潘謝礦區(qū)深部地下水常規(guī)水化學(xué)特征的多水源示蹤分析

王德高，余凱

（安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽　合肥　230001）

潘謝礦區(qū)深部地下水常規(guī)水化學(xué)特征的多水源示蹤分析

王德高，余凱

（安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230001）

如何快速、準(zhǔn)確地判別出礦井充水水源是煤礦井下安全開采急需解決的重要科學(xué)問題。以潘謝礦區(qū)為例，通過對該礦區(qū)多相含水層（第四系松散層孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組石灰?guī)r溶裂隙含水層和奧陶系馬家溝組白云巖溶裂隙含水層）68個(gè)水樣的常規(guī)水化學(xué)特征的測試分析，表明了不同含水層的常規(guī)水化學(xué)類型；采用Bays線性示蹤分析法，構(gòu)建了不同含水層水化學(xué)判別模式。研究結(jié)果表明：第四系下含水與奧陶系巖溶水的區(qū)分程度高、判別效果顯著，而二疊系煤系砂巖水與石炭系太灰水具有一定程度的誤判率，兩者之間存在混合現(xiàn)象，不易區(qū)分，表明兩者之間存在一定的水力聯(lián)系。上述研究成果為本區(qū)突水水源示蹤奠定了理論基礎(chǔ)。

深部地下水；常規(guī)水化學(xué)類型；Bays判別分析；潘謝礦區(qū)

近年來，潘謝礦區(qū)煤炭資源開采從淺部逐漸拓展至深部，引起礦井突水事件發(fā)生幾率增加。傳統(tǒng)的礦井水害預(yù)報(bào)技術(shù)在一定程度上對井下突水事故的發(fā)生起到防治作用。然而，礦井一旦發(fā)生突水事件，如何快速、準(zhǔn)確地判別突水水源，指明突水層位，是避免重大水害發(fā)生的前提。

常用的突水水源判別地球化學(xué)指標(biāo)有常規(guī)水化學(xué)分析法、微量元素分析法、同位素分析法等。①桂和榮，陳陸望：《礦區(qū)地下水水文地球化學(xué)演化與識別》，北京：地質(zhì)出版社，2007年，第1-2頁。黃平華，陳建生：《基于多元統(tǒng)計(jì)分析的礦井突水水源Fisher識別及混合模型》，《煤炭學(xué)報(bào)》2011年第36期，第131-135頁。張春雷，錢家忠，趙衛(wèi)東，馬雷：《Bays方法在礦井突水水源判別中的應(yīng)用》，《煤田地質(zhì)與勘探》2010年第38期，第34-37頁。張文藝：《潘謝礦區(qū)水文地質(zhì)特征與縮小防水煤柱機(jī)理》，《水文地質(zhì)與工程地質(zhì)》2002年第2期，第32-33頁。根據(jù)煤礦防治水生產(chǎn)實(shí)踐，采用常規(guī)水化學(xué)分析能夠做到便捷、快速、準(zhǔn)確地判別突水水源。為此，本文以淮南煤田潘謝礦區(qū)為例，采用常規(guī)水化學(xué)+Bays多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)聯(lián)合分析技術(shù)，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件，表明該區(qū)不同類型含水層的示蹤常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)，建立該區(qū)突水水源示蹤模式，為今后該區(qū)各生產(chǎn)礦井防治水工作部署提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

1　區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

淮南煤田主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)賦煤構(gòu)造單元，鑒于其主體構(gòu)造格局為止于反向逆沖斷層的疊瓦扇逆沖推覆構(gòu)造系統(tǒng)②曹代勇，高文泰：《華北聚煤區(qū)南部煤田構(gòu)造格局演化及其控制因素探討》，《煤炭學(xué)報(bào)》1993年第18期，第74-80頁。，因此以其南側(cè)的逆沖推覆構(gòu)造與北側(cè)的反沖斷裂構(gòu)造為界，將其劃分為呈東西向展布的三個(gè)賦煤條帶，即上窯-明龍山反沖構(gòu)造帶、淮南復(fù)向斜構(gòu)造帶和阜鳳逆沖推覆構(gòu)造帶。其中，本次研究的潘謝礦區(qū)位于淮南復(fù)向斜構(gòu)造帶內(nèi)，其總體賦煤深度的最淺部一般不大于500m，且構(gòu)造形跡相對較簡單，構(gòu)造帶內(nèi)煤炭資源賦存于復(fù)向斜內(nèi)的次級背（向）斜內(nèi)，且埋深總體較淺。

潘謝礦區(qū)賦煤區(qū)內(nèi)的含煤巖系為華北型石炭-二疊紀(jì)地層，含煤地層單位自下而上依次為太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組，其對應(yīng)的沉積環(huán)境由碳酸鹽巖臺地逐漸過渡到障壁瀉湖三角洲環(huán)境。該區(qū)含煤巖系直接發(fā)育在穩(wěn)定的寒武系碳酸鹽巖臺地之上，自下而上發(fā)育寒武系白云巖巖溶裂隙含水層、奧陶系白云巖巖溶裂隙含水層、石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層和新生界松散砂層孔隙含水層。由于本區(qū)揭露寒武系地層鉆孔數(shù)量很少，巖石和水樣品難以完好采集，故本文不涉及此層位。

圖1　潘謝礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造綱要圖

2　水樣品與測試分析

本文共采集68個(gè)來自于不同生產(chǎn)礦井、不同含水層位的水樣品。具體采樣信息見表1。

為了滿足常規(guī)水化學(xué)分析要求，所有水源樣品均采集2.5L。采集前先將清洗的樣品瓶沖洗5遍后再裝水樣，密封瓶口后帶回實(shí)驗(yàn)室低溫保存。各樣品常規(guī)水化學(xué)測試在合肥工業(yè)大學(xué)理化測試中心完成。測試項(xiàng)目包括：Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-。各離子的測試方法分別為：（1）采用EDTA滴定法測試Ca2+、Mg2+離子的含量；（2）采用火焰原子吸收光度法測試K+、Na+離子的含量；（3）采用離子色譜法測試Cl-、SO42-離子的含量；（4）采用酸堿滴定法測試CO32-、HCO3-離子的含量。

表1　潘謝礦區(qū)不同含水層水源樣品采集息

3　常規(guī)水化學(xué)分析與水源示蹤模式建立

3.1常規(guī)水化學(xué)地球化學(xué)指標(biāo)分析

3.1.1常規(guī)離子含量分析

（1）下含水

基于常規(guī)水化學(xué)測試結(jié)果，得出潘謝礦區(qū)下含水常規(guī)離子水化學(xué)總體特征為：（K++Na+）變化范圍為719.8-912.8mg/L（平均801.3mg/L），Ca2+變化范圍為11.9-46.7mg/L（平均35.5mg/L），Mg2+變化范圍為4.2-29.7mg/L（平均17.0mg/L），Cl-變化范圍為711.3-1020.2mg/L（平均946.4mg/L），SO42-變化范圍225.8-365.1mg/L（平均295.0mg/L），CO32-變化范圍為8.4-312.7mg/L（平均212.7mg/L），HCO3-變化范圍為8.9-341.9mg/L（平均80.9mg/L）。

為了確定潘謝礦區(qū)下含水整體水化學(xué)類型，繪制潘謝礦區(qū)下含水Piper三線判別圖（圖2）。由Piper三線圖表明，潘謝礦區(qū)下含水水化學(xué)類型比較集中，各礦區(qū)下含水水化學(xué)類型一致，均以Na-Cl型為主。

圖2　潘謝礦區(qū)下含水Piper三線圖

（2）煤系水

基于常規(guī)水化學(xué)測試結(jié)果，得出潘謝礦區(qū)煤系水常規(guī)離子水化學(xué)總體特征為：（K++Na+）變化范圍為83.6-1924.5mg/L（平均1008.4mg/L），Ca2+變化范圍1.9-81.6mg/L（平均23.0mg/L），Mg2+變化范圍為0.5-49.7mg/L（平均11.4mg/L），Cl-變化范圍為92.6-1791.0mg/L（平均823.1mg/L），SO42-變化范圍3.8-786.3mg/L（平均228.5mg/L），CO32-變化范圍為5.1-381.5mg/L（平均83.8mg/L），HCO3-變化范圍為12.0-2521.3mg/L（平均851.9mg/L）。

從上述離子平均值來看，陰離子含量高低順序?yàn)镠CO3->Cl->SO42->CO32-，陽離子高低變化順序?yàn)椋↘++Na+）＞Ca2+＞Mg2+。

為了確定潘謝礦區(qū)煤系水整體水化學(xué)類型，繪制潘謝礦區(qū)煤系水Piper三線判別圖（圖3）。圖3表明，潘謝礦區(qū)煤系水樣品主要集中在三種水化學(xué)類型上，即Na-K-HCO3-Cl、Na-HCO3和Na-Cl型。然而僅有潘三礦井的一個(gè)水樣品出現(xiàn)了Ca-Mg-Cl-SO4型，總體上以Na-Cl型為主。

圖3　潘謝礦區(qū)煤系水Piper三線圖

（3）太灰水

基于常規(guī)水化學(xué)測試結(jié)果，得出潘謝礦區(qū)太灰水常規(guī)離子水化學(xué)總體特征為：（K++Na+）變化范圍為50.3-1709.2mg/L（平均721.0mg/L），Ca2+變化范圍為2.0-143.6mg/L（平均42.1mg/L），Mg2+變化范圍為0.3-101.1mg/L（平均17.4mg/L），Cl-變化范圍為31.0-1184.1mg/L（平均705.4mg/L），SO42-變化范圍為2.1-3404.0mg/L（平均381.3mg/L），CO32-變化范圍為2.7-297.7mg/L（平均64.8mg/L），HCO3-變化范圍為2.7-1035.4mg/L（平均258.6mg/L）。

從上述離子平均值來看，陰離子含量高低順序?yàn)镃l-＞SO42-＞HCO3-＞CO32-，陽離子高低變化順序?yàn)椋↘++Na+）＞Ca2+＞Mg2+。

為了確定潘謝礦區(qū)太灰水整體水化學(xué)類型，繪制潘謝礦區(qū)太灰水Piper三線判別圖（圖4）。圖4表明，潘謝礦區(qū)太灰水樣品主要以Na-Cl型為主，少數(shù)水樣出現(xiàn)了Ca-Mg-HCO3型。研究區(qū)內(nèi)太灰水基本上介于Cl-和SO42-之間，說明太灰水的常規(guī)水化學(xué)組成可能受到兩種水源的共同影響。

圖4　潘謝礦區(qū)太灰水Piper三線圖

（4）奧灰水

基于常規(guī)水化學(xué)測試結(jié)果，得出潘謝礦區(qū)奧灰水常規(guī)離子水化學(xué)總體特征為：（K++Na+）變化范圍為320.2-964.1mg/L（平均642.4mg/L），Ca2+變化范圍為1.0-70.0mg/L（平均29.5mg/L），Mg2+變化范圍為0.03-23.5mg/L（平均9.9mg/L），Cl-變化范圍為58.5-1254.3mg/L（平均605.9mg/L），SO42-變化范圍70.3-374.6mg/L（平均237.5mg/L），CO32-變化范圍為5.5-198.0mg/L（平均66mg/L），HCO3-變化范圍為136.1-360.2mg/L（平均282.4mg/L）。

從上述離子平均值來看，陰離子含量高低順序?yàn)镃l-＞HCO3-＞SO42-＞CO32-，陽離子高低變化順序?yàn)椋↘++Na+）＞Ca2+＞Mg2+。

為了確定潘謝礦區(qū)奧灰水整體水化學(xué)類型，繪制潘謝礦區(qū)奧灰水Piper三線判別圖（圖5）。圖5表明，潘謝礦區(qū)奧灰水共劃分為三種水化學(xué)類型，包括Na-K-HCO3-Cl、Na-HCO3和Na-Cl型。

圖5　潘謝礦區(qū)奧灰水Piper三線圖

3.2基于常規(guī)水化學(xué)的Bays線性示蹤模型

選取Ca2+、Mg2+、K++Na+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-作為主成分因子。采用Bays線性函數(shù)作為示蹤模型的判別方程。以方差積累貢獻(xiàn)率達(dá)90%為基準(zhǔn)，建立判別函數(shù)方程（F1和F2），判別效果如圖6所示。

圖6表明，利用該示蹤模型可以有效地區(qū)分出奧灰水和下含水兩種水源樣本，而對于煤系水和太灰水樣本區(qū)分程度不高，這可能是由本區(qū)二疊紀(jì)煤層逐年開采，造成煤系水與下伏太灰水之間發(fā)生了明顯的水力聯(lián)系，導(dǎo)致判別結(jié)果不顯著。

圖6　潘謝礦區(qū)不同水源常規(guī)水化學(xué)判別模式圖

4　結(jié)論

（1）潘謝礦區(qū)第四紀(jì)松散層下含水常規(guī)水化學(xué)類型以Na-Cl型為主，二疊系砂巖水常規(guī)水化學(xué)類型以Na-K-HCO3-Cl、Na-HCO3和Na-Cl型為主，石炭系太原組巖溶水以Na-Cl型為主，少數(shù)為Ca-Mg-HCO3型，奧陶系巖溶水以Na-K-HCO3-Cl、Na-HCO3和Na-Cl型為主。

（2）采用Bays線性函數(shù)，建立了潘謝礦區(qū)不同水源常規(guī)水地球化學(xué)指標(biāo)示蹤模式，其判別結(jié)果表明：本區(qū)下含水和奧灰水能夠有效地區(qū)分出，而煤系水和太灰水區(qū)分程度不明顯，這需要采用其他方法（微量元素法、同位素法）進(jìn)一步證實(shí)。

Multi-source tracing analysis of the chemical features of conventional deep groundwater in Panxie Mining Area

WANG Degao，YU Kai

How to quickly and accurately distinguish the coal mine water supply is an important scientific problem which needs to be solved urgently.This paper took Panxie Mining Area as an example，tested and analyzed the conventional chemical features of 68 water samples，and found the chemical types of the conventional water in different water-containing layers.Bays linear tracer analysis was employed to construct different aquifer hydrochemistry type.The results lay a theoretical foundation for the water inrush source tracing.

deep groundwater；water chemistry type；Bays discriminated analysis；Panxie Mining Area

O61

A

1009-9530（2016）03-0104-04

2016-04-05

王德高（1985-），男，安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。