淮北青東煤礦深層地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)特征與水源識(shí)別*

許繼影 桂和榮 葛春貴 倪建明 郭 艷 龐迎春 胡 杰 聶 鋒

(①國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)中心， 宿州學(xué)院， 宿州 234000， 中國(guó)) (②淮北礦業(yè)集團(tuán)， 淮北 235000， 中國(guó))

0 引 言

隨著煤炭資源的需求量加大，以及我國(guó)煤田地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，使得在開采煤炭方面遇到多種多樣的地質(zhì)問題。礦井向深部延伸，地溫問題尤為突出。在徐州、淮北、淮南、平頂山等礦區(qū)，采煤礦井可達(dá)千米深度，在開采時(shí)其深部圍巖的溫度及水溫甚至超過42℃(李陽(yáng)紅等， 2007； 彭濤等， 2015a，2015b； 廖昕等， 2020)。高溫異常是礦井地質(zhì)災(zāi)害(如新構(gòu)造活動(dòng)、大型導(dǎo)水構(gòu)造、巖溶陷落柱、突水等)的警示因素，通常預(yù)示大型導(dǎo)水通道的存在，在斷裂構(gòu)造發(fā)育的地區(qū)，地下水沿導(dǎo)水通道滲入地下深部，被深部圍巖加熱后，在有利的地質(zhì)條件下循環(huán)至淺部，形成局部地溫異常，煤礦開采過程中可能導(dǎo)致突水甚至淹井事故(許光泉等， 2009； 吳基文等， 2015； 羅璐等， 2020)，皖北任樓煤礦1996年7222工作面“3·4”隱伏含導(dǎo)水陷落柱(1#)突水淹井事故發(fā)生前，地下水溫出現(xiàn)異常，而1999年、2010年該礦利用地溫、水溫、水質(zhì)異常預(yù)警有效防范了2#、3#隱伏含導(dǎo)水陷落柱，因此研究地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)特征對(duì)于煤礦防治水工作具有重要意義。

地?zé)崃黧w的水化學(xué)組分及其特征，往往保留著地?zé)嵯到y(tǒng)形成演化過程中的地球化學(xué)信息，常被用來分析地?zé)崃黧w的起源、地?zé)嵝纬傻牡刭|(zhì)條件，地?zé)嵯到y(tǒng)中的地球化學(xué)作用過程，是認(rèn)識(shí)地?zé)崴纬蓹C(jī)制、賦存環(huán)境及循環(huán)機(jī)理的有效手段之一(Chen et al.，2014； Gui et al.，2016； Tran et al.，2020)。目前地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)特征研究已經(jīng)涉及諸如：地?zé)岢梢?、熱水化學(xué)組分與火山和地震的關(guān)系、水熱成礦作用等地球科學(xué)眾多領(lǐng)域(李林果等， 2017； 楊詢昌等， 2019)，根據(jù)地?zé)崴纬傻牡刭|(zhì)條件、水化學(xué)組成闡述其補(bǔ)給來源，劃分地?zé)崴愋?，判斷水巖平衡，還會(huì)對(duì)熱水儲(chǔ)層的溫度和熱水的循環(huán)深度進(jìn)行估算(Chenaker et al.，2018； 李超等， 2020)。目前有關(guān)地?zé)崴难芯抗ぷ鞔蠖嗉性谒拇?、西藏、云南、重慶等地，重點(diǎn)關(guān)注地?zé)豳Y源方面(袁建飛等， 2017； 姚邦杰等， 2019； 張凌鵬等， 2020)，而對(duì)于我國(guó)煤礦深層地?zé)崴鳛橹聻?zāi)因子等方面的研究相對(duì)較少。

本研究通過對(duì)淮北煤田青東煤礦深層地?zé)崴头堑責(zé)崴乃幕瘜W(xué)指標(biāo)對(duì)分析，采用水化學(xué)圖解、水巖相互作用、Fisher水源判別模型等，對(duì)該礦深層地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)特征和水源進(jìn)行了系統(tǒng)研究和識(shí)別，研究成果可為礦井水害和熱害防治工作提供指導(dǎo)作用。

圖 1 青東煤礦區(qū)域位置、深部地?zé)岙惓^(qū)及采樣點(diǎn)位置圖Fig. 1 Regional location， deep geothermal anomaly area and sampling point location map of the Qingdong coal mine

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮北煤田青東煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣西南部，中心北至濉溪縣城約5.7km，東距宿州市45km。地理坐標(biāo)：東經(jīng)116°25′44″～116°34′44″，北緯33°36′34″～33°40′29″。礦井東西長(zhǎng)約13km，南北寬約3.5～6.5km，礦區(qū)面積51.7291km2(圖 1a)。區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，氣候溫和，屬北溫帶季風(fēng)區(qū)海洋-大陸性氣候； 年平均氣溫14.6℃，最高氣溫40.3℃，最低氣溫-12.5℃； 年平均降雨量766mm，雨量多集中在7、8月份。整個(gè)井田處在近東西向與北北東向斷層形成的夾塊內(nèi)，屬箕狀斷塊式控煤構(gòu)造。主體構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為走向北西-近東西，局部略有轉(zhuǎn)折，向北、北東傾斜的單斜。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為二疊系的上石盒子組、下石盒子組和山西組。

青東煤礦地下含水層由淺入深依次為：新生界松散層孔隙含水層(組)、二疊系煤系含水層(段)和煤系下伏石灰?guī)r巖溶裂隙含水層(段)，其中石灰?guī)r巖溶裂隙含水層包括：太原組石灰?guī)r巖溶裂隙水(簡(jiǎn)稱“太灰水”)和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水(簡(jiǎn)稱“奧灰水”)(圖 2)。在礦井中南部相鄰的81采區(qū)和84采區(qū)內(nèi)， 104軌道大巷(-585m)疏放水鉆孔9#鉆場(chǎng)實(shí)測(cè)水溫36.9℃， 2#鉆場(chǎng)實(shí)測(cè)水溫達(dá)39.9℃， 6#鉆場(chǎng)地?zé)釡囟?1.2℃，呈現(xiàn)地溫異常的現(xiàn)象，而采區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，為地下水活動(dòng)潛在的良好通道。

圖 2 含水層剖面示意圖Fig. 2 Aquifer profile of the Qingdong coal mine

1.2 樣品采集與處理

本次共采集24個(gè)水樣，其中地溫異常區(qū)水樣(以下簡(jiǎn)稱“地?zé)崴?13個(gè)，臨近采區(qū)同水平的地溫正常水樣11個(gè)(以下簡(jiǎn)稱“非地?zé)崴?，均來自井下放水孔和出水點(diǎn)(圖 1b)。采樣前將采樣桶用去離子水潤(rùn)洗3遍，采樣時(shí)用所采水樣將采樣桶洗涮3遍。樣品采集后，于24h內(nèi)送至實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)0.45μm濾膜抽濾后保存在4℃冰箱中待測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

通過計(jì)算離子平衡誤差(IBE)(Lloyd et al.，1985)來檢驗(yàn)地下水的分析結(jié)果。計(jì)算方法如式(1)所示：所有水樣離子平衡誤差均小于10%，且大部分小于1%，其中涉及離子單位均為毫克當(dāng)量每升。

(1)

所有樣本數(shù)據(jù)均使用SPSS 20.0進(jìn)行分析，圖形處理和分析借助Origin 9.0、Piper、CorelDraw 2018 完成。

圖 3 地?zé)崴统Ｒ?guī)水的Durov圖Fig. 3 Durov diagram

1.4 Fisher判別分析原理

1.4.1 基本思想

判別分析過程是基于對(duì)預(yù)測(cè)變量的函數(shù)組合，從已經(jīng)確定了觀測(cè)所屬類別的樣本中擬合判別函數(shù)，再把判別函數(shù)應(yīng)用于由相同觀測(cè)變量所記錄的新數(shù)據(jù)集，以判斷新樣本的類別歸屬(魯金濤等， 2012)。Fisher判別是一種依據(jù)方差分析原理建立的判別方法，它的基本思路是投影，基本思想是將k組p維數(shù)據(jù)投影到某個(gè)方向，使數(shù)據(jù)的投影組與組之間盡可能分開。該方法利用一元方差分析的思想建立線性判別函數(shù)，其判別函數(shù)中各變量按照類內(nèi)方差盡量小、累間方差盡量大的準(zhǔn)則來確定其系數(shù)，然后依照判別函數(shù)來預(yù)測(cè)待判樣本的分類(李長(zhǎng)興等， 2020)。

1.4.2 實(shí)現(xiàn)步驟

(2)

(3)

式中：Si是Gi中ni個(gè)樣本(=1， 2，…，ni)的樣本離差陣，則組間差為：

(4)

F=uTbu-λ(uTwu-1)

(5)

(6)

經(jīng)進(jìn)一步整理得：

(w-1b-λI)u=0

(7)

可由上式得到w-1b的最大特征值和特征向量u，從而求出判別函數(shù)。Fisher判別函數(shù)相對(duì)于典型判別式函數(shù)要簡(jiǎn)單，直接用其計(jì)算每個(gè)觀測(cè)屬于各類的得分，并把此觀測(cè)歸入得分最高的類別中即可(張文泉等， 2013)。

2 結(jié)果與討論

2.1 地?zé)崴c非地?zé)崴瘜W(xué)特征對(duì)比分析

通過對(duì)青東煤礦地?zé)崴头堑責(zé)崴闹饕x子濃度、pH值和總?cè)芙夤腆w進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1。由于K+的性質(zhì)與Na+相似，且煤礦地下水中K+的濃度遠(yuǎn)小于Na+，因此K+并入Na+中(Chen et al.，2017)。

表 1 地?zé)崴头堑責(zé)崴Ｒ?guī)組分含量統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristics of conventional components in geothermal water and common groundwater

在TDS、pH方面，地?zé)崴腡DS值介于2488～3681mg·L-1之間，非地?zé)崴甌DS值變化范圍較小，介于2383～2805mg·L-1之間，地?zé)崴骄鵗DS是普通地下水的1.31倍。此外，所有地?zé)崴头堑責(zé)崴畼悠返腡DS值均大于1000mg·L-1，超過了世界衛(wèi)生組織(500mg·L-1)和中國(guó)國(guó)家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(1000mg·L-1)。地?zé)崴头堑責(zé)崴嗜鯄A性，pH值接近，這一結(jié)果與淮北煤田的其他煤礦一致(Chen et al.，2017)，但整體高于淮南煤田(汪子濤等， 2019)。

2.2 水巖作用機(jī)理

水化學(xué)差異是不同地下水化學(xué)成分的綜合反映，而水巖作用對(duì)地下水化學(xué)成分的形成起著重要作用。通過離子組合比、Gibbs 圖及相關(guān)指數(shù)分析，可以揭示地球化學(xué)過程中主要離子來源和有價(jià)值的信息(陳凱等， 2019)。

貫通培養(yǎng)項(xiàng)目致力于培養(yǎng)具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和一定的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的高端技術(shù)技能人才。相比于普通高中的學(xué)生，貫通培養(yǎng)項(xiàng)目高中階段的學(xué)生擺脫了應(yīng)試教育的藩籬，教師可以更多地關(guān)注如何培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言交際能力，因此他們的學(xué)習(xí)內(nèi)容要更加突出實(shí)用性和實(shí)踐性。同時(shí)，貫通培養(yǎng)項(xiàng)目的學(xué)生經(jīng)過兩年的高中階段學(xué)習(xí)后將升入大專，比普通高中的學(xué)生更早面臨專業(yè)和職業(yè)的選擇。因此，貫通培養(yǎng)項(xiàng)目高中階段的英語(yǔ)視聽說選修課的教材編寫和課程設(shè)計(jì)必須兼顧專業(yè)性和職業(yè)性。

2.2.1 離子組合比分析

鹽巖溶解產(chǎn)生的Na+和Cl-的摩爾比為1︰1， Na+/Cl-常用來揭示地下水中Na+的來源(劉明亮等， 2020)。如圖 4a所示，地?zé)崴头堑責(zé)崴霈F(xiàn)在NaCl溶解線以下，表明Na+除鹽巖外還有其他來源。這與含煤地層存在大量硅酸鹽礦物(長(zhǎng)石砂巖)，相對(duì)Cl-偏高的Na+可能與硅酸鹽礦物的風(fēng)化(鈉長(zhǎng)石)有關(guān)。

Na2Al2Si6O16(鈉長(zhǎng)石)+2CO2+3H2O→

(8)

圖 4 離子組合摩爾比值關(guān)系圖Fig. 4. Molar ratio diagram of ion combination

2FeS2(黃鐵礦)+7O2+2H2O→

(9)

Ca2+和Mg2+之間的摩爾比稱為鈣鎂系數(shù)，在相同條件下，含鎂礦物較比含鈣礦物更易溶，而地下水水巖作用越充分，愈是以難溶離子為主，即比例系數(shù)越大，說明地下水儲(chǔ)存時(shí)間越長(zhǎng)，水巖相互作用程度越強(qiáng)(Zhang et al. 2019)。如圖 4d所示，非地?zé)崴畼狱c(diǎn)位于1︰1溶解線的左下方，系數(shù)略大于1，地?zé)崴畼悠烦霈F(xiàn)在1︰1溶解線的右下方，溶解系數(shù)接近3。結(jié)果表明，地?zé)崴畮r作用程度比非地?zé)崴畯?qiáng)。

2.2.2 控制因素分析

圖 5 吉布斯圖解Fig. 5 Gibbs diagram

圖 6 Ca/Na-Mg/Na和Ca/Na-HCO3/Na比值圖Fig. 6 Ratio diagram of Ca/Na-Mg/Na and Ca/Na-HCO3/Na

2.2.3 陽(yáng)離子交替作用

離子交換作用也可以用choro-alkaline指數(shù)來分析(Ma et al. 2020)。指數(shù)計(jì)算公式：

CA-1=[Cl--(Na++K+)]/Cl-

(10)

(11)

CA-1、CA-2為正值，表明地下水中Na+和K+已被圍巖中Ca2+和Mg2+交換，而負(fù)值則表明存在反向交換，且絕對(duì)值越大，離子交換相互作用越強(qiáng)，若值等于0，則意味著水化學(xué)過程中沒有離子交換相互作用。圖 7b為地?zé)崴头堑責(zé)崴腃A-1與CA-2的關(guān)系圖，地?zé)崴头堑責(zé)崴畼泳∮?，表明地下水中的Ca2+和Mg2+已被圍巖中的Na+和K+所取代，反應(yīng)式如下：

圖 7 陽(yáng)離子交替的離子組合比值圖Fig. 7 Ion combination ratio diagram of ion exchange

2Na+(圍巖)+Ca2+(地下水)→

2Na+(地下水)+Ca2+(圍巖)

(12)

由圖 7b可得出，地下水CA-1和CA-2值分別為-0.38～1.32、-0.22～-0.08。在地?zé)崴?，CA-1值在-0.52到-2.48之間，CA-2值在-0.14到-0.42之間。地?zé)崴蠧A-1和CA-2的絕對(duì)值均高于非地?zé)崴?，進(jìn)一步說明地?zé)崴械碾x子交換作用更強(qiáng)，也解釋了地?zé)崴哂休^高Ca2+的現(xiàn)象(表 1，圖 3)。

2.3 水源識(shí)別

2.3.1 建立Fisher識(shí)別模型

表 2 變量之間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of variables

(13)

式中： [ ]代表離子的實(shí)測(cè)值(mg·L-1)；y1、y2、y3、y4分別是新生界含水層組、煤系水、太灰水和奧灰水的判別函數(shù)。

2.3.2 水源識(shí)別和結(jié)果分析

由圖8可知，在非地?zé)崴袆e方面， 11個(gè)非地?zé)崴畼泳卸樘宜?，且函?shù)值與其他3類水源區(qū)分明顯(圖 8a)，說明非地?zé)崴畯搅鳁l件簡(jiǎn)單，補(bǔ)給水源單一，僅受太灰水補(bǔ)給。

圖 8 Fisher水源判別結(jié)果圖Fig. 8 Diagram of water source discrimination based on Fisher a. 非地?zé)崴?b. 地?zé)崴?/p>

在地?zé)崴袆e方面， 13個(gè)地?zé)崴畼?，?#和7#水樣判定為太灰水源外，其余地?zé)崴卸閵W灰水源，F(xiàn)isher模型對(duì)新生界水、煤系水判別效果較好，函數(shù)值間差距較大，區(qū)分明顯，而針對(duì)太灰水、奧灰水判別時(shí)，函數(shù)數(shù)值較為相近，區(qū)分度低(圖 8b)，說明地?zé)崴乃瘜W(xué)兼具太灰水和深部奧灰水的共同特征，存在奧灰水與太灰水相互混合的現(xiàn)象； 判別結(jié)果中85%地?zé)崴畼优卸閵W灰水源， 15%地?zé)崴畼优卸樘宜畼?，說明井下地溫異常各出水點(diǎn)，奧灰水所占混合比例高。

已知t年平均氣溫，年常溫帶深度h，地溫梯度r，根據(jù)地下水的溫度可以推算其大致循環(huán)深度H，其公式(張人權(quán)等， 2011)為：

H=(T-t)r+h

(14)

本區(qū)恒溫帶深度為30m，溫度為17.1℃(彭濤等， 2015a,2015b)。地溫梯度采用81采區(qū)內(nèi)9東5地溫孔資料3.1℃/100m，青東地?zé)崴疁亟橛?6.9～41.2℃之間，經(jīng)計(jì)算地?zé)崴h(huán)深度介于668.70～807.42m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料，本區(qū)奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層(段)平均埋深701.92m，由此說明該礦異常地?zé)崴缮畈繆W灰水補(bǔ)給，經(jīng)斷裂導(dǎo)水通道至太灰層段混合而成(圖 9)，同時(shí)也證明形成兩類水水化學(xué)差異的根本原因是來自于不同水源。奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，溶穴和溶洞之中儲(chǔ)藏著大量地下水，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生一定威脅，因此在防治水工作中應(yīng)尤為關(guān)注。

圖 9 地?zé)崴梢蚴疽鈭DFig. 9 Schematic diagram of geothermal water genesis

3 結(jié) 論

(2)地?zé)崴乃瘜W(xué)成分主要受水巖作用和離子交替作用共同控制，其中水巖作用以硅酸鹽溶解、含煤地層黃鐵礦氧化、蒸發(fā)鹽溶解最為顯著，且地?zé)崴乃畮r作用和離子交替作用程度相比非地?zé)崴畯?qiáng)。

(3)建立Fisher水源識(shí)別模型，進(jìn)行水源識(shí)別。結(jié)果顯示非地?zé)崴畯搅鳁l件簡(jiǎn)單，僅受太灰水補(bǔ)給，而地?zé)崴婢咛宜蜕畈繆W灰水的共同特征，由深部奧灰水補(bǔ)給，經(jīng)斷裂導(dǎo)水通道至淺部太灰水而成，且奧灰水混合比例高。