桌子山煤田奧灰水水化學(xué)特征及成因分析

王 世 東

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤炭是我國(guó)的主體能源，然而我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井水害時(shí)有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011—2019年，我國(guó)煤礦發(fā)生較大以上水害事故70余起，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元[1]。且煤層開(kāi)采擾動(dòng)導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破壞及地下水循環(huán)狀態(tài)改變，破壞了原來(lái)的平衡，水化學(xué)條件發(fā)生改變[2]，影響地下水質(zhì)，引發(fā)礦區(qū)水資源管理利用的問(wèn)題。地下水的化學(xué)組分是地下水與其周圍長(zhǎng)期作用的產(chǎn)物[3]，研究地下水的水化學(xué)特征可以掌握地下水的水質(zhì)，研究其形成原因可闡明地下水的起源及演化過(guò)程。因此研究煤礦區(qū)地下水水化學(xué)特征及其演化過(guò)程十分必要。

近幾年來(lái)，學(xué)者們?cè)诿旱V區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因方面做了大量工作。陳陸望[4]分析了淮北煤田太原組灰?guī)r地下水的水化學(xué)特征和形成作用，研究結(jié)果表明隨著采煤的擾動(dòng)，地下水的溶濾作用逐漸減弱而陽(yáng)離子交換作用逐漸增強(qiáng)。楊婷婷[5]分析了淮南潘謝礦區(qū)巖溶水化學(xué)組分規(guī)律及形成過(guò)程，研究結(jié)果為該地區(qū)的巖溶水害防治提供理論基礎(chǔ)及參考。邱慧麗等[6]通過(guò)離子組合比分析、基于主成分分析的方法分析了淮北煤田的水文地球化學(xué)演化特征。汪子濤等[7]采用離子組合法、Gibbs圖、氯堿指數(shù)等方法研究了淮南煤田各含水層的地下水水化學(xué)特征。以上研究成果從一定程度上揭示了煤礦區(qū)地下水水循環(huán)與水文地球化學(xué)演化機(jī)制及其影響因素等。但是這些研究均集中在兩淮地下水水資源豐富的區(qū)域，針對(duì)西部干旱半干旱地下水資源短缺區(qū)域的研究較少。西部地區(qū)氣候氣候特征、地下水埋藏條件、地質(zhì)構(gòu)造及地層條件均與東部地區(qū)差別較大，因此需開(kāi)展專門的研究工作。

桌子山煤田地處鄂爾多斯盆地西緣，位于華北地臺(tái)的西部大陸邊緣，主采石炭、二疊紀(jì)煤層。長(zhǎng)期以來(lái)，煤層底板奧陶紀(jì)灰?guī)r水害是威脅該區(qū)域煤炭資源安全開(kāi)采的最大隱患。2010 年駱駝山煤礦發(fā)生了特別重大突水事故，突水量峰值達(dá)60 036.0 m3/h，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[8]。因此，開(kāi)展對(duì)桌子山煤田奧陶紀(jì)灰?guī)r水化學(xué)特征及形成機(jī)理研究對(duì)于奧陶系灰?guī)r水害事故防治具有重要的意義。此外，桌子山煤田行政區(qū)屬于烏海市，屬于干旱氣候區(qū)，年均降雨量140 mm，年均蒸發(fā)量3 600 mm，且地表河流不發(fā)育，地下水資源已經(jīng)是烏海市(內(nèi)蒙古自治區(qū))重要的生產(chǎn)、生活需水來(lái)源，具有不可替代的作用。據(jù)報(bào)道，烏海市供水量中42.43%來(lái)自于地下水，其中8%來(lái)自桌子山煤田奧陶系灰?guī)r的疏放水，且疏放水的供給量逐年增加[9]，因此桌子山煤田奧陶系灰?guī)r地下水是未來(lái)烏海市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要地下水水源地。但是，采煤會(huì)改變地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，進(jìn)而影響地下水水質(zhì)。分析奧陶系灰?guī)r地下水的水化學(xué)特征可以直接反映其水質(zhì)狀況，分析其形成機(jī)理可以間接了解水質(zhì)可能發(fā)生的變化。因此開(kāi)展對(duì)桌子山煤田奧陶紀(jì)灰?guī)r水化學(xué)特征及形成機(jī)理研究有助于科學(xué)規(guī)劃和有效利用、保護(hù)煤田地區(qū)的地下水資源。

以桌子山煤田奧陶系灰?guī)r水為研究對(duì)象，綜合利用Piper三線圖、Gibbs圖及離子比例關(guān)系綜合分析地下水化學(xué)特征及其成因。研究成果為該區(qū)域礦井水害防治及地下水資源的科學(xué)規(guī)劃和有效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

桌子山煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市，煤田主要分布在桌子山與甘德?tīng)柹街g以及桌子山南部棋盤井鎮(zhèn)周邊，主采石炭系上統(tǒng)太原組上段(C2t2)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)煤層。2010年以前，由于對(duì)煤田奧陶系灰?guī)r認(rèn)識(shí)不足，誤認(rèn)為奧陶系灰?guī)r富水性差，導(dǎo)致2010年駱駝山煤礦在16號(hào)煤+870 m回風(fēng)大巷掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了特大奧灰水突出事故，最大突水量高達(dá)65 000 m3/h，此后桌子山煤田奧陶系灰?guī)r問(wèn)題引起廣泛重視及關(guān)注。此后，十多年，筆者在桌子山煤田10個(gè)煤礦包括卡布其、平溝、駱駝山、白音烏素、滴力幫烏素、天譽(yù)、海融、正豐、利民和棋盤井開(kāi)展專門水文地質(zhì)補(bǔ)勘工作?；诮?0 a的工作，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行總結(jié)概述如下。

桌子山煤田為獨(dú)立的巖溶地下水系統(tǒng)屬于鄂爾多斯盆地寒武系-奧陶系碳酸鹽巖溶地下水系統(tǒng)，根據(jù)煤田巖溶水的局部水力聯(lián)系、水量分布和補(bǔ)徑排條件的特點(diǎn)，可以分為4個(gè)較為獨(dú)立的水循環(huán)系統(tǒng)，分別為千里山巖溶水子系統(tǒng)(Ⅰ)、甘德?tīng)柹綆r溶水子系統(tǒng)(Ⅱ)、桌子山北段巖溶水子系統(tǒng)(Ⅲ)和桌子山南段巖溶水子系統(tǒng)(Ⅳ)，如圖1所示。

圖1 桌子山煤田奧陶系灰?guī)r地下水概況Fig.1 General of Ordovician limestone groundwater in Zhuozishan Coalfield

桌子山煤田地處中國(guó)西北部，地表河流較少且流量較小，大氣降水成為奧陶系含水層的主要補(bǔ)給來(lái)源，降水主要在桌子山奧陶系灰?guī)r露頭區(qū)補(bǔ)給含水層，向西徑流，穿過(guò)卡布其向斜后至甘德?tīng)柹綎|緣，受到阻水?dāng)嗔训淖钃?，在向斜?nèi)改為向北、向南徑流，最終以泉的形式排出或流向黃河和側(cè)向排出，從而卡布其向斜把桌子山分成南北兩個(gè)巖溶水子系統(tǒng)；另一方面，地下水也會(huì)由桌子山向南徑流，但因南部地層逐步加深和正誼關(guān)平移斷層阻隔的緣故，會(huì)形成滯留帶，最終也是以泉的形式排出或流向黃河和側(cè)向排出。由于奧陶系灰?guī)r地下水補(bǔ)給受限，使地下水循環(huán)較為緩慢，只有在巖溶斷裂構(gòu)造及深切巖溶溝谷帶才會(huì)形成強(qiáng)徑流帶。

1.2 樣品采集與檢測(cè)

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學(xué)組分分布特征

由表1可知，桌子山煤田主要的水化學(xué)指標(biāo)濃度范圍變化較大，陽(yáng)離子中主要為Na+，質(zhì)量濃度為35.19～900.40 mg/L，平均為274.38 mg/L；陰離子中主要為Cl-，為62.17～1 237.81 mg/L，平均為352.61 mg/L。TDS濃度為464.75～3 366.52 mg/L，平均為1 339.98 mg/L，屬于淡水～咸水，主要為淡水，pH值為7.01～11.45，平均為8.02，屬于中性水～弱堿性水，主要為中性水[9]。

表1 桌子山煤田奧陶系灰?guī)r水水化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Table 1 Test results of water and hydrochemical indicators of Ordovician limestone in Zhuozishan Coalfield

同時(shí)，由圖2可知，離子等值線在煤田的北部和部地區(qū)分布較為密集，中部相對(duì)稀疏，這是由于受采煤影響北部與南部水-巖溶濾作用較強(qiáng)，中部較弱所致，表現(xiàn)出中部離子較低所致。

圖2 水化學(xué)指標(biāo)等值線圖Fig.2 Contour map of water chemical indicators

2.2 水化學(xué)類型

根據(jù)研究區(qū)主要離子濃度繪制水化學(xué)類型Piper三線圖[9-11](圖3)。桌子山煤田奧陶系灰?guī)r水水化學(xué)類型主要包括：SO4·Cl-Ca·Na、HCO3·SO4·Cl-Ca·Na、HCO3·Cl-Ca·Na、HCO3-Ca·Na，根據(jù)地下水的徑流方向，水化學(xué)類型的變化可分為2類(圖3)：一類為為由桌子山補(bǔ)給區(qū)向甘德?tīng)柹皆俎D(zhuǎn)向北、向南徑流，水化學(xué)類型由上游區(qū)的SO4·Cl-Ca·Na型轉(zhuǎn)為HCO3·SO4·Cl-Ca·Na或、HCO3·Cl-Ca·Na或HCO3-Ca·Na；另一類為由桌子山補(bǔ)給區(qū)向南徑流，水化學(xué)類型始終為SO4·Cl-Ca·Na型。

圖3 桌子山煤田奧陶系灰?guī)r水Piper三線圖Fig.3 Piper three-line diagram of Ordovician limestone water in Zhuozishan Coalfield

2.3 水化學(xué)作用

Gibbs圖可以宏觀地反映地下水形成過(guò)程中主要離子的控制因素[12]，一般將主要的控制因素分為蒸發(fā)濃縮控制型、巖石風(fēng)化控制性、降水作用控制性3種[13-14]，但對(duì)于深層地下水而言，隨著深度增加，蒸發(fā)作用會(huì)逐漸變?nèi)?，因此需采用“水積極交替作用帶”、“水遲緩交替作用帶”和“水消極交替作用帶”[15-16]分析深層地下水的控制因素(圖4)。

圖4 奧陶系灰?guī)r水Gibbs圖Fig.4 Gibbs diagram of Ordovician limestone water

通過(guò)圖4分析可知，“①”為由桌子山補(bǔ)給區(qū)向甘德?tīng)柹皆俎D(zhuǎn)向北、向南徑流，地下水控制作用始終位于“水遲緩交替作用帶”內(nèi)；“②”為由桌子山補(bǔ)給區(qū)向南徑流，地下水控制作用由上游的“水遲緩交替作用帶”轉(zhuǎn)為“水消極交替作用帶”，因此可以判斷由桌子山補(bǔ)給區(qū)向南徑流方向發(fā)生的反向離子交換作用較為強(qiáng)烈，使得K+、Na+和Cl-的濃度增加，導(dǎo)致TDS質(zhì)量濃度偏高。

圖5 與水氯堿指數(shù)Fig.5 and water chlor-alkali index

氯堿指數(shù)(CAI-1和CAI-2)是水中離子交換的一種檢驗(yàn)方法[19]。當(dāng)CAI-1和CAI-2為負(fù)數(shù)時(shí)說(shuō)明存在地下水中的Ca2+和(或)Mg2+置換含水介質(zhì)中的Na+和(或)K+的離子交換作用，當(dāng)CAI-1和CAI-2為正數(shù)時(shí)，則為反向陽(yáng)離子交換作用[20]。CAI-1和CAI-2的計(jì)算公式如下：

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

(1)

(2)

其中:C為各離子濃度，meq/L。各含水層水樣的氯堿指數(shù)圖如圖5b所示。

由圖5b可知，桌子山煤田北部和中部的煤礦水樣CAI-1和CAI-2大部分小于1，位于桌子山煤田南部的煤礦水樣CAI-1和CAI-2大部分大于1，由此說(shuō)明：由桌子山補(bǔ)給區(qū)向甘德?tīng)柹皆俎D(zhuǎn)向北、向南徑流(“①”徑流)主要為正向離子交換作用(反應(yīng)式(3))，桌子山補(bǔ)給區(qū)向南徑流(“②”徑流)主要為反向陽(yáng)離子交換作用(反應(yīng)式(4))[21]。

(3)

(4)

2.4 水化學(xué)演化過(guò)程

根據(jù)桌子山煤田奧陶系灰?guī)r地下水的徑流特征與水化學(xué)分析的結(jié)果，歸納總結(jié)其水文地球化學(xué)特征的成因?？梢詫⒆雷由矫禾飱W陶系灰?guī)r地下水分為“北”“中”和“南”3個(gè)特征區(qū)域。

1)北部區(qū)域。桌子山煤田北部地下水由桌子山奧陶系灰?guī)r地下水露頭區(qū)補(bǔ)給后向西徑流，沿卡布其向斜流至甘德?tīng)柹綎|緣，受甘德?tīng)栒龜鄬拥淖钃酰臑橄虮?、向南徑流。由于地下水徑流方向突然改變，在卡布其向斜?huì)形成地下水“滯留區(qū)”，又因地下水的不斷補(bǔ)給，使該“滯留區(qū)”地下水徑流方向出現(xiàn)紊亂的情況(圖7)，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)才能流向下游地區(qū)，致使出現(xiàn)水化學(xué)指標(biāo)等值線(圖2)較為密集且變化不均的特征，水化學(xué)類型與水化學(xué)作用較為復(fù)雜。

圖7 桌子山煤田奧陶系地下水水化學(xué)成因機(jī)制概念Fig.7 Conceptual map of hydrochemical genesis mechanism of Ordovician groundwater in Zhuozishan Coalfield

2)中部區(qū)域。桌子山煤田中部地下水由北部或桌子山奧陶系灰?guī)r地下水露頭區(qū)補(bǔ)給區(qū)徑流而來(lái)，之后沿?cái)嗔褞Я飨蛳掠蔚淖雷由矫禾锬喜繀^(qū)域。因此桌子山煤田中部地區(qū)地下水未受到地質(zhì)構(gòu)造阻擋，徑流方向不變，使水化學(xué)指標(biāo)等值線(圖2)呈規(guī)律性變化，水化學(xué)類型以HCO3·Cl-Ca·Na型為主(圖3)，水化學(xué)作用處于水遲緩交替作用帶(圖5)且經(jīng)歷正向離子交換作用(圖6)。

3)南部區(qū)域。桌子山煤田南部地下水由中部或桌子山奧陶系灰?guī)r地下水露頭區(qū)補(bǔ)給區(qū)徑流而來(lái)，但因南部地層逐步加深和正誼關(guān)平移斷層阻隔的緣故，會(huì)形成地下水“滯留區(qū)”(圖7)，之后再轉(zhuǎn)向西南方向徑流，致使水化學(xué)指標(biāo)等值線(圖2)呈現(xiàn)出規(guī)律性、密集性的特征，水化學(xué)類型始終以SO4·Cl-Ca·Na型為主(圖3)且反向離子交換作用強(qiáng)烈(圖6)。

3 結(jié) 論

2)桌子山煤田2個(gè)徑流方向(由桌子山補(bǔ)給區(qū)向甘德?tīng)柹皆俎D(zhuǎn)南北向徑流和由桌子山補(bǔ)給區(qū)向南徑流)的水化學(xué)類型變化呈現(xiàn)不同特征，前者變化較為明顯，而后者始終為SO4·Cl-Ca·Na型，說(shuō)明兩者在徑流過(guò)程中發(fā)生的水化學(xué)作用不同。Gibbs圖及氯堿指數(shù)結(jié)果表明2個(gè)徑流方向地下水形成的過(guò)程控制作用不同，前者為“水遲緩交替作用帶”，主要為正向離子交換作用，后者控制作用由“水遲緩交替作用帶”轉(zhuǎn)為“水消極交替作用帶”，反向離子交換作用較為強(qiáng)烈。

3)將桌子山煤田劃分為北、中、南3個(gè)水化學(xué)特征區(qū)，北部因地質(zhì)構(gòu)造的緣故使地下水形成滯留區(qū)，徑流方向出現(xiàn)紊亂，水化學(xué)類型與水化學(xué)作用較為復(fù)雜；中部未受到地質(zhì)構(gòu)造阻擋，徑流方向不變，使水化學(xué)類型較為簡(jiǎn)單，受巖石風(fēng)化作用及正向離子交換作用控制；南部因地層加深和斷層阻隔的緣故形成滯留帶，水化學(xué)類型與補(bǔ)給區(qū)相似且反向離子交換作用強(qiáng)烈。