矿井地表水与深部水形成机制及控制因素分析
时间：2022-12-06 15:40:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
侯俊华
(兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿，山东 郓城 272400)
突水一直是影响煤矿安全开采的重大问题[1-3]。矿井一旦发生突水，确定突水水源是快速解决矿井水害的关键[4-5]。而在水源识别的过程中，水化学方法是识别矿井突水水源的常用方法，其主要是依据不同含水层水化学特征离子的差异性来分辨的。因此，提前查明不同含水层的水化学特征对矿井水害防治是十分重要的[6-15]。为了更好地建立矿井突水水源识别模型，则需通过探讨地下水水岩相互作用机理来获得对其水化学成分的来源和控制因素的深刻理解。为此，以东滩煤矿地表水和深部的奥灰水、十下灰水水样为研究对象，利用水化学方法进行分析，并通过因子分析揭示其水岩作用机理，目的是获得地表水和矿井深部的奥灰水、十下灰水的水化学成分来源信息，探讨各充水含水层水化学场形成机制，分析其差异性。这一研究成果对分析东滩煤矿，甚至兖州矿区的主要充水水源，有效指导水害防治工作具有重要意义。
东滩煤矿井田为隐蔽式井田，上覆第四系厚度52.40～192.20 m，第四系中组厚度37.65～84.03 m，中组发育黏土4～5层，厚度23.6～75.5 m，黏土单层厚度较大，可塑性较强，因而本组隔水性能良好。矿井开采证实，中组能有效地阻隔第四系上组水对第四系下组及侏罗系砂岩水的入渗补给。3煤层顶板砂岩之上有二叠系石盒子组隔水层组，其厚度为0～199.88 m，平均77.75 m，隔水性能良好。因此，大气降水、白马河水、地面开采沉陷积水等地表水虽然与第四系上含水组有密切的关系，但由于第四系中组相对稳定黏土层的阻隔，地表水对第四系下组及基岩含水层无水力联系。
东滩煤矿1989—2018年间矿井涌水量和大气降水量之间的关系见图1。
图1 矿井涌水量与降水量历时对比曲线
由图1对比分析可发现，矿井涌水量与降水量基本不存在关联性。但关于深部地下水和地表水之间关联性问题至今仍不明确，为此，需从水化学角度来研究地表水与矿井深部地下水之间的关系。
主要分析奥灰水、十下灰水和地表水中的常规离子。共采集了28个水样，其中9个奥灰水样品，6个十下灰水样品，13个地表水样品。3种水样的Piper对比如图2所示。
(a)Piper菱形分区图
因子分析一般是一种从变量群中提取共性因子的方法，目的是通过简化数据来反映原来多变量的大部分信息，在矿井突水研究中可将其用于探究突水水源判别问题[16]。对奥灰水、十下灰水和地表水按特征值大于1，且提取因子的个数累计解释率超80%的原则，将奥灰水、十下灰水和地表水的常规离子水化学特征用2个因子表示(FA1和FA2)，其累计贡献率分别为93.375%、90.069%和84.358%，正交旋转后的因子荷载矩阵具体结果如表1所示。
表1 旋转因子荷载矩阵
4.1 综合分析
为了进一步探究3种水形成水化学作用差异性，对主要离子比值变化关系进行分析，结果如图3所示。
(a)钙镁离子分别与钾钠离子浓度比值变化特征
图3(c)显示奥灰水、十下灰水和地表水离子浓度c(K++Na+)/c(Cl-)大部分大于1，说明除存在蒸发盐溶解外，该矿区还存在硅酸盐的溶解。而地表水中c(K++Na+)/c(Cl-)存在部分小于1的情况，说明地表水中Na+吸附了地层中的Ca2+、Mg2+，使水体中的钠离子浓度下降。
当c(Ca2++Mg2+)/c(SO42-)比值大于1时，说明存在碳酸盐溶解[19]；
当该比值小于1时，说明存在黄铁矿的氧化还原作用。图3(d)显示奥灰水和地表水该比值明显大于1，说明奥灰水和地表水存在碳酸盐溶解。
上述分析与因子分析结果基本一致。
4.2 基于离子浓度比值探讨水化学环境
4.2.1c(Cl-)/c(Ca2+)
地下水中离子浓度c(Cl-)/c(Ca2+)比值大小是用来描述含水层的水动力特征参数，Cl-富集区域通常是水动力条件比较滞缓的，而Ca2+是低矿化度水中的主要离子，所以通常c(Cl-)/c(Ca2+)比值越大则表明该含水层的水动力条件越差，地下水补给和径流滞缓，水循环交替作用弱，溶滤作用不充分，岩层中沉积了易溶盐。13个地表水c(Cl-)/c(Ca2+)比值为0.39～1.37，均值为0.68；
6个十下灰水c(Cl-)/c(Ca2+)比值为4.51～21.23，均值为12.33；
9个奥灰水c(Cl-)/c(Ca2+)比值为0.04～0.16，均值为0.07。由此可见，十下灰水的c(Cl-)/c(Ca2+)比值均远大于地表水和奥灰水的比值，说明十下灰水的水动力条件较差，相对滞缓，流通性较差，以静储量为主，是可以疏放的。该层灰岩是下组煤主采16上煤层的直接顶板，杨村煤矿下组煤开采也验证了该含水层富水性弱，具有可疏放特性。
4.2.2c(Na+)/c(Cl-)
地下水变质程度一般可用c(Na+)/c(Cl-)比值来表征。地层封闭性、含水层水变质程度和活动性的重要指标可通过这个比值来表示。由于Cl-很少发生吸附、沉淀和交换反应，化学性质稳定，而Na+可能由于吸附、沉淀等反应而减少，因此在地下水埋藏沉积后，c(Na+)/c(Cl-)比值一般都是趋于降低的，从而反映地下水的变质程度。c(Na+)/c(Cl-)比值越大，反映含水层中的水受渗入水的影响越强，反之则反映受渗入水影响越弱[20]。
一般海水中c(Na+)/c(Cl-)的均值为0.85，因为海水以Na+为主，侵入陆相沉积物时，Na+吸附地层中的Ca2+，发生阳离子交替吸附作用，水体中的Na+浓度下降(c(Na+)/c(Cl-)<0.85)；
当c(Na+)/c(Cl-)接近于1时，表明含岩盐地层的溶滤作用在地下水起主导，自然条件下地下水中的Na+和Cl-的主要来源是岩盐，理论上岩盐的溶解会释放出等量的Na+和Cl-进入溶液中。当c(Na+)/c(Cl-)比值大于1时，Cl-通常来源于细粒沉积物中的具有侵染状岩盐，而地下水中的Na+可能来源于除岩盐溶解外其他不同的溶解作用。Ca2+、Mg2+和Na+等之间的阳离子交换后可以解释含水层中Na+的高浓度原因。
13个地表水c(Na+)/c(Cl-)比值为0.59～1.69，均值为1.12；
6个十下灰水c(Na+)/c(Cl-)比值为3.08～10.99，均值为5.92；
9个奥灰水c(Na+)/c(Cl-)比值为2.64～8.73，均值为4.44。由此可见，3种水c(Na+)/c(Cl-)比值的均值都大于1，说明东滩煤矿所在区域地表水和地下水中存在少量钠盐溶解，且对岩盐溶解不是控制Na+浓度的唯一来源，还可能存在其他机制增加地下水中的Na+浓度，如Ca2+、Mg2+和Na+之间的阳离子交换作用、自然界中硅酸盐由水解和酸化作用而导致的风化溶解、芒硝溶解等水岩作用或人类活动所致。
4.2.3c(Na+)/c(Na++Cl-)
分析阳离子交换反应发生的可能性可结合c(Na+)/c(Na++Cl-)比值进行判断，当比值大于0.5时，一般会发生交换作用。13个地表水c(Na+)/c(Na++Cl-)-比值为0.37～0.63，均值为0.52；
6个十下灰水c(Na+)/c(Na++Cl-)比值为0.75～0.92，均值为0.84；
9个奥灰水c(Na+)/c(Na++Cl-)比值为0.73～0.90，均值为0.79。由此可见，3种水c(Na+)/c(Na++Cl-)比值的均值都大于0.5，说明均发生了阳离子交替吸附作用，使c(Na+)增加。
4.2.4c(Ca2+)/c(Mg2+)
c(Ca2+)/c(Mg2+)比值大小可判断碳酸盐岩中方解石和白云石溶解特征，如果比值接近1，则表示白云岩是主要溶解的碳酸盐矿物，如果比值增高，可能存在方解石的溶解，若比值大于2，则表示硅酸盐矿物的溶解控制了主要过程。13个地表水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值为1.12～5.65，均值为3.62；
6个十下灰水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值为0.42～1.97，均值为1.30；
9个奥灰水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值为1.74～2.38，均值为2.08。由此可见，地表水和奥灰水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值的均值均大于2，表明这2个含水层作用过程主要为白云石、方解石的共同溶解外，还存在硅酸盐矿物的溶解。十下灰水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值的均值分布于1∶1线上或其附近，表明该含水层作用过程主要为以白云岩为主的碳酸盐矿物的溶解。
1)通过Piper三线图获得了东滩煤矿奥灰水主要水化学类型为Ca+Mg-SO4型，十下灰水主要水化学类型为Na-HCO3，地表水主要水化学类型为Ca+Mg-Cl+SO4，这3种水样的水化学类型存在较大差异性，应用水化学类型方法可很好地识别这3种水源。
2)通过因子分析探究了研究区含水层水化学场来源，发现奥灰水存在碳酸盐、硫酸盐溶解和硅酸盐风化；
十下灰水存在蒸发盐溶解、硅酸盐风化和脱硫酸作用；
地表水存在硫酸盐溶解、碳酸盐溶解和硅酸盐风化。
3)蒸发盐溶解和硅酸盐风化是影响十下灰水的主控因素，其中蒸发盐溶解占主导地位。而硅酸盐风化和碳酸盐溶解是影响奥灰水和地表水的主控因素，其中地表水的硅酸盐风化较奥灰水和十下灰水更强。
4)基于离子浓度比值详细探讨了3种水样的水环境变化过程及机理，通过对比分析不同离子浓度比值的变化范围和均值，发现十下灰水相对滞缓，以静储量为主，水动力条件较差，是可以疏放的。3种水样均存在一定程度的阳离子交替吸附作用和硅酸盐矿物的溶解作用，但成因具有明显差异性。
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