不同采區(qū)地下水化學(xué)控制因素及水力聯(lián)系探討與分析

薛峰峰

（鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）楊河煤業(yè)有限公司，河南 新密 452382）

裴溝煤礦位于河南省新密市來集鎮(zhèn)，為水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井。對于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，提前揭示采區(qū)間水力聯(lián)系能對礦井水害防治起到很好的防范作用。隨著近些年來水文地球化學(xué)的快速發(fā)展，水文地球化學(xué)以其快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢逐漸用于判斷不同區(qū)域水力聯(lián)系的強(qiáng)弱，通過比較不同區(qū)域的地下水水巖相互作用機(jī)理比較出不同區(qū)域水力聯(lián)系的強(qiáng)弱[1-8]。

1 概況

裴溝煤礦屬于水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，礦井自上而下可劃分為三個(gè)主要含水巖組：二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組（L7-8+L5-6）含水層和奧灰含水層（包括太原組L1-4）。裴溝礦井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，特別是近東西向的走向構(gòu)造發(fā)育。目前主要采區(qū)為31采區(qū)、32采區(qū)和42采區(qū)。其中31采區(qū)和42采區(qū)中間隔了浮山寨斷層。浮山寨斷層位于井田南部，走向近東西，落差50～360 m，傾角70°。該斷層對該區(qū)域煤層的開采影響比較大。

2 水化學(xué)特征分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，31采區(qū)K++Na+平均含量2011—2013年中有過快速的上升，2013—2014年后快速下降，2013年最大值為152.41 mg/L。K++Na+變化與地下水流動(dòng)性有關(guān)，水體流動(dòng)性增強(qiáng)則含量低，水體流動(dòng)性減弱則含量高。Mg2+平均含量2011年開始急速下降至最低點(diǎn)8.75 mg/L，2014年含量再回升。Ca2+與Mg2+變化相似，都是2014年含量最低。32采區(qū)K++Na+平均含量變化不大，2012年短暫的增加至最高點(diǎn)142.43 mg/L之后下降。Mg2+和Ca2+含量2010年之前變化幅度不大，2011年都快速下降。42采區(qū)K++Na+平均含量2005年最小，2013年最大，Mg2+和Ca2+表現(xiàn)出與K++Na+完全相反的趨勢，由此推測42采區(qū)存在陽離子交替吸附作用。31采區(qū)2013—2014年Mg2+和Ca2+下降而42采區(qū)Mg2+和Ca2+上升，反映了兩個(gè)采區(qū)發(fā)生了類似混合水的變化，導(dǎo)致這兩個(gè)采區(qū)的水力聯(lián)系增強(qiáng)。

通過對比分析可較明顯得出裴溝礦區(qū)地下水總體呈堿性，但各采區(qū)TDS、pH相差不大。從主要離子濃度對比來看，31采區(qū)和42采區(qū)主要陰陽離子含量具有較好的一致性，32采區(qū)的K++Na+和HCO3-濃度與其他兩個(gè)采區(qū)相差較大。且31采區(qū)的水化學(xué)類型主要為Ca-Mg-HCO3型、Na-K-HCO3-Cl型和Na-HCO3型；32采區(qū)的水化學(xué)類型主要是Ca-Mg-HCO3型；42采區(qū)的水化學(xué)類型主要是Ca-Mg-HCO3型、Na-K-HCO3-Cl型和Na-HCO3型。綜上所述，31采區(qū)和42采區(qū)具有較好的相似性。

3 水巖相互作用分析

（1） Gibbs圖離子分析

Gibbs（1970）通過對全球地表水體的水化學(xué)組分分析，把控制水體水化學(xué)組分形成的機(jī)制劃分為3種：蒸發(fā)結(jié)晶主導(dǎo)型、巖石風(fēng)化主導(dǎo)型和大氣降水主導(dǎo)型。Gibbs圖已被廣泛用于天然地表水的研究，但是其也應(yīng)用到地下水化學(xué)組分形成機(jī)制的研究中。將研究區(qū)內(nèi)三個(gè)采區(qū)地下水化學(xué)數(shù)據(jù)繪制于Gibbs圖中，水樣幾乎都落于Gibbs圖中的“巖石風(fēng)化主導(dǎo)型”區(qū)域，說明巖石風(fēng)化是這三個(gè)采區(qū)水化學(xué)組分形成的主導(dǎo)作用。

（2）因子分析

在地球化學(xué)研究中，長期以來一直采用因子分析用于某些特定污染物的來源，現(xiàn)將其用于探究離子來源。然后分別對三個(gè)采區(qū)進(jìn)行因子分析在特征值大于1，且提取因子的個(gè)數(shù)累計(jì)解釋率超75%的原則下，最終31、32和42采區(qū)的化學(xué)特征都用2個(gè)因子表示，正交旋轉(zhuǎn)后的因子其累積貢獻(xiàn)率分別為91.081%、75.544%和90.577%。31采區(qū)和42采區(qū)Ca2+、Mg2+和SO42-在FA1上具有較高的正荷載，推測是硫酸鹽和碳酸鹽溶解。31采區(qū)和42采區(qū)K++Na+、HCO3-和Cl-在FA2上也具有正荷載，推測是石鹽溶解和硅酸鹽風(fēng)化的影響。32采區(qū)K++Na+和Cl-在FA1上具有較強(qiáng)的正荷載，推測是石鹽溶解的結(jié)果。32采區(qū)K++Na+和HCO3-在FA2上也具有正荷載，且SO42-顯示較強(qiáng)的負(fù)荷載，推測是碳酸鹽溶解、硅酸鹽風(fēng)化和脫硫酸作用的影響。

（3）聚類分析

系統(tǒng)聚類是根據(jù)樣本間的親疏關(guān)系將樣本進(jìn)行分類，相近的歸為一類，差別較大的歸為另一類。聚類分析方法可以簡化對大規(guī)模樣品之間關(guān)系的識(shí)別。將裴溝礦區(qū)水樣分為2大類：C1、C2。C2中除了一個(gè)32采區(qū)的水樣，其他的都是31采區(qū)和42采區(qū)的水樣。表明31采區(qū)和42采區(qū)可能存在著水力聯(lián)系。該聚類分析結(jié)果又證明了之前提到的31采區(qū)和42采區(qū)之間的相似性。

（4）綜合分析

通過水化學(xué)特征、Gibbs圖離子分析、因子分析、聚類分析發(fā)現(xiàn)31采區(qū)和42采區(qū)水力聯(lián)系比31采區(qū)和32采區(qū)強(qiáng)。且通過2013—2014年兩采區(qū)一次類似混合水的變化，也反映了兩個(gè)采區(qū)之間存在水力通道。31采區(qū)和32采區(qū)距離較近，而31采區(qū)與42采區(qū)之間存在浮山寨斷層。斷層隔開的采區(qū)區(qū)域巖性較相鄰采區(qū)區(qū)域巖性差異更大。但是以上研究卻發(fā)現(xiàn)斷層隔開的采區(qū)具有很大程度的相似性，相鄰采區(qū)卻存在較大不同。由此推測，浮山寨斷層中存在一條水力通道連通了31采區(qū)和42采區(qū)，但是浮山寨斷層之間存在連接31采區(qū)和42采區(qū)的通道，通道的具體位置還需未來進(jìn)一步研究。推測31采區(qū)隨著煤礦開采的進(jìn)行，高承壓奧灰水作用于隔水層導(dǎo)致其裂隙不斷增容并向上擴(kuò)展，由于水壓和礦山壓力的長期作用導(dǎo)致奧灰水通過裂隙通道由浮山寨斷層進(jìn)入42采區(qū)。

4 結(jié)論

在系統(tǒng)地測試裴溝礦區(qū)水樣的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并取得了如下結(jié)果：

（1）系統(tǒng)分析了三個(gè)采區(qū)水樣的檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)31采區(qū)與42采區(qū)水力聯(lián)系強(qiáng)于31采區(qū)和32采區(qū)。

（2）通過因子分析表明，受礦區(qū)地質(zhì)背景條件和采礦活動(dòng)影響，3個(gè)采區(qū)水化學(xué)成分的形成作用主要包括離子交換、石鹽、硫酸鹽、碳酸鹽溶解、硅酸鹽風(fēng)化和脫硫酸作用，其中32采區(qū)硫酸鹽溶解和脫硫酸作用較為明顯。

（3）根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)背景條件和水化學(xué)特征推測31采區(qū)與42采區(qū)之間可能存在一條隱蔽的通道，通過浮山寨斷層相互連通。

通過探討3個(gè)采區(qū)水化學(xué)成分的形成機(jī)制及控制因素，最終判斷3個(gè)采區(qū)之間的水力聯(lián)系，對于有效指導(dǎo)水害防治工作具有重要意義。