顧橋礦北二采區(qū)地下水化學(xué)特征分析

湯雙成

(江蘇煤炭地質(zhì)勘探二隊(duì)，江蘇 徐州 221006)

地下水是發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家家庭、農(nóng)業(yè)和工業(yè)的重要資源。中國(guó)約有61%的城市使用地下水作為飲用水，但約40%的地下水受到采礦的影響。由于長(zhǎng)期的采礦活動(dòng)，中國(guó)許多地區(qū)的不同含水層之間形成了不同程度的水力聯(lián)系。地下水地球化學(xué)變化可大大降低突水源的準(zhǔn)確判別，影響礦山安全。因此，在預(yù)測(cè)潛在的突水源之前，必須查明水文地球化學(xué)過(guò)程及其因采礦活動(dòng)而發(fā)生的演化[1]。地下水的主要離子化學(xué)可以提供水文地球化學(xué)信息，因此，可以對(duì)地下水水文地球化學(xué)演化過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。

多變量統(tǒng)計(jì)方法，如主成分分析(PCA)、聚類(lèi)分析(CA)和因子分析(FA)被成功地用于識(shí)別水文地球化學(xué)過(guò)程[2-5]。采用水化學(xué)分析方法評(píng)估了巖溶水系統(tǒng)中煤炭開(kāi)采活動(dòng)對(duì)巖溶水化學(xué)的影響。采用多元統(tǒng)計(jì)方法識(shí)別丁集煤礦地下水地球化學(xué)過(guò)程并確定含水層連通性[6]。然而，由于這種方法的多解性，僅選擇一種方法來(lái)分析復(fù)雜的地下水系統(tǒng)顯得過(guò)于簡(jiǎn)單和不足。將水化學(xué)分析與主成分分析(PCA)等多元統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，可以對(duì)控制水質(zhì)變化的水文地球化學(xué)機(jī)制作出較為合理的解釋。主成分分析(PCA)是將大量復(fù)雜的化學(xué)數(shù)據(jù)集降維為由主成分(PC)得分和加載得分組成的小維度的最有效的方法之一[7，8]。近年來(lái)，許多研究者發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷分?jǐn)?shù)分析是評(píng)價(jià)水文地球化學(xué)演化的一種可行方法，因?yàn)樗梢郧宄仫@示出PCs負(fù)荷分?jǐn)?shù)的空間變化。采用主成分分析和負(fù)荷分?jǐn)?shù)分析方法，分析了華北煤田地下水水文地球化學(xué)演化及其影響因素。他們發(fā)現(xiàn)采礦活動(dòng)增強(qiáng)了含水層礦物的溶解，但削弱了脫硫作用和陽(yáng)離子交換作用；水文地球化學(xué)演化過(guò)程主要受采礦活動(dòng)、斷層和褶皺構(gòu)造的影響。因此，將水化學(xué)分析、主成分分析(PCA)和負(fù)荷分?jǐn)?shù)分析相結(jié)合，可以更好地解釋地下水水文地球化學(xué)過(guò)程和演化。

本文通過(guò)研究顧橋煤礦北二采區(qū)水文地質(zhì)條件，收集地下水常規(guī)水化學(xué)離子樣本，采用水化學(xué)分析和主成分分析法，對(duì)其水化學(xué)特征和水文地球化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究分析，對(duì)煤礦區(qū)地下水地球化學(xué)特征、水文地球化學(xué)過(guò)程及其演化進(jìn)行了系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)，為今后煤礦生產(chǎn)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

顧橋礦位于安徽省鳳臺(tái)縣西北，距縣城約20 km，歸鳳臺(tái)縣顧橋鎮(zhèn)管轄。東西寬7～10 km，南北長(zhǎng)8～15 km，面積約91.88 km2。地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°29′18″～116°38＇48″，北緯32°42＇20″～32°52＇16″。其地面標(biāo)高范圍21～25 m，地勢(shì)東南低西北高。本區(qū)屬季風(fēng)暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，季節(jié)性明顯，夏季炎熱，冬季寒冷。年平均氣溫為15.1 ℃，極端最高氣溫41.4 ℃(1959年8月24日)，極端最低氣溫-22.8 ℃(1969年1月31日)。年平均降雨量926.30 mm，最大1 723.5 mm(1954年)，最小471.90 mm(1966年)，日最大降雨量320.44 mm,小時(shí)最大降雨量75.30 mm。降雨多集中在6、7、8三個(gè)月，約占全年的40%。

采區(qū)地下含水層依據(jù)鉆孔揭露以及賦存介質(zhì)、富水性、巖性、對(duì)煤層威脅程度以及地質(zhì)年代特征將其從上到下大致分為新生界含水層、煤系砂巖含水層和灰?guī)r含水層。新生界含水層主要由砂、礫組成，底部有片狀分布在基巖面上的巖性為灰白、紫紅色砂巖、礫巖，富水性弱～中等，主要受大氣降水給及層間越流補(bǔ)給。砂巖裂隙含水層巖性以細(xì)砂巖為主，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)。含水層的富水性與砂巖裂隙發(fā)育程度、裂隙開(kāi)放程度和大小密切相關(guān)，由于區(qū)內(nèi)砂巖裂隙發(fā)育的不均一性，導(dǎo)致砂巖含水性有很大差異。采區(qū)內(nèi)水29孔單位涌水量為0.036 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.207 m/d，礦化度3.466 g/L，水質(zhì)類(lèi)型HCO3·Cl-Na型。抽水試驗(yàn)表明煤系砂巖裂隙含水層富水性弱，以儲(chǔ)存量為主，補(bǔ)給條件差。石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層由灰?guī)r、泥巖、粉砂巖以及薄煤層組成，自上而下劃分為C3Ⅰ、C3Ⅱ、C3Ⅲ三個(gè)含水層(組)，其中C3Ⅰ是礦井1煤開(kāi)采底板直接充水含水層，采區(qū)內(nèi)太灰灰?guī)r進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，單位涌水量0.019 7～0.023 L/(s·m)，為弱富水性，礦化度2.148～2.153 g/L，水質(zhì)類(lèi)型為Cl-Na型。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層厚度在74.85～75.10 m，平均74.98 m，巖性主要為灰～深灰色厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r及少量礫狀灰?guī)r，頂部夾灰綠色鋁土團(tuán)塊，裂隙多呈閉合狀，局部裂隙面可見(jiàn)泥、鈣質(zhì)薄膜或方解石脈。中下部為深灰色石灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，下部為灰綠色泥質(zhì)石灰?guī)r。與下伏寒武系石灰?guī)r呈不整合接觸。奧灰水也可因斷層或其他因素導(dǎo)致其直接與太灰含水組發(fā)生水力聯(lián)系，奧灰水補(bǔ)給太灰含水組，補(bǔ)給水源豐富。

煤系砂巖分布在煤層、泥巖和粉砂巖之間，砂巖層厚度小，分布不穩(wěn)定，又有煤層和泥巖相隔，斷層帶一般含水性極弱，導(dǎo)水性差，因此砂巖之間一般無(wú)水力聯(lián)系。北二采區(qū)上盤(pán)區(qū)太原組C31灰?guī)r距1煤層底板相距14.85～40.05 m，平均22.15 m。正常無(wú)水力聯(lián)系，但1煤層采動(dòng)后，可成為1煤層礦坑直接充水含水層(組)。尤其是煤層與灰?guī)r對(duì)口的斷層帶，是1煤層底板進(jìn)水的直接通道。

2 數(shù)據(jù)收集及其分析方法

通過(guò)收集顧橋北二采區(qū)水文地質(zhì)鉆孔及其補(bǔ)充勘探孔，一共獲取15地下含水層水樣，其中新生界含水層水樣、太原組灰?guī)r含水層水樣和13煤頂板砂巖水樣均為5個(gè)。新生界含水層取樣孔為水2孔、水3孔、水4孔、水5孔、水6孔，太灰水取樣孔為水14孔、水16、水18孔、水20孔、水21孔，13煤頂板砂巖水取樣孔為10-7孔、13-3孔、風(fēng)檢孔1、副檢孔1、原副檢孔。

本文先通過(guò)Excel軟件對(duì)收集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用SPSS軟件對(duì)各含水層離子進(jìn)行了主成分分析，采用Aquachem4.0軟件繪制了含水層的Piper三線圖、地下水Stiff圖和地下水Gibbs圖，共同探討分析地下水的水化學(xué)特征。

3 水化學(xué)組成及類(lèi)型分析

3.1 水化學(xué)組成

表1 不同含水層組分含量值表

3.2 主要化學(xué)指標(biāo)間相互關(guān)系

表2 各指標(biāo)間pearson相關(guān)系數(shù)表

(1)

3.3 水化學(xué)類(lèi)型

將顧橋北二采區(qū)各含水層水樣繪制成Piper三線圖，見(jiàn)圖1，不同常規(guī)離子在各含水層中的分布情況均可以從圖中顯示出來(lái)，也可以顯示出地下水化學(xué)成分的演化特征。

圖1 顧橋北二采區(qū)地下水Piper三線圖及其圖解

圖2 顧橋北二采區(qū)地下水各含水層Stiff圖

4 離子來(lái)源與控制因素分析

為了進(jìn)一步了解各含水層中指標(biāo)間的控制關(guān)系，對(duì)含水層中各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3和表4所示。

表3 相關(guān)矩陣的特征值表

表4 主成分特征值表

5 結(jié)語(yǔ)

采用水化學(xué)分析、主成分分析、載荷分?jǐn)?shù)分析等方法，對(duì)淮南顧橋北二采區(qū)地下水地球化學(xué)特征、水文地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行了研究。從研究分析中可以得出以下結(jié)論。

(2)新生界含水層的水化學(xué)類(lèi)型主要Cl-Na或Cl-K型，二疊系煤系含水層的水化學(xué)類(lèi)型主要為Cl-Na或Cl-K型、HCO3-Na或HCO3-K型，太原組灰?guī)r含水層水化學(xué)類(lèi)型為Cl-Na或Cl-K型。

(3)淮南顧橋北二采區(qū)多含水層地下水系統(tǒng)水文地球化學(xué)過(guò)程由溶解、脫硫和陽(yáng)離子交換三個(gè)子過(guò)程組成，通過(guò)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)K++Na+和Mg2+兩種離子是TDS的主要來(lái)源。