麻家梁礦奧陶系灰?guī)r地下水水化學(xué)特征與成因

杜 亮，高 蘭，劉永芳

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限公司 山西 朔州 036002）

0 引言

華北型煤田主采煤層沉積于巖溶較發(fā)育和水量豐富的奧陶系灰?guī)r之上，隨著開(kāi)采深度的不斷加深，隔水層的厚度也隨著變小，對(duì)所采煤層的壓力也越來(lái)越大，發(fā)生突水的可能性也增大，成為威脅礦井生產(chǎn)的重要水害之一。侯俊華等采用不同的方法研究了奧灰水水化學(xué)特征及其成因[1-5]。

麻家梁礦主采煤層為4#和9#煤層，隨著時(shí)間的推移4#煤層的開(kāi)采已經(jīng)步入后期，9#煤層的開(kāi)采刻不容緩。4#煤層距奧灰含水層距離較遠(yuǎn)，在底板完整情況下奧灰水對(duì)其不會(huì)造成威脅，但是當(dāng)延伸進(jìn)入9#煤層后離奧灰水較近，奧灰水是其開(kāi)采過(guò)程中重要的水害之一。因此研究麻家梁礦區(qū)奧陶系灰?guī)r地下水的水化學(xué)特征及成因，為其制定防治水安全技術(shù)措施提供一定的水文地質(zhì)資料。

1 研究區(qū)概況

麻家梁井田位于山西省朔州市的南部，隸屬朔州市朔城區(qū)管轄。地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°22＇00″～112°29＇30″，北緯39°08＇00″～39°14＇30″。井田南北長(zhǎng)約12.2 km，東西寬約7.2 km～9.4 km，面積約104.292 4 km2。本礦井范圍內(nèi)經(jīng)鉆孔揭露，自下而上分別為奧陶系馬家溝組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、石盒子組，新近系、第四系。麻家梁井田地處神頭泉域奧灰水的徑流區(qū)，屬?gòu)?qiáng)含水層。奧灰水（奧陶系馬家溝組）水位標(biāo)高在+1 055 m～+1 060 m 之間，奧陶系巖性以石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，石灰?guī)r主要由礫屑和亮晶方解石組成。

2 水樣檢測(cè)與分析

2.1 水樣主要檢測(cè)指標(biāo)

在做抽水試驗(yàn)的同時(shí)收集水樣進(jìn)行化驗(yàn)，奧灰水取樣地點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。本文主要收集檢測(cè)了麻家梁礦奧陶系灰?guī)r含水層（以下簡(jiǎn)稱奧灰水）水樣的常規(guī)數(shù)據(jù)，其中有Ca2+、Mg2+、Na++K+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS、礦化度、PH 等，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。將檢測(cè)的數(shù)據(jù)利用Origin 軟件繪制Piper 三線圖、離子比例系數(shù)圖；利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

表1 奧灰水水樣常規(guī)指標(biāo)

圖1 奧灰水取樣地點(diǎn)分布圖

2.2 水樣檢測(cè)儀器

依據(jù)DZ/T0064-2021檢測(cè)奧灰水水樣水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)，主要檢測(cè)儀器有：PHS-3C酸度儀、TU-1901紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、BSA224S電子天平、101-3型恒溫干燥箱、GGX-900原子吸收分光光度計(jì)、6400火焰光度計(jì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 奧灰水水化學(xué)類型特征

對(duì)麻家梁礦奧灰水11個(gè)水樣用SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。奧灰水中陽(yáng)離子的平均濃度值由高到底分別為Ca2+＞Mg2+＞Na++K+；其陰離子的平均濃度值由高到底分別為HCO3-＞SO42-＞Cl-。由于奧灰水的水流流速較快，水巖交互作用時(shí)間較短，因此TDS 含量較低且變化范圍較小，平均含量為347.82 mg/L，屬于低礦化度型水。其中Mg2+的變異系數(shù)較大，為0.52，其他幾種離子的變異系數(shù)都小于0.5，說(shuō)明Mg2+與其他離子相比，穩(wěn)定性較差，受地形地貌、水文條件和構(gòu)造等外界環(huán)境的影響更為強(qiáng)烈。

表2 奧灰水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表（mg/L）

由表3繪制Piper三線圖可知，奧灰水離子成分以HCO3-、Ca2+、Mg2+為主，水質(zhì)類型呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型；由以往水文地質(zhì)資料可知其上覆含水層水的水質(zhì)類型呈HCO3-(K+Na)。由此可推斷麻家梁礦區(qū)奧灰水在溶濾過(guò)程中主要是方解石和白云石的溶解。

表3 各離子百分比濃度統(tǒng)計(jì)表（%）

圖2 奧灰水水化學(xué)成分三線圖

3.2 離子比例系數(shù)分析

通過(guò)表4 計(jì)算奧灰水中的不同離子的比值，可進(jìn)一步研究麻家梁礦奧灰水中主要離子的來(lái)源。由圖1可知，麻家梁礦區(qū)奧灰水的水質(zhì)類型呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型，故對(duì)HCO3-、Ca2+、Mg2+和K++Na+等幾中離子的來(lái)源進(jìn)行探討。

表4 各離子毫克當(dāng)量統(tǒng)計(jì)表（%）

通過(guò)研究γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)的比值，來(lái)確定奧灰水中Ca2+和Mg2+的主要來(lái)源，由圖3（a）和化學(xué)公式（1）和（2）可知，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)的比值接近于1，可以判斷奧灰水中Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解。

通過(guò)研究γ(Na++K+)/γ(Cl-)的比值，來(lái)確定奧灰水中Na+和K+的主要來(lái)源，由圖3（b）和公式（3）可知，γ(Na++K+)/γ(Cl-)的比值接近于2，其比值大于1，說(shuō)明麻家梁礦奧灰水中Na+離子不僅來(lái)源于鹽巖，還來(lái)源于濃縮蒸發(fā)作用及與陽(yáng)離子交換作用。

通過(guò)研究γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)的比值，來(lái)確定奧灰水中是發(fā)生蒸發(fā)巖還是發(fā)生碳酸鹽溶解，其比值小于1 時(shí)，主要是發(fā)生碳酸鹽的溶解，反之，主要是發(fā)生蒸發(fā)巖的溶解。由圖3（c）可知，γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)的比值小于1，因此，麻家梁奧灰水中主要發(fā)生碳酸鹽的溶解。

圖3 奧灰水離子比例關(guān)系圖

4 結(jié)論

麻家梁礦奧灰水中陽(yáng)離子的平均濃度由高到低為Ca2+＞Mg2+＞Na++K+，陰離子的平均濃度由高到低為HCO3-＞SO42-＞Cl-；其水化學(xué)類型主要呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型。麻家梁奧灰水中出現(xiàn)HCO3-Ca·Mg 型水，主要是由于碳酸鹽巖的溶解作用；其次，出現(xiàn)少量HCO3-Ca·Mg（K+Na）型水，是鹽巖的溶解、濃縮蒸發(fā)作用及發(fā)生的陽(yáng)離子交換作用所形成的。研究麻家梁礦區(qū)奧灰水為其治理奧灰水和為制定探放水設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。