淮南中區(qū)13-1煤層砂巖水文地球化學(xué)特征及成因

許光泉，汪 楠，高宇航，蘇 悅，李亞昊

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤炭資源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，而煤層頂?shù)装迳皫r水害問(wèn)題一直嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)。華北煤田因受多期構(gòu)造地質(zhì)作用，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜多樣，水害類型防治形勢(shì)極為嚴(yán)峻。其中煤層頂?shù)装迳皫r水害對(duì)煤層開(kāi)采為直接影響因素，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)防治是確保煤層安全開(kāi)采重要前提。針對(duì)煤層頂板水害防治理論與方法有“上三帶”理論[1]、三圖-雙預(yù)測(cè)法[2]、水文地球化學(xué)法[3-6]等。其中水文地球化學(xué)方法是研究含水層水化學(xué)組分形成、分布、遷移和富集重要方法[7-8]。文獻(xiàn)[9]利用水文地球化學(xué)方法分析顧北礦太原組水化學(xué)組分特征、查明其控制因素；文獻(xiàn)[10]利用常規(guī)水化學(xué)組分對(duì)淮北桃園煤礦煤系砂巖水水化學(xué)特征進(jìn)行分析，得出砂巖裂隙水具有奧灰水水質(zhì)特征，接受奧灰含水層水間接補(bǔ)給。文獻(xiàn)[11-12]以淮南礦區(qū)為對(duì)象，采用多種作圖方法通過(guò)主要含水層水化學(xué)特征進(jìn)行分析，判別突水水源，而對(duì)于煤層頂板砂巖含水層水化學(xué)組分在空間上的分布規(guī)律及其形成作用相關(guān)研究較少。

為此，本文以淮南煤田中部的張集-謝橋-顧北礦13-1煤頂?shù)装迳皫r裂隙水為研究對(duì)象，采用水文地球化學(xué)方法、多元統(tǒng)計(jì)方法系統(tǒng)分析煤系砂巖水水文地球化學(xué)特征，探討其成因和控制因素，為煤層頂板砂巖水害防治提供一定理論依據(jù)，也為類似礦區(qū)研究提供參考。

1 地質(zhì)與水文地質(zhì)背景

張集-謝橋-顧北礦位于淮南煤田水文地質(zhì)單元中區(qū)，西以F5斷層為界，北以陳橋背斜為界，南到阜鳳斷層。區(qū)內(nèi)發(fā)育百條斷層落差大不等斷層，其中落差大于100m的斷層共17條，以正斷層為主。地層由老至新為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、以及第四系松散層等。新生界松散層巖性主要以粉、細(xì)砂及粘土質(zhì)砂為主；二疊系地層以細(xì)砂巖與泥巖為主，局部為中粗砂巖和石英砂巖，多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，少量為硅質(zhì)膠結(jié)，為煤系地層，主采煤層為13-1、11-2、8、6-2、1煤；石炭系太原組以灰?guī)r為主、夾泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及薄煤層；奧陶系以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主；寒武系巖性主要為灰?guī)r、白云巖與頁(yè)巖，如圖1所示。

(a)水文地質(zhì)平面圖及采樣點(diǎn)分布圖

(b)水文地質(zhì)剖面圖圖1 研究區(qū)基巖水文地質(zhì)圖

研究區(qū)從上至下為新生界松散含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層、奧陶系巖溶含水層、寒武系巖溶含水層。其中，二疊系煤層煤系砂巖含水層隱伏于巨厚的松散層之下，煤系露頭上覆有中隔+紅層復(fù)合隔水層，有效阻隔與新生界含水層的水力聯(lián)系。13-1煤系砂巖裂隙在空間上發(fā)育不均一性，導(dǎo)致砂巖裂隙水在空間上分布的不均勻性，以靜儲(chǔ)量為主，容易疏干，單位涌水量0.0 000 338～0.158L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.000 079～1.277m/d，因此，富水性弱～中等。

受多期地質(zhì)構(gòu)造作用影響，區(qū)內(nèi)發(fā)生擠壓和抬升，在三疊紀(jì)—白堊紀(jì)期間區(qū)內(nèi)抬升后，發(fā)生沉積間斷，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)風(fēng)化剝蝕作用過(guò)程，古大氣降水由露頭區(qū)沿著單斜方向?qū)\埋區(qū)和深埋區(qū)進(jìn)行入滲補(bǔ)給，但又受斷層和褶皺控制。后期被新生界松散層所覆蓋，煤層頂?shù)装迳皫r水在自然狀態(tài)下為流動(dòng)滯緩。當(dāng)開(kāi)采后，發(fā)生疏水，致使砂巖裂隙水由滯留狀態(tài)變化以采場(chǎng)為影響范圍降落漏斗發(fā)生快速流動(dòng)。

2 采樣與測(cè)試

3 煤層頂板砂巖水化學(xué)組分

3.1 水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)特征

表1 13-1煤層頂?shù)装迳皫r水水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)

3.2 水化學(xué)類型

利用，采用舒卡列夫分類法對(duì)13-1煤層頂板砂巖裂隙水各陰陽(yáng)離子組分含量進(jìn)行水質(zhì)類型劃分，其Piper三線圖如圖2所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水化學(xué)類型以Cl-Na、Cl·HCO3-Na、HCO3·Cl-Na和SO4·Cl-Na為主。

圖2 13-1煤層頂板砂巖水的Piper三線圖

3.3 各水化學(xué)組分垂向上分布特征

(a)陽(yáng)離子

(b)陰離子圖3 離子含量與深度的變化關(guān)系

表2 主要離子濃度隨深度變化關(guān)系

4 水文地球化學(xué)組分成因

上述離子組分在空間上的變化規(guī)律，反映出地下水在砂巖含水層中流動(dòng)狀態(tài)息息相關(guān)，而這種相關(guān)又與介質(zhì)性質(zhì)和地下水所處環(huán)境分不開(kāi)的，其中各種水巖相互作用所表現(xiàn)出的溶濾作用、交換吸附作用，以及在氧化與還原環(huán)境下的脫硫酸作用和氧化作用等對(duì)砂巖裂隙水水質(zhì)變化起重要的控制作用。

4.1 水文地球化學(xué)形成作用

1)溶濾作用與交替吸附作用。通常采用離子組合比方法反映水化學(xué)成分形成作用及離子來(lái)源[13]。Cl-在地下水中相對(duì)較為穩(wěn)定，常用離子交換濃度γ(Na+)與γ(Cl-)的比值來(lái)揭示Na+的來(lái)源。如果γ(Na+)/γ(Cl-)系數(shù)等于1，反映地下水中Na+、Cl-主要來(lái)源于鹽巖的溶解[14]。由圖4(a)可知，γ(Na+)/γ(Cl-)比值均大于1，反映研13-1煤層砂巖含水層中的Na+除了來(lái)源于鹽巖溶解外，還有其它來(lái)源，由于Ca2+，Mg2+吸附于顆粒表面的能力強(qiáng)于Na+，煤系含水層中存在陽(yáng)離子交替吸附作用，導(dǎo)致Na+在水中富集的原因之一。

若CAI-1和CAI-2均為負(fù)值，說(shuō)明地下水發(fā)生正向的陽(yáng)離子離子交換作用；如果氯堿指數(shù)為正值，則地下水發(fā)生反向陽(yáng)離子離子交換作用，如圖4(c)可知，13-1煤層頂板砂巖水中的氯堿指數(shù)都小于0，說(shuō)明其頂板砂巖水中的陽(yáng)離子發(fā)生正向的離子交換作用，使得頂板砂巖水中的Na+含量增加。

圖4 不同離子組分比關(guān)系圖

將上述主要常規(guī)離子含量經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后代入主成分方程，得砂巖水荷載得分，并繪制成F1與F2荷載關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖5(b)所示，發(fā)現(xiàn)水樣點(diǎn)主要集中在F2軸附近，反映出地下水主要以溶濾作用、陽(yáng)離子交換和吸附作用及脫硫酸作用等多種混合作用并存。

F1=-0.669x1+0.876x2+0.694x3+0.666x4+

0.158x5-0.901x6-0.534x7

F2=0.614x1+0.218x2-0.159x3+0.464x4+

0.795x5-0.0.040x6+0.262x7

(a)常規(guī)離子因子載荷圖 (b)主成分荷載得分圖圖5 常規(guī)離子荷載圖與荷載得分圖

4.2 砂巖裂隙水的控制條件

研究區(qū)為潘謝礦區(qū)次一級(jí)水文地質(zhì)構(gòu)造單元，為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立水文地質(zhì)單元，其內(nèi)部煤層頂?shù)装迳皫r水受地質(zhì)構(gòu)造和開(kāi)采擾動(dòng)共同影響，使得水化學(xué)組分及水質(zhì)類型在空間上存在一定差異性。再者，研究區(qū)又為一個(gè)構(gòu)造轉(zhuǎn)折端，以張性正斷層為主，裂隙較為發(fā)育，且為一單斜地層。在經(jīng)歷漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期，古大氣降水補(bǔ)給地下水流動(dòng)自北向南多以順層流動(dòng)(見(jiàn)圖1a)，沿途發(fā)生溶濾作用，且地下水沿徑流方向發(fā)生陽(yáng)離子交替和吸附作用，使得Ca2+、Mg2+不斷置換出Na+，使Na+含量不斷增加，導(dǎo)致水化學(xué)類型以Cl-Na為主。

當(dāng)13-1煤層開(kāi)采擾動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致不同水平深度砂巖水在局部地段徑流速度加快，有利于發(fā)生脫硫酸作用。如顧北礦區(qū)F104斷層南側(cè)主采區(qū)，徑流條件較好，脫硫酸作用明顯，水質(zhì)類型為Cl·HCO3-Na和HCO3·Cl-Na，即局部受開(kāi)采影響形成氧化環(huán)境，發(fā)生黃鐵礦氧化作用使水質(zhì)類型轉(zhuǎn)化為SO4·Cl-Na。但在北側(cè)水化學(xué)類型以Cl-Na為主，而HCO3·Cl-Na和Cl·HCO3-Na為輔，因此不同區(qū)塊地下水化學(xué)組分及其類型受斷層控制影響較大。

5 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)砂巖水中離子組分含量及形成因素控制分析，得出以下結(jié)論：

(2)單斜含水層地下水發(fā)生了溶濾作用、脫硫酸作用、陽(yáng)離子交換、吸附作用、黃鐵礦氧化作用等；

(3)煤系砂巖裂隙水的水化學(xué)組分含量分布除了受構(gòu)造控制外，還與埋藏條深度和地下水動(dòng)力條件等外界因素相關(guān)。