潘三礦區(qū)地下水化學(xué)特征及成因分析

張 妹，劉啟蒙，劉凱旋

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

地下水化學(xué)成分的形成以及各種化學(xué)元素在其內(nèi)部的遷移規(guī)律是地下水化學(xué)主要的研究對象[1]。水中所含離子等化合物隨地下水的物質(zhì)能量交換和循環(huán)變化而變化，受到周圍地質(zhì)環(huán)境的影響[2]。因此研究地下水中的化學(xué)特征具有重要意義。

陳陸望等[3]運(yùn)用多元統(tǒng)計學(xué)中的PCA法對淮北任樓井田不同時期的水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出地下含水層中水化學(xué)性質(zhì)同時受到地質(zhì)環(huán)境和采動作用的影響，為以后生產(chǎn)中受采動影響的突水工作面水源識別提供一定依據(jù)。欒風(fēng)嬌等[4]采用數(shù)理統(tǒng)計、Piper三線圖、Gibbs圖等方法對新疆巴里坤-伊吾盆地地下水水樣進(jìn)行分析研究，揭示了地下水的循環(huán)主要受到蒸發(fā)濃縮作用、巖石風(fēng)化溶解作用以及陰陽離子交換作用的影響。孫林華等[5]采用多種數(shù)理統(tǒng)計同時結(jié)合離子相關(guān)性分析，闡明了皖北桃園煤礦地下含水層中化學(xué)成分特征以及相關(guān)控制因素，為深部水巖作用的研究以及生產(chǎn)過程中水源的識別提供一定的理論依據(jù)。除此之外，比如灰色關(guān)聯(lián)度法[6]、Fisher判別法[7-8]、Bayes分析法[9-10]、同位素分析法[11]、質(zhì)量濃度等值線圖[10,12-13]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]、Piper三線圖[15-16]等多種方法被學(xué)者應(yīng)用于地下水化學(xué)分析中，為識別礦井突水水源提供了理論支撐。潘三礦區(qū)自生產(chǎn)以來，前人對其水化學(xué)成分分析較少，本文在結(jié)合潘三礦地下水水質(zhì)成果資料以及相關(guān)水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計、Piper三線圖、相關(guān)性分析、TDS與各離子變化曲線圖、地下水Gibbs模型以及離子比例系數(shù)法對潘三礦區(qū)地下水化學(xué)特征以及成因進(jìn)行分析，為快速判斷工作面突水水源提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

潘三礦地處淮南市西北部，位于東經(jīng)116°41′45″～116°48′45″，北緯32°47′30″～32°52′30″之間。東西走向長9.6km，南北傾向?qū)?.8km，面積為56km2。處于淮河沖積平原，地形平坦，標(biāo)高19.50～23.50m左右。本區(qū)屬過渡帶氣候，季節(jié)性明顯，年平均降雨量為893.74mm，雨季淮河水位上漲易成內(nèi)澇。

據(jù)資料可知，威脅礦井安全生產(chǎn)的含水層主要有3組，首先是新生界松散含水組(主要是下含)，新生界平均厚度為378.93m，其中下含平均厚度為57.65m。下含中以含泥砂礫層為主，其次粉細(xì)砂，礫石為石英巖、石英砂巖及巖漿巖，偶見灰?guī)r礫石，結(jié)構(gòu)疏松。補(bǔ)給水源貧乏，以儲存量為主。其直接覆蓋于煤系地層砂巖露頭上，受采動的影響，易形成降落漏斗。其次是煤系砂巖裂隙含水組，砂巖分布于煤層與泥巖、砂質(zhì)泥巖之間，砂巖裂隙發(fā)育較少，補(bǔ)給貧乏，富水性弱。煤系砂巖裂隙水是13-1煤、11-2煤、8煤開采過程中的主要突水水源；最后是灰?guī)r巖溶裂隙含水組，太原組灰?guī)r厚度135.72m，由灰?guī)r、泥巖及砂巖組成，其中含12層灰?guī)r，夾5～10層不穩(wěn)定薄煤層及炭質(zhì)泥巖，該組含水層為1煤底板直接充水含水層；奧灰揭露厚度為28.18～109.18m不等，巖性以白云質(zhì)灰?guī)r為主，次為角礫狀灰?guī)r，硅質(zhì)灰?guī)r，夾泥質(zhì)灰?guī)r，局部巖溶裂隙發(fā)育。太灰與奧灰都以底礫層為導(dǎo)水介質(zhì)，滲透補(bǔ)給煤系砂巖裂隙含水層。

井田內(nèi)地勢西北高東南略低，新生界淺層地下水受大氣降水和地表水的補(bǔ)給，深層承壓水與淺層無水力聯(lián)系，以靜儲量為主，區(qū)內(nèi)斷層褶皺較多以及隱伏陷落柱的作用，其補(bǔ)給方式主要來自側(cè)向。

2 水樣的選取與數(shù)據(jù)分析

2.1 水樣選取

結(jié)合潘三礦區(qū)水文地質(zhì)資料，從潘三礦區(qū)水質(zhì)分析成果臺賬中獲取2012年前后的19組水樣，其中，新生界下含水樣5組(X1，X2，X3，X4，X5)，煤系砂巖水樣6組(M1，M2，M3，M4，M5，M6)，灰?guī)r巖溶水樣8組(H1，H2，H3，H4，H5，H6，H7，H8)。主要采樣點(diǎn)分布見圖1，礦井水質(zhì)分析的單位主要為淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤炭中心試驗(yàn)室、安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院、潘北礦水質(zhì)化驗(yàn)室。

圖1 潘三礦區(qū)采樣點(diǎn)示意

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 常規(guī)水化學(xué)特征值

采用Excel對3個含水層的水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行水化學(xué)參數(shù)特征分析，結(jié)果詳見表1。由表1易知，井田內(nèi)pH值變化范圍在8.13～9.04之間，平均值約8.33，變異系數(shù)偏小，整個含水層處于弱堿性狀態(tài)。整個井田內(nèi)TDS值普遍較高，TDS平均值為2200mg/L，其中新生界下含含水層中TDS值變化較小，煤系砂巖和灰?guī)r巖溶含水層中TDS值變化較大，變化幅度達(dá)1832mg/L。

表1 地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征值 (mg/L)

2.2.2 水化學(xué)類型

地下水按其化學(xué)成分具有不同的分類方法，本文采用Piper三線圖來分析該礦區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)性質(zhì)的演化規(guī)律，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不受人為因素的影響。

圖2 研究區(qū)地下水化學(xué)成分Piper三線圖

2.2.3 相關(guān)性系數(shù)矩陣

TDS與各離子之間的聯(lián)系可以綜合反映地下水的成因[4，17]。結(jié)合采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)利用SPSS軟件得到各離子間的相關(guān)系數(shù)矩陣和用Excel作出TDS和各離子的關(guān)系擬合曲線圖，見表2和圖3。

表2 相關(guān)系數(shù)矩陣

1-5號為新生界下含水樣；6-11號為煤系砂巖水樣；12-19號為灰?guī)r水樣圖3 TDS與各離子的關(guān)系

3 水化學(xué)成因的討論

3.1 基于Gibbs圖的離子分析

圖4 研究區(qū)地下水Gibbs

3.2 水中化學(xué)成分來源分析

3.2.1 γ(Na++K+)/γ(Cl-)

Na+和K+的來源可以通過γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值來反映。當(dāng)γ(Na++K+)/γ(Cl-)小于1時，表明地下水中發(fā)生硅酸巖的溶解作用，反之是鹽巖的溶解。圖5(a)中可看出，整個研究區(qū)內(nèi)所取的水樣點(diǎn)都位于γ(Na++K+)/γ(Cl-)=1的上方，說明井田內(nèi)Na+和K+主要來源于鹽巖的溶解。

注：y=x表示橫、縱坐標(biāo)兩種離子毫克當(dāng)量數(shù)相等圖5 離子比值關(guān)系

4 結(jié) 論

(2)研究區(qū)內(nèi)水化學(xué)類型相似，各含水層均受到采動的影響。區(qū)內(nèi)新生界下含和灰?guī)r含水層中的水質(zhì)類型為Cl-Na型和Cl-Na型、SO4·HCO3·Cl-Ca·Na型，煤系砂巖含水層的水質(zhì)類型為HCO3·Cl-K+Na型、Cl-Na型和Cl·SO4-Na型。

(3)Gibbs圖中得出研究區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)特征主要受蒸發(fā)作用的影響，其次是巖石風(fēng)化。離子比例圖中可知地下水中Na+和K+主要來源于鹽巖的溶解；Ca2+，Mg2+來源于硅酸巖或蒸發(fā)巖溶解；蒸發(fā)巖溶解作用在地下水化學(xué)成分里占主要作用，其次是碳酸鹽溶解作用。

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