宿縣礦區(qū)主要突水含水層水文地球化學模擬

陳陸望 許冬清 劉延嫻 李圣杰 張開弦 殷曉曦

摘 要：為定量地揭示礦區(qū)水文地球化學環(huán)境演化的本質(zhì)，更為深入探討水文地球化學環(huán)境演化與人類工程活動和地質(zhì)背景之間的聯(lián)系及其聯(lián)系程度，采用宿縣礦區(qū)主要突水含水層（四含、煤系、太灰）地下水樣的常規(guī)離子（K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3）、pH值以及總?cè)芙夤腆w（TDS）數(shù)據(jù)，確立了地下水流路徑以及其中的礦物相。在此基礎(chǔ)上，利用PHREEQC軟件建立了水文地球化學模擬模型，對礦區(qū)地下水流路徑中的水文地球化學演化進行了定量模擬。研究結(jié)果表明：礦區(qū)四含水力聯(lián)系密切，黃鐵礦氧化與陽離子交替吸附是其水文地球化學演化的主要水-巖相互作用；礦區(qū)煤系地下水總體徑流條件差，黃鐵礦氧化與陽離子交替吸附作用趨于穩(wěn)定；礦區(qū)中東部太灰水動力條件較好，碳酸鹽溶解沉淀是水文地球化學演化的主要水-巖相互作用，西部水力聯(lián)系不暢，陽離子交替吸附作用與黃鐵礦氧化作用是水文地球化學演化的主要水-巖相互作用。研究成果有望為華北隱伏型煤礦區(qū)礦井水害防治及地下水資源開發(fā)利用提供理論支持。

關(guān)鍵詞：煤礦區(qū)；水化學特征；水文地球化學模擬；演化

中圖分類號： P6413 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）06-0027-07

Abstract：Conventional ions （K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3）， pH value and TDS of main inrush aquifers including the fourth aquifer of unconsolidated formation， the fissured aquifer of coal measure and the karst aquifer of Taiyuan formation in the Suxian mining area were collected to choose the appropriate groundwater flow path and mineral phase. Based on the groundwater flow path and the mineral phase， the hydrogeochemical model was established to quantitatively simulate the hydrogeochemical evolution in the mining area. From the simulation， the fourth aquifer of unconsolidated formation had a close hydraulic connection and was characterized by the pyrite oxidation and the cation exchange and adsorption in the water-rock interaction. The fissured aquifer of coal measure had poor groundwater runoff condition so that the pyrite oxidation and the cation exchange and adsorption tended to be stable. The east-middle of karst aquifer of Taiyuan formation with good hydrodynamic condition was characterized by the carbonate dissolution-precipitation while the western with bad hydrodynamic condition was characterized by the pyrite oxidation and the cation exchange and adsorption. The research hopefully provides a theoretical support for the prevention and treatment of mine water hazard and also for the exploitation and utilization of groundwater in the concealed coal mining area in North China.

Key words：coal mining area；hydrochemical characteristics；hydrogeochemical simulation；evolution

我國華北隱伏型煤礦區(qū)地下水系統(tǒng)往往是由多類含水層構(gòu)成的，且含水層間普遍存在不同程度的水力聯(lián)系[1]。在采礦活動等的影響下，地下水系統(tǒng)輸入、輸出與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)勢必發(fā)生改變，以致水文地質(zhì)條件復雜化，煤礦突水事故頻繁發(fā)生。為保證礦井安全生產(chǎn)，必須正確判斷突水原因并制定合理、有效的防水措施。以往此類研究多從簡單水化學類型對比、標型組分判別、微量元素與同位素示蹤以及水化學組分分布等方面著手分析地下水的時空演化[2-8]。這些研究成果往往以定性分析為主，未能定量地揭示研究區(qū)水文地球化學環(huán)境演化的本質(zhì)，更未深入探討水文地球化學環(huán)境演化與人類工程活動和地質(zhì)背景之間的聯(lián)系及其聯(lián)系程度等。

近年來迅速發(fā)展起來的水文地球化學模擬技術(shù)以質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)理論，在定量研究地下水演化規(guī)律和地下水循環(huán)機理上有廣泛的應(yīng)用[9]。文獻[10]運用地下水組分平衡模型和運移模型研究了佛羅里達中西部地區(qū)某承壓含水層的水文地球化學反應(yīng)差異。文獻[11]運用PHREEQC建立反向水流路徑模型，對Phantom泉域地下水進行了追蹤，結(jié)果表明沿地下水流路徑，水文地球化學受鹽巖、石膏、白云石、CO2的溶解以及方解石的沉淀控制。文獻[12]采用PHREEQC的混合模型預測了井水回灌地熱水可能發(fā)生的水文地球化學作用，得出以1∶1混合主要離子組分含量穩(wěn)定且未對原地熱流體水質(zhì)造成影響的結(jié)論。文獻[13]通過模擬冷水和熱水中溶解態(tài)稀土元素的無機形態(tài)解釋了珠江口東北部地下水的水-巖相互作用。文獻[14]利用PHREEQC建立了3組反向水流路徑模型模擬了齊齊哈爾地區(qū)潛水水文地球化學成分的空間演化規(guī)律，找到了引起水化學類型和水巖環(huán)境礦物組成改變的主要原因。

本次研究以安徽淮北煤田宿縣礦區(qū)為研究示范，根據(jù)水文地質(zhì)和水文地球化學調(diào)查，在對該礦區(qū)主要突水含水層地下水樣常規(guī)離子定性分析的基礎(chǔ)上，進一步利用反向水文地球化學模擬的方法，定量地闡明了地下水化學成分的形成作用，揭示了不同礦井之間的水力聯(lián)系。研究成果有望為華北隱伏型煤礦區(qū)礦井水害防治及地下水資源開發(fā)利用提供理論支持。

1 地質(zhì)背景

安徽淮北煤田宿縣礦區(qū)處于華北古大陸板塊東南緣，豫淮坳褶帶東部，徐宿弧形推覆構(gòu)造南端，相對處于一個封閉的環(huán)境[15]（見圖1）。礦區(qū)南、北分別以板橋斷裂、宿北斷裂為界，東、西分別以東三鋪斷層、固鎮(zhèn)-長豐斷裂、南坪斷層為界。區(qū)內(nèi)褶皺自東向西主要有宿東向斜、宿南向斜、宿南背斜。褶皺構(gòu)造的陡翼、倒轉(zhuǎn)翼，受水平擠壓力塑性變形作用，形成了大大小小的斷層，其傾向常與褶皺軸面一致，走向近褶皺軸向。已有研究資料表明宿縣礦區(qū)周圍的斷裂構(gòu)造控制了該區(qū)地下水的水循環(huán)條件，使其基本上形成了一個封閉、半封閉水文地質(zhì)單元[16]。根據(jù)地層的巖性、厚度、含水空間及埋藏條件，礦區(qū)主要突水含水層自上往下分別為：（1）松散層第四含水層（簡稱“四含”），主要有含泥質(zhì)中細砂、砂礫、礫石及粘土礫石組成。（2）二疊系煤系砂巖裂隙含水層（簡稱“煤系”），由一套厚層的陸相雜色粉砂巖，泥巖和砂巖，煤層組成，煤層富水性較弱。（3）石炭系太原組巖溶裂隙含水層（簡稱“太灰”），巖性為淺色厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，局部地區(qū)發(fā)育白云巖，致密、性脆、質(zhì)純、堅硬。地下水主要賦存于石灰?guī)r巖溶裂隙內(nèi)，富水性大小受巖溶發(fā)育程度控制。

2 數(shù)據(jù)收集與整理

收集與整理了宿縣礦區(qū)各礦主要突水含水層（四含、煤系、太灰）2010～2014年地下水樣品的常規(guī)離子以及pH值、礦化度（TDS）等數(shù)據(jù)，其中常規(guī)離子主要包括K++Na+（由于K+含量少且與

Na+化學性質(zhì)相似，以Na+代替）、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3。水樣數(shù)據(jù)合計174個，其中四含水樣48個，煤系水樣96個，太灰水樣30個。2010～2014年水樣點分布如圖1所示。結(jié)合宿縣礦區(qū)地質(zhì)背景條件，將宿縣礦區(qū)分為礦區(qū)東部（朱仙莊礦和蘆嶺礦）、礦區(qū)中部（祁南礦、祁東礦和桃園礦）和礦區(qū)西部（錢營孜礦、鄒莊礦）。由于收集數(shù)據(jù)多，為方便后續(xù)建立水文地球化學模型，分礦井計算了常規(guī)離子及pH值的均值（見表1），并繪制了Piper三線圖（見圖2）。

礦區(qū)東部四含水化學類型主要為SO4-Mg-Ca型、SO4-HCO3-Cl-Na型；中部四含水化學類型主要為SO4-Na-Ca型、SO4-HCO3-Na型；西部四含水化學類型主要為SO4-Na型、SO4-Na-Ca型，可見四含水化學類型空間變化大。礦區(qū)煤系水化學類型主要為HCO3-Na型、HCO3-SO4-Na型，其中東部煤系水化學類型主要為HCO3-Na型；中部煤系兩種水化學類型均存在；西部煤系水化學類型以SO4-HCO3-Na型為主，可見煤系水化學類型單一，逐漸趨于穩(wěn)定。礦區(qū)東部太灰水化學類型主要為SO4-HCO3-Na-Mg型、HCO3-Na型；中部太灰HCO3-，Ca2+及Mg2+逐漸增加，水化學類型為SO4-Na-Ca-Mg型、SO4-HCO3-Cl-Na型、HCO3-Na型；西部太灰水化學類型主要為SO4-Na型、HCO3-Cl-Na型，可見太灰水化學類型空間分布具有較為明顯的分帶性特征。研究區(qū)主要突水含水層水化學類型的空間分布特征受到水-巖相互作用以及地下水水流路徑等因素的影響。

3 水流路徑的選取

水流路徑的選取是水文地球化學模擬中的關(guān)鍵。對于有完整的補徑排系統(tǒng)的地下水，通常選擇補給區(qū)作為初始溶液，徑流區(qū)或者排泄區(qū)作為終點溶液。宿縣礦區(qū)主要通過周圍邊界補給，在煤礦開采的過程中通過“突”、“涌”、“淋”等方式排泄，地下水流表現(xiàn)出流程短，水流紊亂的特征。水質(zhì)濃度梯度場理論表明：TDS值小的地區(qū)，地下水與圍巖進行溶蝕、溶濾等水文地球化學作用的時間相對較短，水流補給充分；沿地下水流向，水-巖作用導致的水文地球化學演化過程不斷進行，TDS不斷增加。因此模擬路徑的選取主要依據(jù)主要突水含水層TDS空間分布，在研究區(qū)選擇相鄰礦井進行短距離模擬。從圖3中可以看出，四含TDS均值較高，從礦區(qū)四周向礦區(qū)中部逐漸減小，其中蘆嶺礦和錢營孜礦TDS值最高，分別達到3 14594mg/L和3 57973mg/L。煤系總體而言TDS變化不大，形成了以祁南礦為中心的低值區(qū)。太灰TDS分布與宿縣礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造吻合度較高，總體而言自東往西，自南向北逐漸增加，在蘆嶺礦處為最低值 （75449mg/L）， 在錢營孜礦出現(xiàn)最高值 （3 07703mg/L）。根據(jù)TDS等值線最終確定了模擬路徑，如表2所示。

4 可能礦物相的選取

礦物相的選取是水文地球化學模擬中的另一關(guān)鍵。離子組合比可用來探究水化學成分形成作用及離子來源。根據(jù)宿縣礦區(qū)地下水樣典型離子組合比分析，礦區(qū)地下水文地球化學環(huán)境相對復雜，受區(qū)域地質(zhì)背景條件與采礦活動影響，礦區(qū)主要突水含水層水化學成分的形成作用主要有黃鐵礦氧化，碳酸鹽、硫酸鹽溶解，陽離子交替吸附以及脫硫酸作用等。在模擬的過程中加入了H2S與O2用來表示黃鐵礦氧化作用，加入CH2O用來表示脫硫酸作用，加入Na+和Ca2+用來表示陽離子交替吸附作用，加入碳酸鹽、硫酸鹽以及CO2用來表示碳酸鹽、硫酸鹽溶解作用。結(jié)合宿縣礦區(qū)地層巖性特征和含水層礦物的鑒定資料，最終選擇的礦物相包括：方解石、白云石、鹽巖、石膏、H2S、O2、CO2、NaX、CaX2及CH2O，考慮到不同含水層水文地球化學特征的差異性，對不同含水層的可能礦物相進行了適當調(diào)整，具體如表3所示。

5 模擬結(jié)果分析

本文選用美國地調(diào)部門研制的PHREEQC軟件進行模擬。模擬的初始與終點溶液采用表1中的水化學數(shù)據(jù)。根據(jù)上述選取的礦物相以及表2中水流路徑，最終建立了宿縣礦區(qū)水文地球化學模型?？赡芩髀窂街械V物相的轉(zhuǎn)移在表4中列出，正值表示遷入溶液，負值表示遷出溶液；對于離子交換，正值表示Na+進入溶液被Ca2+置換，負值表示Na+遷出溶液，置換出了Ca2+。

從表4可以看出，四含在礦區(qū)不同礦井之間可以建立的模型數(shù)量有限。礦區(qū)東部礦井之間以及礦區(qū)中部礦井之間均不存在合理模型。礦區(qū)中部祁東礦與祁南礦水文地球化學特征相近，雖然存在可能水流路徑，但從模擬結(jié)果可以看出，水-巖相互作用不甚強烈，石膏微弱溶解，白云石微弱沉淀，陽離子交替吸附作用略強，但也僅有097mmol/L的Na+被置換。礦區(qū)西部礦井之間以及礦區(qū)中部礦井聯(lián)系緊密，存在鄒莊礦→錢營孜礦、鄒莊礦→祁南礦、祁南礦→錢營孜礦的水文地球化學模型。祁南礦→錢營孜礦以方解石、石膏、鹽巖溶解以及陽離子交替吸附作用為主，與祁東礦→祁南礦相比，水文地球化學作用明顯增強。鄒莊礦→錢營孜礦以及祁南礦→錢營孜礦水文地球化學過程類似，水文地球化學作用進一步加強，另有大量黃鐵礦的參與構(gòu)成了錢營孜礦SO2-4的主要來源。水文地球化學模擬定量揭示的地下水流路徑表明：采礦活動影響了四含地下水流場，進而影響了水-巖相互作用程度；礦區(qū)東部煤層開采時間久遠，采礦活動改變了周圍環(huán)境，破壞了地下水原有的徑流模式，直接影響了地下水成分，無法建立模型；而礦區(qū)西部為新開采區(qū)，又受西部南坪斷層影響，地下水在該區(qū)水文地球化學作用強烈，交替作用明顯，地下水中離子濃度較大，總?cè)芙夤腆w含量高。

從表4可以看出，煤系在礦區(qū)不同礦井之間可以建立的模型數(shù)量很少，僅存在礦區(qū)中部祁南礦向周邊其他礦井流動的水流路徑，包括祁南礦→祁東礦與祁南礦→桃園礦。從模擬結(jié)果可以看出，煤系巖鹽、硫酸鹽的溶解作用強烈，而碳酸鹽的溶解沉淀作用微弱。祁南礦→桃園礦溶解了842mmol/L的CaSO4以及404mmol/L的NaCl。另外，陽離子交替吸附作用增強，祁南礦→祁東礦458mmol/L的Na+與Ca2+發(fā)生置換作用；祁南礦→桃園礦194mmol/L的Na+與Ca2+發(fā)生置換作用，從而構(gòu)成了祁東礦、桃園礦Na+的主要來源。在建立模型時考慮了用CH2O代替脫硫酸作用，H2S代替黃鐵礦的氧化作用，但在實際模擬結(jié)果中并沒有顯示CH2O、H2S參與。水文地球化學模擬定量揭示的地下水流路徑表明：煤系地下水橫向徑流特征不明顯，進而弱化了水-巖相互作用程度，以致煤系水化學類型以HCO3-Na型、HCO3-SO4-Na型為主，水化學類型逐漸趨于穩(wěn)定；水化學類型的空間分布主要受斷層影響，從而控制了含水層的封閉程度，進而決定了水化學類型。

從表4可以看出，太灰在礦區(qū)不同礦井之間可以建立的模型最多。從模擬結(jié)果可以看出，礦區(qū)東部礦井與礦區(qū)中部礦井建立了蘆嶺礦→朱仙莊、朱仙莊礦→桃園礦、蘆嶺礦→桃園礦、蘆嶺礦→祁東礦的水文地球化學模型，反映出蘆嶺礦、朱仙莊礦、桃園礦及祁東礦四者之間形成了一個循環(huán)系統(tǒng)。在這些水流路徑中，主要有方解石沉淀，白云石溶解，石膏溶解以及CO2的溶解作用，幾乎不存在陽離子交替吸附作用。礦區(qū)中部存在祁東礦→桃園礦的水流路徑，其水文地球化學過程與前述礦區(qū)東部礦井與礦區(qū)中部礦井之間過程類似。從模擬結(jié)果可以看出，礦區(qū)中部桃園礦、祁南礦均能發(fā)生向礦區(qū)西部錢營孜礦流動的水文地球化學模型，祁南礦→錢營孜礦和桃園礦→錢營孜礦的水文地球化學模型相近，地下水流路徑上發(fā)生了方解石、白云石溶解作用以及陽離子交替吸附作用，同時也存在黃鐵礦的氧化作用，其中祁南礦→錢營孜礦除了黃鐵礦氧化作用給錢營孜礦帶來了豐富的SO2-4，石膏溶解也是重要的SO2-4來源。礦區(qū)西部錢營孜礦與鄒莊礦之間并不存在合理模型。水文地球化學模擬定量揭示的地下水流路徑表明：太灰含水層除受采礦活動影響外，還受斷裂（層）與褶皺控制，進而影響了水-巖相互作用程度，水化學類型空間分布具有較為明顯的分帶性。

5 結(jié)論

本文選取典型地下水流路徑建立了地球化學模型，開展了水文地球化學演化定量模擬，探討了水文地球化學演化的主要因素，得出了如下主要結(jié)論：

1）應(yīng)用傳統(tǒng)水文地球化學理論和方法對礦區(qū)主要突水含水層水-巖相互作用及地下水流場特征進行了定性分析，基于該分析結(jié)果建立的水文地球化學模型是合理的。

2）應(yīng)用地球化學模擬方法對礦區(qū)地下水流路徑及水文地球化學演化進行了定量分析可知，礦區(qū)四含水力聯(lián)系緊密，黃鐵礦的氧化與陽離子交替吸附作用是四含水文地球化學演化的主要水-巖相互作用。煤系地下水總體徑流條件差，水-巖相互作用趨于穩(wěn)定。太灰中東部水動力條件較好，碳酸鹽的溶解沉淀是水文地球化學演化的主要水-巖相互作用；西部水力聯(lián)系較小，陽離子交替吸附作用與黃鐵礦的氧化作用是水文地球化學演化的主要水-巖相互作用。

3）應(yīng)用地球化學模擬方法對于識別地下水演化及控制因素具有可行性，礦區(qū)地球化學模擬結(jié)果揭示了地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及人類活動控制了地下水流場，進而影響了水-巖相互作用程度，對認識礦區(qū)水文地球化學演化機制，地下水循環(huán)具有一定的意義。

參考文獻：

[1] 武強，趙蘇啟，董書寧，等.《煤礦安全規(guī)程》（防治水部分）修改技術(shù)要點剖析[J]. 中國煤炭地質(zhì)，2012，24（7）：34-37.

[2] 姜諳男，梁冰.地下水化學特征組分識別的粒子群支持向量機方法[J].煤炭學報，2006，31（3）：310-313.

[3] 周來，馮啟言，楊建華，等. 濟寧三號井田礦井突水的水化學特征和水源判別[J].中國礦業(yè)，2005，14（8）：66-69.

[4] 桂和榮，陳陸望. 礦區(qū)地下水水文地球化學演化與識別[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2007：2-100.

[5] 陳陸望，許冬清，殷曉曦，等. 華北隱伏型煤礦區(qū)地下水化學及其控制因素分析——以宿縣礦區(qū)主要突水含水層為例[J]. 煤炭學報，2017，42（4）：996-1 004.

[6] 許光泉，沈慧珍，魏振岱，等. 宿南礦區(qū)新生界底部沉積物特征與沉積模式[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（6）：10-13.

[7] 黃平華，陳建生. 焦作礦區(qū)地下水水化學特征及涌水水源判別的FDA模型[J]. 煤田地質(zhì)與勘探， 2011， 39（2）： 42-46.

[8] 楊永國，黃福臣. 非線性方法在礦井突水水源判別中的應(yīng)用研究[J]. 中國礦業(yè)大學學報， 2007， 36（3）： 283-286.

[9] 錢家忠，杜奎，趙衛(wèi)東，等. 基于投影尋蹤技術(shù)的礦井突水水源判別模型——以新莊孜煤礦為例[J]. 地質(zhì)論評，2012，58（6）：1 175-1 179.

[10] 王心義，徐濤，黃丹. 距離判別法在相似礦區(qū)突水水源識別中的應(yīng)用[J].煤炭學報，2011，36（8）：1 354-1 358.

[11] 魏亞妮，李培月，錢會，等.水文地球化學模擬研究與應(yīng)用[J]. 水資源與水工程學報，2010，21（1）：58-61.

[12] WICKS C M，HERMAN J S.The effect of a confining unit on the geochemical evolution of ground water in the upper floridan aquifer system[J]. Journal of Hydrology， 1994， 153（1）： 139-155.

[13] ULIANA M M，SHARP J M.Tracing regional flow paths to major springs in Trans-Pecos Texas using geochemical data and geochemical models[J]. Chemical Geology， 2001， 179（1）： 53-72.

[14] 王冰，夏雨波， 劉東林， 等. PHREEQC模擬寶坻區(qū)地表水回灌霧迷山組地熱井探析[J]. 地質(zhì)調(diào)查與研究， 2015， 38（4）： 317-320.

[15] 袁建飛，毛緒美，王焰新. 珠江口東北部地下水稀土元素的無機形態(tài)[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2013， 40（6）： 14-21.

[16] 李霄，林學鈺，都基眾，等. 齊齊哈爾市潛水水化學演化規(guī)律分析[J]. 水利學報，2014，45（7）：815-827.

（責任編輯：李 麗，范 君）