孫疃礦區(qū)地下水化學特征及其控制因素研究

劉凱旋，劉啟蒙，柴輝嬋，張 妹，李競贏

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

華北兩淮地區(qū)是我國重要的煤炭資源產(chǎn)地，淺部資源已逐漸枯竭，資源開采向深部拓展已成為必然。準確分析地下水化學特征、成因和各含水層間的水力聯(lián)系，對礦井安全有效生產(chǎn)具有重要意義[1]。地下水中化學元素的遷移、集聚與分散都與周圍環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，在循環(huán)過程中不斷地與周圍環(huán)境進行著物質(zhì)和能量的交換，因此，水體中的離子含量及分布特征亦受周圍環(huán)境發(fā)生的各種水文地球化學作用的影響[2，3]。目前，國內(nèi)外主要利用Piper三線圖[4，5]、質(zhì)量濃度等值線圖[6]、同位素技術(shù)[7]、遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡[8]、模糊綜合判別法[9]、非線性主成分分析[10]、Bayes分析法[11]、離子比例系數(shù)法[12，13]等對礦區(qū)地下水化學特征進行研究。根據(jù)孫疃礦的地下水化學信息與相關(guān)地質(zhì)資料并借助前人研究成果，利用不同含水層水體離子組成，采用數(shù)理統(tǒng)計、地下水離子濃度變異系數(shù)、離子比、Gibbs模型、Piper三線圖等方法分析了孫疃礦地下水常規(guī)水化學特征以及其控制因素，以期為孫疃礦安全生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

孫疃礦地處淮北平原中部，地勢平坦，礦內(nèi)較大的河流為澮河，是淮河北岸的一級支流，自西北向東南從礦區(qū)中部流過。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫14.4℃，年平均降雨量862.9mm，最大1723.5mm，降雨量年內(nèi)分配不均，主要集中在7至9月份，該時期降水量占年降水量的75%。年蒸發(fā)量一般在1800～1900mm左右，年平均相對濕度為70%，最高為75%，最低為64%。

地下含水層可根據(jù)其賦存介質(zhì)特征和對主采煤層的危險性分為3個含水層，二疊系主采煤層間砂巖裂隙含水層、太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，其中二疊系主采煤層間砂巖裂隙含水層可分為10煤上下含水層和7-8煤上下含水層。奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度500m左右，為淺灰色厚層狀石灰?guī)r，淺部巖溶裂隙較發(fā)育且富水性強，臨近礦區(qū)曾因?qū)萋渲鶎藠W灰含水層，發(fā)生特大突水災害。太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層總厚131.52m，有灰?guī)r12層，合計厚度69.53m，其中第三、四、十二層灰?guī)r厚度較大，巖溶裂隙發(fā)育和富水性具有不均一，斷層較多，有不少斷層落差較大，造成了部分地帶的10煤或者7-8煤與太灰間距縮短甚至直接對口。7-8煤上下砂巖裂隙含水層段間距為50～80m，其中7煤層、8煤層頂?shù)装鍘r性主要為中、細砂巖，含水層厚度一般為20～40m左右，砂巖裂隙一般不太發(fā)育，含水性較弱。10煤上下砂巖裂隙含水層段一般由2～4層中、細砂巖組成，厚度15m左右，裂隙一般不太發(fā)育。

2 樣品采集與數(shù)據(jù)分析方法

2.1 樣品采集

通過對孫疃礦進行水文地質(zhì)鉆探以及井下取樣，一共獲得31組水樣，其中10煤上下含水層9個，7-8煤上下含水層10個，太原組含水層9個，奧陶系含水層3個。主要采樣點分布如圖1所示。

圖1 采樣點分布圖

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

論文數(shù)據(jù)分析中，主要使用Excel對數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計與初始分析，利用SPSS19.0對各含水層水體中主要離子進行相關(guān)性分析，采用Aquachem4.0繪制Piper三線圖，了解各含水層水化學特征，使用Origin9.1繪制離子比例系數(shù)圖和地下水Gibbs圖并結(jié)合相關(guān)資料與文獻分析孫疃煤礦地下水化學形成原因與控制因素。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學組成特征及水化學類型

3.1.1 水化學組成特征

表1 孫疃煤礦不同含水層主要離子特征值

3.1.2 水化學類型

地下水化學成分的演化規(guī)律可以用Piper三線圖分析，該方法不受人為因素影響，各個離子的相對含量均可以在Piper三線圖中看出。將孫疃礦各含水層水樣繪制成Piper三線圖，如圖2所示。

圖2 Piper三線圖

3.1.3 各化學指標間的相互關(guān)系

表2 各常規(guī)指標間的相互關(guān)系

注：**在0.01水平上顯著相關(guān)，*在0.05水平上顯著相關(guān)。

圖3 TDS與K++Na+和關(guān)系變化曲線

3.2 主要離子來源及控制因素分析

3.2.1 水巖模型分析

圖4 孫疃煤礦各含水層水化學Gibbs圖

3.2.2 主成分分析

表3 孫疃煤礦各含水層主要離子主成分分析

表4 孫疃煤礦各含水層主要離子成分方差累積

3.3 主要分化過程

離子比例系數(shù)圖可以進一步地反映研究區(qū)內(nèi)地下水化學成分的來源[17]。地下水中巖鹽和硅酸鹽可通過γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值來反映。當γ(Na++K+)/γ(Cl-)大于1時說明該區(qū)域水化學成分主要來自于巖鹽溶解，反之來自硅酸鹽溶解。

圖5 (Na++K+)與Cl-關(guān)系圖

圖6 (Ca2++Mg2+)與關(guān)系圖

4 結(jié) 論

2)7-8煤、10煤上下含水層和太灰水水質(zhì)類型相似，三者之間有水力聯(lián)系，太灰、奧灰水質(zhì)類型相差較大，說明奧灰水和其它三個含水層之間有穩(wěn)定隔水層的存在，阻隔了7-8煤、10煤上下含水層和太灰水對奧灰的滲透。7-8煤、10煤上下含水層水質(zhì)類型為HCO3-Na+K型或HCO3·Cl-Na+K型，太原組灰?guī)r含水層水質(zhì)類型為HCO3·Cl-Na+K·Mg型，奧陶系含水層水質(zhì)類型為SO4·HCO3·Cl-Na+K·Ca·Mg型。