潘集礦區(qū)太灰水水化學(xué)特征及成因分析

祝紹猛 姚多喜 劉陽 陳小艷

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

中國是煤炭生產(chǎn)和消費大國。2019年，全國煤炭消費總量達到了22.2億t，占當年全國原煤產(chǎn)量的57.7%［1］。2020年9月以來，習(xí)近平總書記多次在重大國際會議上宣布中國將力爭在2030年前實現(xiàn)“碳達峰”，2060年前實現(xiàn)“碳中和”，雖然煤炭能源消費產(chǎn)生的碳是我國碳排放的重要來源，但是在相當一段時間內(nèi)煤炭都將是我國的主體能源［2］。然而，我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，且隨著淺部能源的減少，采煤活動逐漸向深部延伸，淮南潘集礦區(qū)太原組灰?guī)r（簡稱“太灰”）含水層是主要突水含水層之一，其富水性強和裂隙發(fā)育豐富，突水事故嚴重威脅到煤礦開采。一方面，高壓巖溶水影響煤礦開采的安全和效率；另一方面，煤礦開采破壞地下水系統(tǒng)，影響地下水的水質(zhì)和儲量，并造成深部地下水化學(xué)異常［3］。2017年5月下旬，潘二煤礦12123采煤區(qū)的底抽聯(lián)絡(luò)巷出現(xiàn)突水問題，剛開始突水量約為14.9 m3/h；隨著出水范圍的擴大，至24日增大到90 m3/h；后仍呈增大趨勢，至25日22：46突增到3 024 m3/h，后經(jīng)測算突水量達14 500 m3/h［4］。孫鵬飛等［5］采用Gibbs圖及因子分析法，發(fā)現(xiàn)淮南礦區(qū)沉陷積水區(qū)地下水化學(xué)特征與該區(qū)域淺層地下水化學(xué)特征相同，其主要補給水源為淺層地下水及地表徑流。朱樂章［6］利用離子含量對比、Piper三線圖、Gibbs圖3種方法直觀、有效地識別出了朱莊煤礦突水水源；武亞遵等［7］采用離子相關(guān)性分析、Piper三線圖、Gibbs圖和主成分分析相結(jié)合的方法，揭示了鶴壁礦區(qū)主要充水含水層水化學(xué)特征及控制因素，為礦井突水水源的識別與預(yù)測、水資源的開發(fā)、保護與利用提供了理論依據(jù)。

因此，深入了解太灰組灰?guī)r水的水文地球化學(xué)形成對采煤安全和水資源管理具有重要意義。上述都從采煤活動對含水層的影響方面分析了突水問題，并且進行了簡單的水化學(xué)分析，在一定程度上，水化學(xué)成分組成確定了地下水補給源、遷移路徑和循環(huán)的過程，而水巖相互作用對地下水化學(xué)成分存在重要影響［8］。本研究收集了潘集礦區(qū)礦井水質(zhì)數(shù)據(jù)，從地下水化學(xué)成分形成的角度，綜合運用水化學(xué)含量指標分析、Piper三線圖、離子組合比分析及相關(guān)性分析對潘集礦區(qū)石炭系太灰地下水進行水文地球化學(xué)類型分析。目的是揭示潘集礦區(qū)太灰地下水的水文地球化學(xué)形成作用及控制因素，充分了解地下水的水化學(xué)環(huán)境。其研究成果可為地下水資源保護和開采管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

潘集礦區(qū)位于安徽省淮南市潘集區(qū)和鳳臺縣，東北部邊緣位于蚌埠市懷遠縣。研究區(qū)位于淮南煤田復(fù)向斜軸部偏北，整體呈不對寬緩略不對稱形態(tài)。主要構(gòu)造為潘集—丁集背斜，其軸向為NWW，背斜西部隆起較高，東部隆起較低，呈現(xiàn)馬鞍形。背斜南翼傾角較緩，傾角為20°~7°；北翼傾角較陡，傾角一般為20°~30°。絕大部分地層被第四系覆蓋，地層沉積特征屬典型的華北地臺型，全區(qū)構(gòu)造中等至復(fù)雜，局部地區(qū)有巖漿巖侵入。

1.2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)主要煤層存在于二疊系山西組和上、下石盒子組，含可采煤層10～12層，煤層平均厚度為0.9～5.0 m，可采煤層總厚度為25.5～27.9 m，含煤地層平均總厚為864 m［9］。

按埋藏條件自上而下區(qū)分，研究區(qū)中主要含水層有新生界松散層孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層、奧陶系灰?guī)r裂隙巖溶含水層等組成。其中直接充水含水層為二疊系砂巖裂隙含水層（組），以靜儲存量為主分布非均勻的弱含水層。其余3個均為間接含水層，新生界松散層孔隙含水層一般覆蓋在基巖含水層之上，與二疊系煤系砂巖裂隙含水層和巖溶水之間有一定聯(lián)系；太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層中裂隙溶洞較為發(fā)育，第三、第四層灰?guī)r富水性較強。奧陶系灰?guī)r含水層以網(wǎng)狀裂隙為主，局部裂隙發(fā)育，具有水蝕現(xiàn)象，多為方解石充填，富水性不均一。區(qū)內(nèi)太灰含水層巖溶裂隙發(fā)育、富水性強，是影響采煤安全的主要灰?guī)r含水層，因此，選取石炭系太灰地下水為研究對象。

2 水化學(xué)特征

2.1 常規(guī)水化學(xué)特征研究

收集研究區(qū)太灰水化學(xué)數(shù)據(jù)240份，采樣測試4份。統(tǒng)計分析水樣TDS、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl?、SO42?、HCO3?、pH等8個指標含量的最大值、最小值、平均值及四分位數(shù)值，如表1所示。

太灰水中數(shù)值的箱式圖如圖1所示。從圖1可以看出，TDS的箱式圖最為離散，TDS的箱式圖具1個極端異常值和20個溫和異常值。K++Na+的數(shù)據(jù)有5個溫和異常值，無極端異常值；Mg2+、SO42?、HCO3?和Cl?的數(shù)據(jù)具溫和異常值，無極端異常值；Ca2+的數(shù)據(jù)無異常值。

2.2 水化學(xué)類型特征

太灰水Piper三線圖如圖2。由圖2可知，該含水層水中陰、陽離子含量均相對較為分散，水樣點在陰、陽離子三角形中較為分散。在菱形區(qū)域，水樣點分布也較為分散，由此可以知道太灰水水化學(xué)特征變化較大。圖2中，Na+在陽離子中為主體，其毫克當量百分數(shù)為45%~100%，陰離子中以Cl?為主［10］。水化學(xué)類型主要為Cl?HCO3?Na和Cl?Na型。

3 成因分析

3.1 離子比例系數(shù)

由于不確定礦區(qū)地下水化學(xué)成分的來源和形成過程，因此采用各組分之間含量的組合比系數(shù)的大小關(guān)系來判斷地下水物質(zhì)成分的來源及形成過程［11］。

3.1.1 γNa+/γCl?、γNa+/γ（Na++Cl?）、γCa2+/γNa+、γMg2+/γNa+。γNa+/γCl?系數(shù)是地下水的成因系數(shù)，其大小情況在一定程度上可以反映水巖作用中硅鋁酸鹽巖溶解與積累強度的情況［12］。由于Cl?化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很難與其他陰離子發(fā)生吸附、沉淀和交換反應(yīng)，而Na+的數(shù)值減小則可能是因為吸附、沉淀等化學(xué)反應(yīng)，因此該系數(shù)在一定程度上可以辨別Na+離子富集程度。當含巖鹽地層的溶濾在地下水起主導(dǎo)作用，γNa+/γCl?系數(shù)靠近1，在自然狀態(tài)下，地下水中的Na+和Cl?的主要來源是巖鹽，理論上巖鹽溶解常造成地下水中的Cl∶?Na+比為1∶1。水體在進行流動時，Cl?離子通常來源于細粒沉積物中的侵染狀鹽巖，巖土物質(zhì)由于水體流動時的動力影響出現(xiàn)巖鹽溶解以及風化溶解，促使Na+與K+進入地下水，并發(fā)生Ca2+、Mg2+與Na+等陽離子間的交換，從而使Na+含量大于Cl?含量。主要陽離子交換反應(yīng)方程式如式（1）、式（2）。

從圖3可以看出，大多數(shù)水樣的Na∶+Cl?在直線1∶1和直線2∶1之間，少部分水樣在直線2∶1之上，即［Na+］毫克當量濃度大于［Cl?］濃度。

結(jié)合γNa+/γ（Na++Cl?）系數(shù)可以更好地說明離子交換反應(yīng)發(fā)生的可能性，當比值大于0.5時，發(fā)生陽離子交替吸附作用。太灰水水樣γNa+/γ（Na++Cl?）系數(shù)平均值為0.62。含水層γNa+/γ（Na++Cl?）系數(shù)均大于0.5，表明陽離子交替吸附作用是研究區(qū)地下水中各含水層中Na+離子含量的來源之一。

γCa2+/γNa+和γMg2+/γNa+的比值反映了水質(zhì)的演化過程和地下水的礦化程度，并可用來判斷水化學(xué)作用中是否發(fā)生離子交替吸附作用。一般來說低礦化度水中Ca2+占優(yōu)勢，隨著TDS的增大，水中Mg2+的含量相應(yīng)升高，當TDS進一步加強，含水層中的Na+與水體中的Ca2+、Mg2+發(fā)生陽離子交替吸附作用，最終演化為Na+在水中處于優(yōu)勢地位。同時該系數(shù)常用來判斷水化學(xué)作用中發(fā)生離子交換反應(yīng)的方向，若其減小，則說明Ca2+、Mg2+進入固相，而Na+進入液相；若其增加，則說明Ca2+、Mg2+進入液相，而Na+進入固相。太灰水水樣γCa2+/γNa+系數(shù)平均值為0.10；γMg2+/γNa+系數(shù)平均值為0.09，比值都小于1，且數(shù)值較小，表明太灰水中存在Ca2+、Mg2+與巖土體中的Na+存在陽離子交替吸附作用，且由于γCa2+/γNa+大于γMg2+/γNa+，故Ca2+與Na+的陽離子交換作用占主要地位。

3.1.2 γCl?/γCa2+。γHCO3?/γCl?系數(shù)可作為反映陰離子演化過程及組分分配比變化的水文地球化學(xué)參數(shù)。γHCO3?/γCl?越小，地層水礦化度越大，濃縮程度越高。太灰水水樣γHCO3?/γCl?系數(shù)平均值為0.61，小于1，說明水質(zhì)總體向咸化的方向發(fā)展且濃縮程度較高。

3.1.3 γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3?、γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3?+SO42?）、γCa2+/γMg2+。在煤炭礦井的地下水循環(huán)系統(tǒng)中，巖溶動力系統(tǒng)的碳、水和鈣（鎂）等循環(huán)決定了基本的水文地球化學(xué)特征，也決定了碳酸鹽巖溶解沉淀過程中鈣鎂等離子的釋放［13］。根據(jù)這一理論，碳酸鹽巖的溶解產(chǎn)物應(yīng)該滿足式（3）。

從圖4可以看出，太灰水除部分水樣分布在1∶1線附近，還有較多的水樣分布在1∶1線之下，表明含水層中除碳酸鹽巖溶解外，硅酸鹽溶解也提供了相當一部分HCO3?。

地下水中碳酸鹽、硅酸巖和蒸發(fā)巖的溶解均可提供Ca2+和Mg2+。因此，Ca2+和Mg2+的來源可通過γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3?+SO42?）值來判斷。當γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3?+SO42?）小于1時，含水層中Ca2+和Mg2+的含量主要來自硅酸巖和蒸發(fā)巖的溶解，反之，來自碳酸鹽溶解。如圖5所示，水樣點主要分布在1∶1線右側(cè)，表明Ca2+和Mg2+主要來源于硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解。

3.2 水化學(xué)成因的因子分析

選取太灰水樣240個，計算得到的太灰水化學(xué)特征各指標間的相關(guān)系數(shù)見表2，因子累計方差貢獻率見表3，采用最大方差旋轉(zhuǎn)法得到因子荷載矩陣［14］，即表4。從表4可以分析，因子1和因子2的特征值均大于1，其中因子1的特征值達到了3.240；因子1、2的方差貢獻率都在30%以上，因子2的累計方差貢獻率達到了79.044%，前2個因子可以詮釋太灰水中的7個變量的大部分水化學(xué)信息，因此選取前2個因子作為代表太灰的主因子進行分析。

表2 新集太灰水各指標間的相關(guān)系數(shù)

由表3和表4可知，前三個因子的累計方差貢獻率分別為46.285%、79.044%、88.762%。因子1的方差貢獻率為46.285%，與HCO3?、Ca2+、TDS有很高的正相關(guān)關(guān)系，可以理解為硫酸鹽巖溶解作用的結(jié)果。因子2的方差貢獻率為32.795%，與HCO3?、Mg2+、Na+有正相關(guān)關(guān)系，顯示了溶濾作用對太灰水化學(xué)作用的影響［15］。

表3 太灰水化學(xué)成分因子特征值、貢獻率及累計的方差貢獻率

表4 運用最大方差旋轉(zhuǎn)法的太灰水化學(xué)成分旋轉(zhuǎn)荷載矩陣

4 結(jié)論

①潘集礦區(qū)太原組巖性主要為灰、深灰色灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r與深灰色砂質(zhì)泥巖、頁巖互層，夾薄層砂巖、泥巖及薄層煤。

②潘集礦區(qū)太灰水水質(zhì)類型主要為Cl?HCO3?Na和Cl?Na型，且水化學(xué)特征變化較大。太灰水中存在Ca2+、Mg2+與巖土體中的Na+存在陽離子交替吸附作用，且Ca2+與Na+的交換作用更占主要地位。因子分析結(jié)果表明：太灰水存在溶濾溶解作用，也顯示溶濾作用對太灰水水化學(xué)的影響。