西部侏羅系礦區(qū)充水含水層水文地球化學(xué)特征及礦井水來源綜合識(shí)別*

王強(qiáng)民 王 皓 楊 建 張溪彧 董興玲

(①中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 西安 710054， 中國) (②陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710054， 中國) (③煤炭科學(xué)研究總院， 北京 100013， 中國)

0 引 言

我國礦井水害類型復(fù)雜多樣，且隨著深部煤層開采強(qiáng)度的增加以及開采重心的西移，新的水害類型不斷涌現(xiàn)。榆神礦區(qū)是我國現(xiàn)代化煤礦的聚集區(qū)和高強(qiáng)度開采區(qū)，受開采覆巖結(jié)構(gòu)破壞影響，煤層頂板含水層中賦存的地下水通過采動(dòng)導(dǎo)水裂隙進(jìn)入井下形成礦井水，導(dǎo)致井下涌水量升高、含水層地下水位下降，并有誘發(fā)其他地質(zhì)災(zāi)害的可能(范立民等， 2016； 虎維岳， 2016； 隋旺華等， 2019a，2019b)。因此，礦井水的多寡已成為影響該區(qū)域煤炭資源安全綠色開采的重要因素(張建民等， 2017； 孫亞軍等， 2020)。準(zhǔn)確快速地識(shí)別礦井水來源也成為煤礦防治水和水資源保護(hù)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

圖 1 研究區(qū)示意圖Fig. 1 Schematic map of the study area

目前，礦井水水源判識(shí)通常采用水化學(xué)分析法，并結(jié)合必要的水位、水溫等觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于采動(dòng)導(dǎo)水裂隙可能揭穿若干充水含水層，導(dǎo)致煤層頂板出水的水文地球化學(xué)特征包含著豐富的水源信息，因此經(jīng)常采用水化學(xué)無機(jī)離子(代革聯(lián)等， 2017)、有機(jī)組分(楊建等， 2018)、微量元素(施龍青等， 2020)和穩(wěn)定同位素(焦艷軍等， 2014)等手段判識(shí)礦井水來源。例如，楊建等(2018)采用水化學(xué)的無機(jī)組分和有機(jī)組分實(shí)現(xiàn)了含水層的精細(xì)劃分； 焦艷軍等(2014)采用氫、氧同位素和水化學(xué)常規(guī)離子，建立了基于水文地球化學(xué)特征的水源判識(shí)模板。近年來，隨著煤礦地質(zhì)勘探程度的精細(xì)化、水化學(xué)樣本數(shù)量增加和計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展，基于數(shù)學(xué)方法的水源識(shí)別方法也成功運(yùn)用到水源判識(shí)(黃平化等， 2011； Wang et al.，2017； 董東林等， 2019)，但是此類判別方法仍以水化學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，較少考慮煤礦的實(shí)際水文地質(zhì)條件。采動(dòng)導(dǎo)水裂隙作為地下水涌入井下的主要通道，在判斷礦井水來源的含水層層位方面可提供幫助，但其測(cè)試精度整體較低(薛建坤等， 2020)； 水位下降是含水層地下水進(jìn)入井下的直觀表現(xiàn)，可準(zhǔn)確、快速地識(shí)別礦井水來源，但由于煤礦水文觀測(cè)孔較少或水文孔在地下水降落漏斗以外，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定困難(范立民等， 2020)； 地下水水化學(xué)演化進(jìn)程受地層物性和滲透性控制，其中地層物性是影響水化學(xué)特征的主要因素，地層滲透性決定了地下水在巖層中的滯留時(shí)間，兩者共同導(dǎo)致了不同含水層水化學(xué)特征具有差異性，這為基于水化學(xué)特征的水源判識(shí)奠定基礎(chǔ)(Wang et al.，2020)； 同位素較常規(guī)水化學(xué)離子較為穩(wěn)定，不易與其他成分發(fā)生反應(yīng)，對(duì)水體的示蹤效果較為良好，并為定量計(jì)算不同水源的比例提供了可能(郭晨等， 2017)。

針對(duì)榆神礦區(qū)，申濤等(2011)利用環(huán)境同位素的方法對(duì)淺埋煤層開采礦井水來源進(jìn)行判別； 劉基等(2018)對(duì)該區(qū)域淺層地下水質(zhì)量開展了評(píng)價(jià)； 梁向陽等(2020)研究了曹家灘煤礦不同含水層的水文地球化學(xué)特征。但是，以上研究僅針對(duì)單個(gè)井田，區(qū)域尺度煤層上覆不同含水層的水化學(xué)特征和不同煤層埋深煤礦礦井水的來源依然不清。本文以榆神礦區(qū)為研究區(qū)，通過對(duì)多個(gè)現(xiàn)代化煤礦的礦井水樣品開展系統(tǒng)采集、常規(guī)水化學(xué)與環(huán)境同位素室內(nèi)測(cè)試，并系統(tǒng)收集主要充水含水層的水文地球化學(xué)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上分析區(qū)域主要充水含水層水文地球化學(xué)特征并定量識(shí)別出不同煤層埋深煤礦煤炭開采對(duì)地下水資源的擾動(dòng)程度，研究成果為我國西部礦區(qū)煤炭資源的安全綠色高效開發(fā)提供參考。

1 研究區(qū)概況

榆神礦區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田中東部，礦區(qū)面積約5161.68km2，資源量751.57×108t，占陜北侏羅紀(jì)煤田探獲煤炭資源儲(chǔ)量的54.5%。按地貌成因、地貌形態(tài)及組成物質(zhì)，榆神礦區(qū)地貌單元可劃分為黃土溝壑梁峁地貌和風(fēng)沙地貌，以風(fēng)沙地貌為主，年降水量約為400mm，整體降水入滲能力強(qiáng)。榆神礦區(qū)最上可采煤層上覆主要含水層有侏羅系延安組、直羅組、白堊系洛河組及第四系薩拉烏蘇組，其中洛河組主要分布在榆神三期規(guī)劃區(qū)西部及四期規(guī)劃區(qū)。第三系保德組紅土與第四系黃土為該區(qū)穩(wěn)定的隔水層，其最大厚度可達(dá)180m，但是由于部分區(qū)域該土層大范圍缺失，形成透水“天窗”，對(duì)煤層頂板水害防治和水資源保護(hù)產(chǎn)生較大影響(李智學(xué)等， 2018)。圖 1為研究區(qū)示意圖，其中QM1、QM2和QM3為淺埋煤礦(煤層埋深一般小于200m)，ZSM1、ZSM2和ZSM3為中深埋煤礦(煤層埋深介于200m與400m之間)。同時(shí)，鑒于榆神礦區(qū)三、四期在產(chǎn)煤礦較少，為系統(tǒng)分析榆神礦區(qū)的礦井水來源，將與榆神四期接壤的深埋煤礦SM1、SM2和SM3(煤層埋深大于400m)列入本研究，以期為榆神礦區(qū)三、四期煤炭資源綠色開發(fā)提供科學(xué)參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

圖 2 不同充水含水層地下水化學(xué)成分Piper三線圖Fig. 2 Piper diagram depicting the main water type for groundwater samples of main water filled aquifers

3 結(jié)果分析

3.1 地下水水化學(xué)特征

同時(shí)運(yùn)用層次聚類分析法(HCA)來計(jì)算不同含水層地下水水化學(xué)成分之間的相似性，其樹狀圖如圖 3所示。由樹狀圖可知，采用層次聚類分析可將充水含水層地下水(A01-A03為松散層水、Q01-Q07為淺埋煤礦基巖水、Z01-Z06為中深埋煤礦基巖水、S01-S06為深埋煤礦基巖水)劃分為3類，其中第Ⅰ類為松散層地下水和淺部基巖地下水，第Ⅱ類為中深部和部分淺部基巖地下水，第Ⅲ類全部為深部基巖地下水，不同類型地下水表現(xiàn)出不同的Stiff圖像特征(圖 3)。由此可以看出，基于Piper三線圖的地下水水化學(xué)類型劃分和基于層次聚類分析的相似性分析，其分類結(jié)果完全一致。

圖 3 不同充水含水層地下水化學(xué)成分聚類樹狀圖和Stiff圖Fig. 3 Dendogram of the clusters and Stiff diagrams for groundwater samples of main water filled aquifers

圖 4 不同充水含水層地下水Gibbs圖及與(Ca2++Mg2+)散點(diǎn)圖Fig. 4 Gibbs diagram and scatter diagram of and (Ca2++Mg2+)for groundwater samples of main water filled aquifers

3.2 地下水水化學(xué)組分控制作用

表 1 研究區(qū)不同煤礦礦井水水文地球化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic hydrogeochemical data for different mine water samples

3.3 地下水氫氧同位素組成特征

不同含水層地下水中的氫氧穩(wěn)定同位素具有不同的含量，具有相同補(bǔ)給來源的地下水氫氧同位素含量往往具有相似的線性關(guān)系(孫亞軍等， 2017； 廖昕等， 2020)。前人曾對(duì)鄂爾多斯盆地降水中的氫氧同位素含量開展了測(cè)試，并建立了鄂爾多斯盆地降水的雨水線方程：δD=6.37δ18O-3.69(侯光才等， 2007)。將研究區(qū)松散層、洛河組、直羅組和延安組的地下水樣品的氫氧同位素?cái)?shù)值繪制在δD-δ18O 坐標(biāo)系中，其曲線如圖 5所示。

圖 5 不同充水含水層地下水δD與 δ18O 關(guān)系圖Fig. 5 Relationship of δD and δ18O for groundwater samples of main water filled aquifers

由圖 5可知，研究區(qū)地下水樣全部落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近，說明研究區(qū)地下水均來自大氣降水補(bǔ)給(利振彬等， 2019)。同時(shí)，從圖 5可以看出所有水樣位于大氣降水線右側(cè)，這是因?yàn)榈叵滤h(huán)過程中同位素的不平衡分餾導(dǎo)致的，這種現(xiàn)象稱為氘盈余(d-excess)，被定義為：d-excess=δD-8δ18O ，d-excess值越偏負(fù)，蒸發(fā)作用越強(qiáng)烈，因此可以利用d-excess值的大小反映地下水補(bǔ)給過程中受到蒸發(fā)的影響程度(汪少勇等， 2020)。研究區(qū)不同含水層地下水d-excess值為0～5.80‰，平均值為2.85‰，小于全球平均值10‰，說明降水補(bǔ)給地下水過程中受到一定程度的蒸發(fā)作用影響。全部基巖含水層地下水位于松散層地下水的左下方，且隨著含水層埋深的增加，其偏離程度越大，反映出基巖地下水具有補(bǔ)給高程大和補(bǔ)給途徑遠(yuǎn)的特征(王文科等， 2006)。

3.4 礦井水水化學(xué)及同位素特征

分別將采集礦井水樣品的水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析(表 1)。圖 6為不同煤礦礦井水樣品的礦化度特征，深埋煤礦礦井水礦化度為1824～3684mg·L-1，平均1661.3mg·L-1； 中深埋煤礦礦井水礦化度為880～1532mg·L-1，平均1124mg·L-1； 淺埋煤礦礦井水礦化度為276～820mg·L-1，平均為568mg·L-1； 總體來說，隨著煤層埋深的增大，礦井水的礦化度呈顯著增大趨勢(shì)。

表 2 研究區(qū)不同煤礦礦井水的水源組成特征Table 2 The water source composition for different mine water samples

圖 6 不同煤礦礦井水樣品的礦化度特征Fig. 6 Mineralization characteristics of different mine water samples

礦井水的Piper三線圖如圖 7a所示，不同的礦井水樣品位于Piper三線圖的不同區(qū)域。其中：淺埋煤礦礦井水位于Piper三線圖的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，水化學(xué)類型為HCO3·Ca和HCO3·Na； 中深埋煤礦礦井水位于Piper三線圖的Ⅱ區(qū)，水化學(xué)類型為HCO3·Na； 深埋煤礦礦井水位于Piper三線圖的Ⅲ區(qū)，水化學(xué)類型以SO4·Na為主。圖 7b為礦井水的Stiff圖像，從圖 7b可以看出不同煤層埋深煤礦的礦井水具有不同形狀的Stiff圖像特征，其中深埋煤礦SM1、SM2和SM3的礦井水Stiff圖像較為相似，與圖 3中的第Ⅲ類地下水一致； 中深埋煤礦ZSM1、ZSM2和ZSM3的礦井水Stiff圖像十分相似，與圖 3中的第Ⅱ類地下水一致； 淺埋煤礦QM2、QM3的礦井水Stiff圖像相似度較高，與圖 3中的第Ⅰ類地下水一致； 但是，淺埋煤礦QM1礦井水的Stiff圖像較為特殊，其形狀特征與中深埋煤礦礦井水較為類似。

圖 7 不同煤礦礦井水化學(xué)成分Piper三線圖和Stiff圖Fig. 7 Piper diagram and Stiff diagrams of different mine water samples

圖 8 不同煤礦礦井水δD與 δ18O 關(guān)系圖Fig. 8 The relationship of δD and δ18O of different mine water samples

研究區(qū)不同煤礦礦井水的δD與 δ18O 關(guān)系如圖 8所示，研究區(qū)礦井水樣點(diǎn)全部落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€右側(cè)，不同埋深煤層其礦井水的δD值差異明顯，且隨著煤層埋深的增加，其礦井水δD值呈減小趨勢(shì)。其中：深埋煤礦礦井水樣品δD值為-85.2‰～84.7‰，平均為-84.9‰； 中深埋煤礦礦井水樣品δD值為-81.9‰～-81.2‰，平均為-81.5‰； 淺埋煤礦礦井水樣品δD值為-74‰～-71.9‰，平均為-72.8‰。

3.5 礦井水來源分析

研究區(qū)不同煤礦的含隔水層組合特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育層位如圖 9所示，淺埋煤礦導(dǎo)水裂隙帶直接波及第四系松散含水層或?qū)严稁ё畲蟀l(fā)育高度與第四系松散含水層下界面距離較??； 中深埋煤礦導(dǎo)水裂隙帶一般發(fā)育至侏羅系砂巖含水層，但是由于該區(qū)主采煤層厚度普遍較大，部分煤礦的煤厚達(dá)12m，一次采全高條件下導(dǎo)水裂隙有波及第四系松散含水層的可能性； 深埋煤礦主采煤層厚度一般小于5m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至侏羅系砂巖含水層，礦井直接充水水源主要為侏羅系地下水，但由于部分區(qū)域隔水層缺失，導(dǎo)水裂隙有波及白堊系洛河組含水層的可能性。目前，依據(jù)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度可以直接判斷礦井水的充水水源，但仍存在依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度其數(shù)值偏小的現(xiàn)象； 同時(shí)，由于礦井涌水和大規(guī)模的疏放水，煤層頂板直接充水含水層水位下降幅度大，由此導(dǎo)致該含水層地下水與其他上覆含水層地下水間的水力坡度增大，繼而造成不同含水層之間出現(xiàn)地下水的越流現(xiàn)象。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶沒有溝通含水層，但含水層地下水位出現(xiàn)下降的現(xiàn)象(楊建等， 2019)。

圖 9 不同煤礦含隔水層組合及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征Fig. 9 Hydrogeological structures and heights of water conducting fracture zone for different coal mines

在礦井水來源的定性分析方面，依據(jù)3.4小節(jié)中礦井水與各充水含水層的水化學(xué)和同位素的數(shù)值特征分析，可以直接判斷出深埋和中深埋煤礦的礦井水基本來自侏羅系砂巖含水層，淺埋煤礦QM2和QM3礦井水水化學(xué)特征和第四系松散層地下水和淺埋侏羅系砂巖地下水較為類似，考慮為兩者的混合水。對(duì)于QM1礦井，該礦實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶尚未溝通第四系含水層，依據(jù)水化學(xué)數(shù)據(jù)判斷其礦井水主要來自基巖含水層，依據(jù)同位素?cái)?shù)據(jù)判斷其礦井水有來自松散含水層的可能性，該礦第四系含水層水文觀測(cè)孔地下水位出現(xiàn)下降印證了礦井水中含有一定比例的松散含水層地下水。

穩(wěn)定同位素質(zhì)量平衡為定量計(jì)算礦井水的來源提供可能，本文定義第四系和白堊系地下水為淺層地下水，侏羅系地下水為深層地下水。相比氧同位素，研究區(qū)不同含水層地下水的氫同位素差異更為明顯(申濤等， 2011)。因此，本文以δD值為基礎(chǔ)進(jìn)行礦井水來源的定量估算，不同煤礦淺層和深層地下水δD同位素的特征值如表 2所示。礦井水不同水源的混合比例可以通過下式求出：

δsample=XδA+(1-X)δB

其中：X為淺層地下水的混合比例(%)； δsample為礦井水δD值(‰)； δA為淺層地下水δD值(%)； δB為深層地下水δD值(%)。

研究區(qū)不同煤礦礦井水的水源組成特征如表 2所示。深埋煤礦由于煤層埋深大，煤層距離淺部含水層較遠(yuǎn)，開采對(duì)淺層地下水的擾動(dòng)較小，淺層地下水占礦井涌水的比例約為10%； 中深埋煤礦煤層厚度普遍較大，但采用了分層開采的保水開采工藝，對(duì)淺層地下水的擾動(dòng)同樣較小，淺層地下水占比仍約為10%，但需要關(guān)注該區(qū)域大規(guī)模開采和一次采全高條件下礦井水水化學(xué)和同位素的實(shí)時(shí)變化特征； 淺埋煤礦煤層埋深小，開采過程中第四系松散含水層地下水大量滲漏進(jìn)入井下采空區(qū)，淺層地下水占比約為46%。

4 結(jié) 論

(1)基于三圖法將研究區(qū)煤層上覆主要充水含水層的地下水劃分為3大類，其水化學(xué)類型分別為HCO3·Ca、HCO3·Na和SO4·Na； 不同充水含水層地下水的氫、氧同位素差異明顯，隨著含水層深度的增加，地下水δD和 δ18O 整體呈減小趨勢(shì)。研究區(qū)地下水水化學(xué)組分主要受水巖作用(硅酸鹽巖礦物溶解)控制，同時(shí)受到一定程度的蒸發(fā)作用影響。

(2)隨著煤層埋深的增大，礦井水礦化度呈顯著增大趨勢(shì)。深埋煤礦礦井水水化學(xué)類型以SO4·Na為主，中深埋煤礦礦井水水化學(xué)類型以HCO3·Na為主，淺埋煤礦礦井水水化學(xué)類型以HCO3·Ca和HCO3·Na為主，不同煤層埋深煤礦礦井水表現(xiàn)出不同形狀的Stiff圖像特征。

(3)在查清礦區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，綜合采用水化學(xué)和同位素的方法可以基本確定不同煤層埋深煤礦的礦井水來源。深埋和中深埋煤層開采對(duì)淺層地下水的擾動(dòng)較小，淺層地下水占整個(gè)礦井涌水的比例約為10%； 淺埋煤層開采對(duì)淺層地下水的擾動(dòng)較大，淺層地下水占整個(gè)礦井涌水的比例約為46%。