基于水化學(xué)特征的順和煤礦太灰水動力條件分析

張成行，鄭潔銘，徐智敏，駱俊峰

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著礦井開采水平向深部拓進(jìn)，水文地質(zhì)條件明顯發(fā)生變化，深部太原組灰?guī)r含水層對礦井安全開采的影響日益嚴(yán)重[1-3]。目前，對于深部底板太灰水富水性和水動力條件的認(rèn)識，是在放水試驗[4，5]的基礎(chǔ)上，求得水文地質(zhì)參數(shù)[6]。通過穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流的解析公式或借助如GMS、MODFLOW、FEFLOW等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析研究[7，8]。開展上述工作的需要消耗大量的人力、物力，并且，太灰含水層為承壓巖溶裂隙含水層，裂隙發(fā)育具有不均一性，一般的解析計算和數(shù)值模擬軟件是將其視為均質(zhì)含水層，其計算和數(shù)值模擬結(jié)果會產(chǎn)生一定的誤差。另外，數(shù)值模擬軟件的使用較為復(fù)雜，難以實現(xiàn)煤礦單位的全面普及。

由于地下水在循環(huán)過程中，水化學(xué)特征與水動力條件息息相關(guān)，其溶解的化學(xué)組分會隨著地下水的運動而運移[9-11]。因此，本文根據(jù)順和煤礦西翼地區(qū)煤層底板太灰含水層水質(zhì)資料，運用Piper三線圖解法、Gibbs圖解法、離子比值法等特征進(jìn)行分析、評價，獲取研究區(qū)地下水的賦存狀態(tài)及水動力條件。不僅創(chuàng)新了礦井評價分析的手段，而且分析結(jié)果對礦井的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

順和煤礦位于河南省永城市城關(guān)鎮(zhèn)北20km，研究區(qū)位于順和煤礦西翼東部，北部邊界為F8正斷層，東南部為DF8正斷層、DF7正斷層和F40逆斷層等以及其他伴生構(gòu)造發(fā)育，主采煤層為二2煤。隨著開采深度的加深，開采工作面標(biāo)高在-500m以下。由于底部太原組灰?guī)r含水層距離工作面的有效隔水層厚度約為34m，含水層水壓可達(dá)5MPa以上，受底板太灰高承壓底板水威脅較大。同時，采區(qū)斷層及其伴生小構(gòu)造發(fā)育，以及開采活動對太灰含水層的干擾等的影響，導(dǎo)致研究區(qū)底板太灰的邊界條件、補(bǔ)徑排條件趨于復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造分布如圖1所示。

2 水化學(xué)特征分析

2.1 水化學(xué)成分分析

圖1 區(qū)域構(gòu)造分布

根據(jù)表1可知放水試驗前各離子變異系數(shù)均小于15%，表明采集的水樣離散程度較小，地下水水化學(xué)成分較為穩(wěn)定。為分析研究區(qū)水質(zhì)變化情況，根據(jù)水質(zhì)資料繪制太灰含水層放水試驗前期、中期和后期的地下水Piper三線圖，如圖2所示。

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

圖2 Piper三線圖

2.2 水化學(xué)演化分析

圖3 研究區(qū)地下水相關(guān)離子比值關(guān)系

1)從圖3(a)中看出，Na+與Cl-的比值在2左右，明顯大于1，表明該區(qū)域深層的太原組灰?guī)r含水層中的Na+除了鹽巖溶解以外還可能存在其他的來源，如硅酸鹽、芒硝等礦物的溶解或陽離子交換作用等來源。

2)根據(jù)圖3(e)中相關(guān)系數(shù)相對于-1更接近于0，表明該區(qū)域的陽離子交換作用相對較弱。因此，Na+可能主要來源于硅酸鹽或者芒硝等礦物的溶解，陽離子交換作用占比較小。

3 水動力因素分析

根據(jù)圖4可知，所有水樣點基本全部落于水消極交替作用帶，且太灰水化學(xué)組分中鹽類的含量較高，且高度富集。一方面，反映了研究區(qū)深層地下水溶濾作用較強(qiáng)，能夠較大程度的溶解鹽巖、碳酸鹽和硫酸鹽類等礦物。另一方面，水交替作用的強(qiáng)弱反映了地下水動力條件，水交替作用越強(qiáng)，地下水運動越快，反之則變慢。因此，受水消極交替作用以及溶濾作用的影響研究區(qū)太灰含水層地下水化學(xué)組分中的鹽分大量累積，礦化度隨之增加。綜上，表明研究區(qū)水動力條件較差，處于水文地質(zhì)單元相對封閉的區(qū)域。

另外，分析放水試驗資料，放水量在50m3/h左右，并根據(jù)放水試驗數(shù)據(jù)繪制研究區(qū)太灰含水層水位—時間關(guān)系曲線，如圖5所示。從圖5中可以看出，研究區(qū)水位在50m3/h左右疏放強(qiáng)度下，2d左右就形成了150m的降深，水位下降較快，證明其補(bǔ)給條件較差，水文地質(zhì)條件相對封閉。

圖4 研究區(qū)水樣Gibbs圖

圖5 太灰水水位—時間曲線

4 結(jié) 論

1)根據(jù)Piper三線圖，分析了研究區(qū)太灰水在放水試驗前、中、后期水質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)在圖中落點較為集中，沒有發(fā)生明顯的變化，表明研究區(qū)太灰水受其他水源的補(bǔ)給較差。

2)從離子比值關(guān)系圖中，分析了太灰水組分的主要來源及其成因，得到研究區(qū)太灰水的賦存演化環(huán)境較為封閉；且根據(jù)Gibbs原理結(jié)合水動力因素分析，進(jìn)一步表明研究區(qū)太灰水的水動力條件較差，水文地質(zhì)環(huán)境相對封閉。

3)通過放水試驗驗證，分析結(jié)果與實際情況吻合。因此，利用常規(guī)的地下水化學(xué)特征來判斷煤層底板太灰含水層的水動力條件是可行的。對分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件具有重要的實際意義。