技術(shù)

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析－排除異常值

灰色關(guān)聯(lián)度分析是運(yùn)用灰色理論，計(jì)算樣本間的灰色關(guān)聯(lián)度，尋求樣本間的最大相似特征來(lái)進(jìn)行水源類型判別。

本文在四個(gè)含水層中各選一組水樣作為灰色關(guān)聯(lián)度分析的標(biāo)準(zhǔn)水樣，分別為 P01，T01，S01，F(xiàn)01。用來(lái)控制關(guān)聯(lián)度的分辨系數(shù)，取值為0.1～0.5，取值越高則樣本之間的差異在關(guān)聯(lián)度分值上的體現(xiàn)越越為明顯，通常使用0.4即可。本文以煤系地層砂巖裂隙水、太灰水為例，利用計(jì)算機(jī)軟件，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析，分它們的水化學(xué)特征。計(jì)算結(jié)果見下表4、表5。

通過(guò)表4灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可以看出，p06號(hào)水樣關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.777 2，關(guān)聯(lián)度最低，可能在取樣中受到污染，反應(yīng)出奧灰水的特征。也可能是在該取樣點(diǎn)砂巖裂隙含水層與下伏奧灰含水層存在越流補(bǔ)給，具有垂向?qū)ǖ?。因此，可以將p06水樣剔除，其它水樣可作為煤系地層砂巖水的背景值，反應(yīng)該含水層的水化學(xué)離子特征值。

表4 砂巖水灰色關(guān)聯(lián)度分析成果表

表5 太灰水灰色關(guān)聯(lián)度分析成果表

從表5可以看出，T05太灰水樣受到砂巖水污染，關(guān)聯(lián)度最低，從樣本組中剔除，其余4組水樣可以作為本區(qū)太灰水的水化學(xué)背景值。

奧灰峰峰組含水層與奧灰上馬家溝組含水層由于水樣數(shù)量較少，全部采用，作為含水層的背景值看待。

3.2 充水含水層水化學(xué)特征研究

通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析，剔除了異常值，剩余水樣作為含水層的水質(zhì)特征值。本文用圖解法分析各含水層水源特征。

3.2.1 piper三線圖分析各充水水源水化學(xué)特征

圖4 充水含水層piper三線圖

Piper圖是一種常用水文地球化學(xué)特征研究方法，它由一個(gè)菱形和一對(duì)三角形排列形成一個(gè)大三角形的圖形(如圖4)，左下為陽(yáng)離子三角形圖解，右下為陰離子三角形圖解。三角形中的陰陽(yáng)離子的摩爾百分含量向上延伸到菱形產(chǎn)生交點(diǎn)，表示此水樣的陰陽(yáng)離子相對(duì)含量?？芍庇^顯示水樣的一般水化學(xué)特征及水質(zhì)類型。

以表1篩選后的水樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，做出了煤系地層砂巖水、太灰水、奧灰峰峰組、奧灰上馬家溝組四個(gè)含水層的水樣piper三線圖，如圖4所示。從圖中可以看出，四種含水層的水質(zhì)類型差別較大，奧灰峰峰組的三個(gè)水樣分布很分散，各個(gè)水樣水質(zhì)類型有所差別。太灰含水層4個(gè)水樣分布很密集，能代表本區(qū)太灰水的背景值。兩個(gè)奧灰上馬家溝組水樣分布集中，水質(zhì)類型基本相同。局部峰峰組與上馬家溝組水質(zhì)接近，說(shuō)明兩個(gè)含水層有互相補(bǔ)給的可能。

峰峰組含水層水樣比較分散，據(jù)本區(qū)其它水化學(xué)資料，礦化度也有較大差別，含水層的埋深、徑流條件、可溶鹽等水化學(xué)形成條件決定了本區(qū)不同區(qū)域峰峰組含水層的水質(zhì)類型，在徑流區(qū)、滯留區(qū)、補(bǔ)給區(qū)具有不同的水化學(xué)特征。要判別該水樣的水質(zhì)類型，需要進(jìn)一步采取其它方法。

3.2.2 水化學(xué)柱狀圖分析充水水源水化學(xué)特征

圖5 各含水層主要離子含量柱狀示意圖

從圖5可以看出，四種充水水源中，奧灰上馬家溝組含水層中Cl和SO4離子含量明顯高于其它含水層，特別是 SO4離子含量比其它含水層明顯高很多，可將其作為水源判別的依據(jù)。其次，奧灰上馬家溝組中Na離子含量也比較高，也可作為充水水源輔助判別離子。砂巖含水層中 Ca、Mg、Cl離子含量很低，僅HCO3離子含量較高，與其它水源相當(dāng)，這些離子特征可作為砂巖水的判別依據(jù)。太灰水中 Na、Ca、Mg、Cl離子含量均較低，而 SO4、HCO3離子含量比其它四個(gè)離子高1倍甚至更多，這種特征可作為太灰水的充水水源判別依據(jù)。奧灰峰峰組水樣特征不是太明顯，較明顯的區(qū)別是 Ca、SO4、Cl離子含量低，是上馬家溝組含水層的一半左右，可粗略判斷這兩種水源的區(qū)別。

3.2.3 水化學(xué)特征分區(qū)

通過(guò)以上分析，對(duì)于本礦主要含水層水化學(xué)特征有了比較明確的認(rèn)識(shí)，根據(jù)piper三線圖，初步在菱形圖上劃分出三個(gè)分區(qū)，Ⅰ區(qū)為砂巖水，Ⅱ區(qū)為上馬家溝組含水層，Ⅲ區(qū)為太灰水。如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)雙柳煤礦主采煤層主要充水水源水化學(xué)一般特征的分析，運(yùn)用了灰色關(guān)聯(lián)度理論，剔除了樣本中異常水樣，確定了各含水層的特征離子。通過(guò)采用piper三線圖、離子含量柱狀圖，詳細(xì)分析研究了煤系地層砂巖水、太灰水、奧灰峰峰組、奧灰上馬家溝組含水層的水化學(xué)特征，并利用piper三線圖對(duì)本區(qū)各含水層水質(zhì)類型進(jìn)行了初步分區(qū)，為礦井技術(shù)人員快速準(zhǔn)確判別突水水源類型提供了有效的方法和依據(jù)。

［1］孫振洋，劉冠群.中煤平朔三號(hào)井工礦水化學(xué)特征及對(duì)水文地質(zhì)條件的反映.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2011(4):36～40.

［2］張瑞鋼.對(duì)應(yīng)分析法在地下水化學(xué)特征分析中的應(yīng)用.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(10):1552～1557.

［3］李學(xué)禮.水文地球化學(xué).地質(zhì)出版社.

［4］沈照理.水文地球化學(xué)基礎(chǔ).地質(zhì)出版社，1993.

［5］史維俊，孫占學(xué).應(yīng)用水文地球化學(xué).華東理工學(xué)院.

P641.1

B

1004－1184(2012)01－0048－03

2011－10－21

趙益晨(1965－)，男，山西介休人，工程師，主要從事地質(zhì)測(cè)量工作。