煤礦井水化學(xué)特征研究

李廣平，況軍，丁濤，鄭磊，郭杰，周海龍

(安徽恒源煤電股份有限公司錢營孜煤礦，安徽宿州 234000)

地下煤礦開采過程中，會發(fā)生火災(zāi)、瓦斯和礦井出水等安全事故[1-2]。在解決礦井出水問題時，確定出水源頭是關(guān)鍵。早期礦井出水的研究方法是常規(guī)水化學(xué)分析和環(huán)境同位素分析等單一礦井突水水源判別分析方法，其已逐漸發(fā)展成為目前的以非線性判定和多元統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)的水源判別體系[3-4]。目前，礦井出水的研究體系雖逐漸趨于完善和成熟，但在應(yīng)用時還存在以下問題：①現(xiàn)有水源識別方法的種類較多，其原理和特點(diǎn)不同，使其在不同區(qū)域的使用效果存在差異，普適性不強(qiáng)[5]；②水源確定方法可以分為定性分析和定量計(jì)算兩類，后者雖能夠提供定量判定標(biāo)準(zhǔn)，但會忽略重要的水化學(xué)特征及其影響因素，無法建立較準(zhǔn)確的礦井突水和含水層的相互聯(lián)系[6]。筆者以某煤礦區(qū)水文地質(zhì)和水化學(xué)資料為基礎(chǔ)，利用變異系數(shù)分析、Stiff圖、Piper圖和Durov圖等圖版分析法及主成成分分析等方法，以多元結(jié)合方式研究了謝橋煤礦內(nèi)充水含水層的水化學(xué)特征，并基于主要離子和Gibbs圖分析了地層水的影響因素。

1 煤礦水化學(xué)特征分析

按照化學(xué)類型對某煤礦區(qū)含水層地層水中所含8種離子進(jìn)行劃分，進(jìn)而對水源特征進(jìn)行辨識分析。

1.1 變異系數(shù)法分析

由含水層的水樣數(shù)據(jù)可知，其酸堿性呈現(xiàn)較強(qiáng)的堿性，pH值為7.50~10.66，且砂巖水和新生界水兩者的離子濃度變異系數(shù)(CV)普遍較大。地下水溶液總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì)(TDS)值為330.53~3 341.45 mg/L，其中新生界水樣的TDS值較小，老空水樣的TDS值的范圍較大。4種含水層離子濃度變異系數(shù)見圖1。

圖1 各含水層離子濃度變異系數(shù)

由圖1可見：新生界水的離子濃度均勻性較差且分散性較強(qiáng)，部分陰離子(如Cl-和CO32-)的CV值高于1.2，而其他主要離子的CV值也均高于0.5；老空水中主要離子的CV值均低于1.0，Na++K+、Cl-和HCO3-的CV值低于0.5，而其他離子的則相反，表明存在外部干擾使得該水體的均勻程度較低，分散情況較差；太灰水的離子濃度均勻性最好，這是由于該水體中主要離子的CV值均低于0.5，僅有CO32-的CV值高于1.0；煤系砂巖水中部分離子的CV值高于0.5，其中SO42-的CV值高于1.1，

CO3

2-的CV值也接近1.0，表明該水體均勻程度低于太灰水，且可能與替他三類水體存在聯(lián)系。

1.2 Stiff圖分析

Stiff圖以每升水中各離子的毫克當(dāng)量數(shù)進(jìn)行繪圖，左邊為陽離子含量，右邊為陰離子含量，多邊形面積越大，表示該離子在水中所占比例越大，能夠很好地指示出同一水樣中不同離子的分布。各含水層的Stiff圖見圖2。

圖2 各含水層的stiff圖

由圖2可見：砂巖水、太灰水、老空水及新生界水的陰離子濃度具有明顯的差別，而陽離子濃度的規(guī)律則一致，具有以(K++Na+)為主、Ca2+和Mg2+的濃度較低的特征。老空水和新生界水Stiff圖的幾何形狀最為接近，其陰離子均以HCO3-為主，且前者的陰離子濃度之間的差距略高于后者，陽離子則均以Na+為主；砂巖水、太灰水體的陰離子則均以Cl-為主，且砂巖水中HCO3-的濃度較高。

1.3 Piper圖分析

Piper圖主要利用圖示考察水化學(xué)離子的分布特征，通過圖示能夠直接反映出樣本水的一般化學(xué)特征及其類型。其中Piper圖左下方的三角形代表陽離子的相對摩爾百分量，右下角的三角形代表陰離子的相對摩爾百分量。向上方菱形延伸所得的交點(diǎn)代表水樣的陰陽離子相對含量。各含水層的Piper圖見圖3。

圖3 各含水層水樣的Piper圖

由圖3可見：各水體中陽離子Ca2+和Mg2+的濃度均低于陽離子(K++Na+)的濃度。新生界水樣中離子呈現(xiàn)分散分布特征，該水樣的化學(xué)特征與其他三類水體的差異較大，可能具有較多的水化類型；同時該水樣的SO42-濃度最高，這可能與硫酸鹽礦物在水巖作用中發(fā)生溶解相關(guān)。老空水樣中水樣點(diǎn)分布與太灰水、新生界水樣較近，與煤系砂巖水樣重合，表明該礦井老空水的來源較為多樣。太灰水的水樣點(diǎn)在圖版中集中分布的區(qū)域最小，且與新生界水和砂巖水的水樣點(diǎn)分布區(qū)存在重疊情況，表明該水體與這兩者存在一定水力關(guān)聯(lián)性。煤系砂巖水樣中陰離子Cl-和HCO3-濃度較高，直接影響水樣點(diǎn)的分布位置，導(dǎo)致其集中于四邊形右邊緣。

2 地下水化學(xué)影響因素分析

在地層條件下，地下水通常是一種以水為主的混合物液體，當(dāng)會與周圍巖石礦物緊密接觸，進(jìn)而發(fā)生一些物理和化學(xué)的反應(yīng)。因此，地下水的化學(xué)成分一般是處于一種動態(tài)的平衡狀態(tài)，該狀態(tài)會受到各種地層條件的影響，應(yīng)對其進(jìn)行監(jiān)測。

2.1 Gibbs圖分析

Gibbs圖可用來說明水化學(xué)組分的成因機(jī)制，主要是通過考察不同濃度TDS陽離子濃度比值γ(Na++K+)/γ(Na++K++Ca2+)的水樣點(diǎn)的分布情況，對其水化學(xué)組分的成因進(jìn)行劃分。所研究的礦區(qū)各含水層水樣的Gibbs圖見圖4，其中橫軸為γ(Na++K+)與γ(Na++K++Ca2+)的比值，也可以替換為主要陰離子的比值縱軸為溶液TDS值。

圖4 各含水層水樣的Gibbs圖

由圖4可見：研究礦區(qū)的4個水體均未處于降水/補(bǔ)給作用區(qū)塊，且除新生界水外都分布較為集中，該結(jié)果表明降水/補(bǔ)給作用對礦區(qū)地下水的影響可以忽略不計(jì)，而水巖相互作用和蒸發(fā)作用則是影響地下水的水化學(xué)組分的關(guān)鍵。經(jīng)調(diào)查分析，該區(qū)域內(nèi)的隔水層物性均良好且厚度較大，使得含水層無法得到降水的補(bǔ)給作用。

2.2 主要離子比值分析

2.2.1γ(Na++K+)與γ(Cl-)的比值分析

通過考察γ(Na++K+)與γ(Cl-)的關(guān)系，分析該區(qū)域4類水體中陽離子Na+和K+的具體來源，進(jìn)一步確定其與硅鋁酸鹽類礦物的關(guān)系[7-8]。γ(Na++K+)與γ(Cl-)的比值分析見圖5。

圖5 γ(Na++K+)與γ(Cl-)的關(guān)系

由圖5可見：該區(qū)域4類水體試樣的γ(Na++K+)與γ(Cl-)比值點(diǎn)幾乎全部處于1∶1線之上，表明水體中(Na++K+)與Cl-強(qiáng)相關(guān)性，該現(xiàn)象說明巖石中氯鈉鹽類的風(fēng)化溶解為該礦區(qū)含水層提供了大量的以上主要離子(即Na+、K+和Cl-)，從而使得水體中(Na++K+)的濃度普遍高于Cl-的濃度。另一方面，γ(Na++K+)/γ(Cl-)這一比值結(jié)果同樣可以用于確定是否有陽離子交換的存在[9]，在比值大于1時即發(fā)生陽離子交換現(xiàn)象，即含水層中的離子來源以硅鋁酸鹽巖溶解為主。

2.2.2γ(Ca2++Mg2+)與的比值分析

通過對γ(Ca2++Mg2+)與的比值散點(diǎn)分布進(jìn)行分析，可以推斷礦區(qū)地下水體中Mg2+、Ca2+的 來 源[10-11]。γ(Ca2++Mg2+)與的比值關(guān)系見圖6。

圖6 γ(Ca2++Mg2+)與離子比值關(guān)系

由圖6可見：該區(qū)域4類水體試樣的γ(Ca2++Mg2+)與的比值點(diǎn)均處于1∶1線之下，即(Ca2++Mg2+)與呈負(fù)相關(guān)性，該現(xiàn)象表明該礦區(qū)存在硫酸鹽和硅鋁酸鹽礦物的溶解作用，貢獻(xiàn)了主要的陽離子Ca2+和Mg2+，且的存在說明可能存在碳酸鹽的溶解[12-13]，從而導(dǎo)致水體中(Ca2++Mg2+)的離子濃度普遍低于的離子濃度。

因此可以判定，該煤礦區(qū)地層中硫酸鹽、硅鋁酸鹽及碳酸鹽類礦物的溶解，為該礦區(qū)含水層提供了含量相對較少的主要陽離子。

3 結(jié)論

1)利用變異系數(shù)分析、Stiff圖分析及Piper圖分析方法綜合分析了某礦區(qū)的水化學(xué)特征?，F(xiàn)有4個水體的酸堿性均偏堿性，其水化學(xué)類型存在差別及關(guān)聯(lián)，除新生界水以外的其他3種水體的溶液TDS值均相對較大，且指標(biāo)因子在每個水體中的關(guān)聯(lián)情況差異明顯。

2)該礦區(qū)地層水4個水體的水樣點(diǎn)均未落在降水/補(bǔ)給作用區(qū)塊，因此降水/補(bǔ)給作用幾乎可以認(rèn)為是不存在的，而另外的水巖相互作用和蒸發(fā)作用則主要影響了含水層的水化學(xué)特征規(guī)律。

3)地層水中主要離子的濃度比值結(jié)果表明：該煤礦區(qū)地層水中存在陽離子交換的現(xiàn)象，使得Na+、K+的陽離子濃度普遍高于陰離子Cl-；而其他主要離子(包括Ca2+、Mg2+、主要來源于硫酸鹽和硅鋁酸鹽類礦物的溶解，少量由巖石碳酸鹽提供。