基于水化學特征分析的大佛寺井田水文地質(zhì)條件研究

龍良良，王生全，肖樂樂，彭 濤，唐保峰

(1.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開采利用地質(zhì)保障重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜煤韓城礦業(yè)有限公司象山礦井，陜西 韓城 715400)

大佛寺井田是彬長礦區(qū)頗具開發(fā)潛力的礦井之一，其安全開采長期受到頂板水害的威脅。近年來水文地質(zhì)類型劃分一直被定為復雜型，防治水形勢較為嚴峻。目前，大佛寺井田礦井做了很多各含水層水樣的全分析試驗，基于此，可根據(jù)水化學特征來進一步認識各含水層的水力聯(lián)系，準確判斷突水水樣的來源[1-6]，為更好地開展防治水工作提供理論依據(jù)。

各含水層水化學成分的形成和演化是各種環(huán)境因素下物化反應(yīng)的綜合結(jié)果，與地下水原始成分、圍巖性質(zhì)、構(gòu)造條件、水動力條件、氣候地形、溫度壓力等因素息息相關(guān)[7，8]。對其進行分析，能得出各含水層水的化學特征差異、補徑排條件，從而分析不同含水層的水力聯(lián)系[9-13]。許蓬、王明[14]基于環(huán)境同位素技術(shù)標識地下水運移規(guī)律，結(jié)合巴彥高勒礦井各含水層水化學特征，分析了含水層之間的水力聯(lián)系。楊建、趙彩鳳[15]基于某礦井延安組3-1煤層頂板疏放水工程，分析兩含水層的水位變化情況、水化學特征差異，認為煤層頂板含水層與之上的志丹群含水層水力聯(lián)系微弱。

判別突水水源是解決和預防突水災害的關(guān)鍵步驟，最迅速經(jīng)濟的方法為水化學特征對比分析方法，現(xiàn)今逐漸融入了多元統(tǒng)計學方法和非線性分析方法，多種方法相互補充驗證[16]。劉劍民、王繼仁[17]等在水化學特征分析的基礎(chǔ)上，運用模糊評判和矩陣方程數(shù)學原理，對某礦突水水樣進行了來源判別，結(jié)果符合實際情況。王甜甜、靳德武[18]等優(yōu)選了6個水樣主要離子含量作為判別指標，構(gòu)建了動態(tài)權(quán)-集對分析模型，對10組突水水樣來源進行判別，結(jié)果合理。

本文在充分解讀大佛寺井田水文地質(zhì)背景的前提下，繪制了主采煤層頂板各含水層水樣的Piper三線圖，在圖上能直觀地展現(xiàn)其水循環(huán)條件和水質(zhì)類型等重要水化學信息，建立井田的水化學特征背景庫?；诖司C合解讀了各含水層補徑排條件及其之間的水力聯(lián)系。將井田的2個突水水樣與水化學庫進行對比分析，并結(jié)合聚類分析多元統(tǒng)計學方法，準確地判斷出了突水水樣的來源含水層。

1 地質(zhì)概況

大佛寺井田位于陜西彬長礦區(qū)南部，井田面積71.3km2，年產(chǎn)量8.0Mt/a。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，主采4號煤層，平均煤厚13.5m，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

井田構(gòu)造中等?？傮w表現(xiàn)為走向近EW、傾向近N的波狀單斜構(gòu)造，在其之上疊加了一系列傾向NEE與傾向NNW的寬緩褶皺構(gòu)造，同時伴生以斷距小于5m的張性及張扭性小型正斷層為主的斷裂構(gòu)造。

2 頂板涌(突)水現(xiàn)狀分析

地層產(chǎn)狀、構(gòu)造情況都顯示本區(qū)煤層以上地層未受到強烈的擠壓變形。4號煤層之上是一套含(隔)水層相間存在的復合含水體。根據(jù)目前的水文地質(zhì)資料可知，井田內(nèi)包含6層含水巖組和2層隔水巖組，相互的空間組合關(guān)系如圖1所示。

圖1 4號煤頂板含(隔)水層層位關(guān)系

經(jīng)過水文地質(zhì)條件分析，認為井田涌(突)水水源為4煤頂板侏羅系裂隙含水層和白堊系孔隙～裂隙含水層。前者屬弱富水含水層，礦井開采疏降效果較為明顯，對后續(xù)工作面采掘影響較小。后者的富水性中等且厚度巨大，對礦井安全開采極具威脅，將會是今后礦井防治水工作的重要內(nèi)容。

洛河組在各溝谷中廣泛出露，巖性大多是中、粗粒砂巖。含水層以各類砂巖為主，含水層平均厚度163m，具有東薄西厚，中部薄南北厚的特點。根據(jù)抽水試驗顯示，富水性中等。洛河組與宜君組之間無穩(wěn)定的隔水層發(fā)育，兩者在水質(zhì)類型、水力聯(lián)系等方面基本一致，可將兩者作為統(tǒng)一的白堊系含水層分析。

井田在開采過程中發(fā)生了多次突水事故，較多的情況是發(fā)生在采空區(qū)中的周期性突水。40107工作面回采過程中發(fā)生了采空區(qū)突水，最大突水量達到1000m3/h，為礦井歷年突水量最大值，收集了突水水樣，定名為1號突水水樣。40110工作面回采過程中發(fā)生了頂板淋水，最大淋水量高達460m3/h，超過工作面強排能力，視為突水事件，收集水樣，定名為2號突水水樣。

3 地下水水化學特征

充分搜集資料，得到各含水層的水樣全分析數(shù)據(jù)共計30組，具體見表1。運用Aquachem水化學軟件繪制Piper三線圖。主要取地下水六種主要離子(K+合并于Na+中)中離子毫克當量百分數(shù)(meq%)大于25%的離子參與水質(zhì)類型評定，大于20%且小于25%的離子作為參考，用括號加以區(qū)別。

表1 井田各含水層水樣數(shù)據(jù)

3.1 第四系松散層水化學特征

圖2 第四系松散層水樣Piper三線圖

3.2 小章溝組水化學特征

圖3 新近系含水層水樣Piper三線圖

3.3 白堊系含水層水化學特征

圖4 白堊系含水層水樣Piper三線圖

3.4 侏羅系含水層水化學特征

根據(jù)水樣22—28繪制侏羅系含水層水樣Piper三線圖，如圖5所示。水樣投影位置集中，均位于菱形的右端。水中離子主要以Cl-、Na+為主，水質(zhì)類型為Cl--Na+，礦化度區(qū)間為13781～16490mg/L，代表了水循環(huán)深度深、徑流差的含水條件。

圖5 侏羅系含水層水樣Piper三線圖

3.5 地下水水化學特征綜合分析

4 水文地質(zhì)條件分析

第四系松散層水與小章溝組水投影位置、水質(zhì)類型及礦化度區(qū)間都相近。兩者之間有位于小章溝組上部的黏土隔水層，全區(qū)分布，厚約30m。以往水文地質(zhì)條件分析認為該隔水層可阻斷兩者之間的水力聯(lián)系，但水化學分析并不支持這一說法。綜合分析認為第四系及新近系含水層都直接接受大氣降水的補給，并在溝谷風化切割處兩者水力聯(lián)系密切。

白堊系含水層水化學特征與潛水、地表水系等差異較大，判斷其不直接接受大氣降水的補給。以往水文地質(zhì)資料顯示洛河～宜君組含水層承壓水位高于地表水位，并在溝谷出露區(qū)以泉的方式向地表水系排泄。這也驗證了水化學特征分析的正確性。綜合判斷白堊系含水層水的補給以區(qū)外徑流為主。

侏羅系含水層水化學特征較白堊系含水層Cl-離子含量、Na+離子含量、礦化度高出兩倍左右，更加表現(xiàn)了深部滯留水的水化學特征。這也與實際相符。侏羅系含水層在區(qū)內(nèi)得不到大氣降水及地表水系的直接補給，承壓水表現(xiàn)為側(cè)向徑流補給，并向深部排泄，徑流遲緩，甚至呈滯流狀態(tài)。

5 突水水樣水化學特征對比

圖6 全井田水樣Piper三線圖

6 聚類分析

聚類分析是一種應(yīng)用較廣的科學分類方法。此次研究采用對樣品進行分類更為適合的Q型聚類分析，衡量相似性的標準采用平方歐式距離。

樣品各變量的量綱和單位不同，數(shù)量級往往差別很大。因此需要進行數(shù)據(jù)預處理工作，在此對原始數(shù)據(jù)進行標準化變換，使其統(tǒng)一量綱和數(shù)量級。

標準化變換為：

(1)

(2)

(3)

樣品i和樣品i之間的相似性度量計算式為：

(4)

以上步驟可用SPSS軟件進行運算，最終得到聚類分析譜系圖，如圖7所示。圖7中，橫軸代表平方歐式距離，即相似性程度；縱軸代表各水樣編號。由圖7可看出，水樣分類較為合理，基本上將水化學特征相近的水樣分為了一類。

圖7 聚類分析譜系圖

當平方歐式距離為5的時候，所有水樣被分為了5類。1號突水水樣與樣品14、21、19、15、16、17、18、20分為了一類，均為白堊系含水層水樣；2號突水水樣與樣品22、26、23、25、27分為了一類，均為侏羅系含水層水樣。綜合水化學特征對比分析結(jié)果，最終判定1號突水水樣為白堊系含水層水，2號突水水樣為侏羅系含水層水。判別結(jié)果與礦井實際突水狀況相一致。

7 結(jié) 論

1)通過分析各含水層的水化學特征，發(fā)現(xiàn)淺部含水層和深部含水層補徑排條件差異明顯，離子濃度和礦化度具有垂向分帶性。

2)小章溝組上部黏土隔水層并不能完全阻斷松散層潛水與新近系含水層之間的水力聯(lián)系；白堊系含水層水化學特征與潛水、地表水系等差異較大，判斷其不直接接受大氣降水的補給，補給以區(qū)外徑流為主；侏羅系含水層水比白堊系含水層水更加表現(xiàn)了深部滯留水的水化學特征，側(cè)向徑流補給，并向深部排泄。

3)突水水樣與水化學特征庫對比，并結(jié)合聚類分析，最終判斷1號突水水樣為白堊系含水層水，2號突水水樣為侏羅系含水層水。