逆沖推覆體下煤系砂巖和太灰含水層水化學(xué)特征

傅先杰，高生保，鄭劉根，姜春露，安艷晴

(1.中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232170；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

逆沖推覆構(gòu)造是地質(zhì)構(gòu)造中較為復(fù)雜的一種構(gòu)造形式。自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，國(guó)際地質(zhì)學(xué)界掀起了研究逆沖推覆構(gòu)造的高潮[1]。我國(guó)對(duì)推覆體下的煤炭開(kāi)采研究起步于20世紀(jì)90年代，主要集中在淮南煤田，尤其是新集礦區(qū)[2](新集一礦、新集二礦以及新集三礦)。在淮南復(fù)向斜南北兩翼，由于受南北壓應(yīng)力作用，發(fā)育了一系列走向壓扭性逆沖斷層，其中阜鳳(阜陽(yáng)-鳳臺(tái))逆沖斷層使寒武系地層自南向北推覆于二疊系煤系地層之上[3](見(jiàn)圖1)。

在礦井采煤領(lǐng)域，許多學(xué)者通過(guò)礦井水化學(xué)資料對(duì)含水層水化學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]利用含水層水化學(xué)特征離子來(lái)判斷主要突水含水層。文獻(xiàn)[5]采用水文地球化學(xué)方法，系統(tǒng)探討了礦區(qū)含水層水化學(xué)特征及成因。文獻(xiàn)[6-7]分析了隱伏型煤礦含水層的水化學(xué)形成及其控制因素。文獻(xiàn)[8]研究了煤系砂巖裂隙含水層所處的水化學(xué)環(huán)境。文獻(xiàn)[9-10]分析煤系砂巖和太灰充水含水層及其他含水層水樣的常規(guī)水化學(xué)特征，為水源識(shí)別提供信息。與以往正常地層層序條件下礦井水文地球化學(xué)研究相比，目前對(duì)推覆構(gòu)造下的礦井含水層水化學(xué)特征的研究較少。新集礦區(qū)是勘查與開(kāi)采大型推覆體掩蓋下煤層取得成功的典范[11]。由于推覆體形成的擠壓作用，使原地系統(tǒng)二疊系軟弱的含煤地層破壞嚴(yán)重，尤其是靠推覆面附近破壞更甚[10]。礦區(qū)內(nèi)二疊系煤系砂巖水含水層位于可采煤層與泥巖之間，是礦井生產(chǎn)過(guò)程常見(jiàn)的主要水害類(lèi)型。太原組主要以灰?guī)r為主，導(dǎo)水能力較強(qiáng)，對(duì)生產(chǎn)構(gòu)成威脅[12]，且礦區(qū)部分主采煤層不同程度的隱伏于推覆體地層之下[13]。因此，對(duì)阜鳳推覆體影響下的新集礦區(qū)(新集一礦、二礦和三礦)煤系砂巖以及太灰含水層進(jìn)行取樣和測(cè)試分析，采用Piper三線(xiàn)圖、相關(guān)性分析及離子比例系數(shù)討論水化學(xué)特征及其成因，以期為推覆體下安全開(kāi)采提供依據(jù)。

2 樣品采集與測(cè)試

2.1 研究區(qū)概況

新集礦區(qū)位于安徽省北部的淮河北岸，淮南煤田南緣中部，地處淮河沖積平原上，地表平坦，海拔高度多在22～26m之間，地勢(shì)西高東低。礦區(qū)構(gòu)造上屬華北板塊東南緣[14]，豫淮坳陷南部、淮南復(fù)向斜謝橋向斜的南翼、阜鳳推覆構(gòu)造中段，主體構(gòu)造線(xiàn)呈北西西向展布(見(jiàn)圖2)。礦區(qū)地層可分為推覆體外來(lái)系統(tǒng)和原地系統(tǒng)。外來(lái)系統(tǒng)主要由下元古界片麻巖和寒武系灰?guī)r等組成，原地系統(tǒng)包含奧陶系灰?guī)r、太原組灰?guī)r地層及煤系地層等。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要受推覆體水、煤系砂巖水、太灰水、奧灰水、老空水等多種類(lèi)型水害影響。尤其是煤系砂巖水和太灰水是煤層開(kāi)采的直接充水水源，對(duì)煤層的開(kāi)采影響很大，是工作面開(kāi)采最主要的水害威脅。

本文以離新集礦區(qū)較近但又不受逆沖推覆體的影響的張集礦做對(duì)比礦井，分析推覆體對(duì)水化學(xué)特征的影響。張集位于謝橋向斜北翼，地處陳橋背斜的東南傾伏端，總體形態(tài)呈扇形展布的單斜構(gòu)造，地層走向呈不完整的弧形轉(zhuǎn)折。張集礦主要充水含水層也是煤系砂巖裂隙水、灰?guī)r巖溶裂隙水為主。

圖2 淮南煤田構(gòu)造示意圖及采樣點(diǎn)分布圖

2.2 樣品采集與測(cè)試

表1 樣品采集信息

3 結(jié)果與討論

3.1 常規(guī)水化學(xué)特征

新集礦區(qū)和張集礦煤系砂巖水和太灰水常規(guī)離子含量如表2所示。新集一礦和二礦砂巖水TDS較高，分布范圍分別為1 322.0～6 348.2mg/L和2 203.7～6 864.1mg/L，平均值分別為2 929.0mg/L和4 014.7mg/L，新集三礦砂巖水TDS相對(duì)較低，最大值為2 076.1 mg/L，平均值為1 471.5 mg/L。礦區(qū)太灰水TDS差異相對(duì)較小，三個(gè)礦井平均值分別為1 443.1mg/L、1 709.3mg/L、1 138.6mg/L。砂巖水陽(yáng)離子中Na+占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)量濃度占比52.8%～98.7%；陰離子以Cl-為主，當(dāng)量濃度占比29.7%～92.4%，水化學(xué)類(lèi)型以Cl-Na、Cl·HCO3-Na為主。太灰水陽(yáng)離子以Na+為主，當(dāng)量濃度占比7.0%～98.6%，平均值為69.3%，Ca2+次之；陰離子以Cl-為主，當(dāng)量濃度占比60%～80.1%，平均值為52.8%，HCO3-含量次之，水化學(xué)類(lèi)型以Cl·HCO3-Na、Cl-Na、Cl·HCO3-Na·Ca為主。

非推覆體下的張集礦和處于推覆體前緣、離推覆體較遠(yuǎn)的新集三礦砂巖水的TDS含量類(lèi)似，均值在1 500mg/L左右，水化學(xué)類(lèi)型也類(lèi)似，均是以Cl·HCO3-Na型為主，可能是受推覆體影響較小的原因；而張集礦太灰水TDS含量比新集礦區(qū)高，陰離子以Cl-為主，陽(yáng)離子均是Na+離子為主，水質(zhì)類(lèi)型以Cl-Na型為主，這可能是張集礦處于謝橋向斜深部，太原組灰?guī)r含水層水流滯緩造成的。

表2 煤系砂巖水和太灰水水化學(xué)特征表

(a)砂巖水 (b)太灰水圖3 煤系砂巖水和太灰水Piper三線(xiàn)圖

由水化學(xué)Piper圖可知，新集礦區(qū)砂巖水中陽(yáng)離子和陰離子在左右三角形中分別相對(duì)均較集中，尤其是陽(yáng)離子，主要分布在三角形中的右下角，表明Na+占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；新集一礦和三礦陰離子分別相對(duì)較為集中，由一礦到二礦再到三礦，陰離子中HCO3-離子含量逐漸增加，水化學(xué)類(lèi)型也由Cl-Na型為主變?yōu)镃l·HCO3-Na型為主。太灰水中陽(yáng)離子和陰離子在左右三角形中分布均較分散，表明太灰水水化學(xué)類(lèi)型多樣。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)報(bào)告，鉆孔揭露新集二礦太原組灰?guī)r的鉆孔有88個(gè)，一般巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，大多數(shù)鉆孔未發(fā)現(xiàn)漏水，單位涌水量q=0.000 014 7～0.009L/(s·m)；新集一礦太灰含水層q=0.000 041 9～0.034L/(s·m)。表明新集礦區(qū)太灰含水層巖溶裂隙發(fā)育不均一，非均質(zhì)性明顯，連通性和水動(dòng)力條件較差。這是造成太灰水化學(xué)類(lèi)型多樣的重要原因。

3.2 相關(guān)性分析

地下水中離子特征可以通過(guò)TDS的濃度的變化來(lái)表述。利用SPSS軟件可得到各離子與TDS的相關(guān)性系數(shù)矩陣(見(jiàn)表3)。

表3 砂巖水和太灰水的各水化學(xué)組分間的相關(guān)系數(shù)

注：大于0.05表示通過(guò)顯著檢驗(yàn)。

(a)煤系砂巖水 (b)太灰水圖4 TDS與關(guān)系變化圖

3.3 離子比例系數(shù)分析

分析地下水中主要離子成分和離子比例特征，可以判斷地下水的成因和地下水化學(xué)成分的來(lái)源及其形成過(guò)程[16]。

1)γNa+/γCl-系數(shù)

γNa+/γCl-系數(shù)是表征水巖作用中礦物質(zhì)鹽分淋溶與積累強(qiáng)度的標(biāo)志，此系數(shù)又稱(chēng)為地下水的成因系數(shù)[17]。由于Cl-化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很少產(chǎn)生吸附、沉淀和交換反應(yīng)，而Na+則可能由于吸附、沉淀等化學(xué)反應(yīng)而減少，所以該系數(shù)對(duì)判斷地下水中Na+離子富集程度有重要意義。自然條件下，由于巖鹽的溶解會(huì)釋放出等量的Na+和Cl-進(jìn)入溶液[18]，因此，當(dāng)γNa+/γCl-接近于1時(shí)，表明含巖鹽地層的溶濾在地下水中起主導(dǎo)作用。由圖5可以看出，新集一礦、二礦以及三礦，太灰水和砂巖水的水樣點(diǎn)多數(shù)位于1∶1和1.5∶1之間。張集礦區(qū)砂巖水γNa+/γCl-系數(shù)值為1.51，太灰水為1.36，與新集礦區(qū)該系數(shù)值大體一致。表明張集以及新集礦區(qū)煤系砂巖和太灰含水層中的Na+來(lái)源主要為巖鹽溶解，同時(shí)，鈉長(zhǎng)石的溶解及Ca2+、Mg2+和Na+之間的陽(yáng)離子交替吸附也提供了一定的Na+。

(a)新集一礦 (b)新集二礦 (c)新集三礦圖5 γNa+/γCl-比值相關(guān)圖

2)γHCO3-/γCl-系數(shù)

(a)新集一礦 (b)新集二礦 (c)新集三礦圖6 γHCO3-/γCl-比值相關(guān)圖

圖7 TDS-γHCO3-/γCl-圖

γCl-/γCa2+是用來(lái)描述水動(dòng)力特征的參數(shù)。Cl-通常在水動(dòng)力條件滯緩的區(qū)域富集，而Ca2+是低礦化度水中的主要離子，所以通常γCl-/γCa2+值越大，表明該區(qū)域水動(dòng)力條件越差[21]，地下水流動(dòng)滯緩，水流交替作用弱，溶濾作用不充分，巖層中易保留易溶鹽。新集一礦、二礦和三礦砂巖水γCl-/γCa2+系數(shù)均值分別為11.59，19.71，4.66；太灰水該系數(shù)的均值分別為21.09，23.01，2.36，表明新集礦區(qū)砂巖水和太灰水的水動(dòng)力條件三礦優(yōu)于一礦優(yōu)于二礦。新集一礦和新集二礦砂巖水的γCl-/γCa2+系數(shù)小于太灰水，說(shuō)明砂巖水的水動(dòng)力條件和流通性較好，灰?guī)r水水動(dòng)力條件較差；新集三礦的砂巖水的水動(dòng)力條件較差，相對(duì)滯緩，灰?guī)r水水動(dòng)力條件相對(duì)較好。

4 結(jié)論

(3)受阜鳳逆沖推覆構(gòu)造上盤(pán)推覆體的掩蓋作用，新集礦區(qū)煤系砂巖水和太灰水整體水動(dòng)力較差，尤其煤系砂巖水，水動(dòng)力條件更差，導(dǎo)致地下水徑流緩慢，水巖作用時(shí)間長(zhǎng)，水質(zhì)向咸化方向發(fā)展；就三個(gè)礦井而言，處于推覆體前緣、離推覆體較遠(yuǎn)的新集三礦水動(dòng)力條件較一礦和二礦好。