煤層下部太原組巖溶水化學(xué)組分特征及其成因分析

楊婷婷，許光泉，余世滔，蘇 悅，鄭竹艷,黎志豪

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

煤炭資源是我國能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的一部分，占一次性能源的70%左右[1]，資源的需求使得礦井開采不斷向深部延展，煤田深部開采屬于高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和開采擾動(dòng)的“三高一擾動(dòng)”環(huán)境[2]，深部的A組煤開采面臨下部巖溶水害的影響。近10年來，我國發(fā)生的特大型巖溶水突水事故52起，直接損失32億元，底板巖溶突水問題成為煤礦安全開采的重大隱患。在此情況下，前人從不同角度對(duì)巖溶水害進(jìn)行了研究[3-7]，其中水化學(xué)方法是目前應(yīng)用最多也是最有效的一種方法。

淮南礦區(qū)A組煤儲(chǔ)量豐富，煤質(zhì)較好，目前已有潘二、潘北，張集等礦實(shí)施開采，但由于淮南礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，底板突水事故頻發(fā)，給A組煤的開采帶來較大影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)近年來先后在淮南礦區(qū)5個(gè)礦發(fā)生過19次灰?guī)r突水事故[8]。前人利用水化學(xué)方法對(duì)淮南礦區(qū)巖溶水進(jìn)行研究，研究的方向主要是將巖溶水化學(xué)特征與水源判別、水流滲透途徑、水動(dòng)力特征聯(lián)系起來，用于提出巖溶水害防治措施[9-13]，但解釋巖溶水化學(xué)特征成因方面的資料較少。為此，本文以顧北礦井2008年開采至今的40個(gè)巖溶水樣數(shù)據(jù)為例，綜合運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)(主成分分析)與水化學(xué)(piper三線圖、離子比例系數(shù))方法，分析顧北礦A組煤層下部巖溶水化學(xué)特征，探討不同水質(zhì)及其影響因素，研究結(jié)果可為礦區(qū)A組煤層下部巖溶水害防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

顧北井田位于陳橋背斜東翼與潘集背斜西部的銜接帶，地層總體為南北走向、向東傾斜的單斜結(jié)構(gòu)，傾角5°～15°，分布不均的次級(jí)寬緩褶曲和斷層。根據(jù)次級(jí)褶曲和斷層的發(fā)育特征，可劃分為3個(gè)區(qū)：北部簡單單斜區(qū)、中南部“X”共軛剪切區(qū)、南部單斜構(gòu)造區(qū)。F86斷層為礦井北部邊界斷層，走向北東東，傾向南東，傾角30°～55°，落差0～76 m，走向長度在礦井內(nèi)1.8 km，向東延入顧橋煤礦。F211斷層為礦井南部邊界斷層，走向北西，傾向南西，傾角50°～70°，落差8～63 m，走向長度在礦井內(nèi)6 km。其中F104斷層將礦區(qū)分為南北兩個(gè)部分。

顧北井田具有淮南典型的沉積地層，分別為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系以及第四系松散層。二疊系上統(tǒng)以細(xì)至粗砂巖為主，含煤層；二疊系下統(tǒng)以粗砂巖與泥巖為主，含煤層；石炭系太原組以灰?guī)r為主，夾泥巖、砂巖和鹽巖，含薄煤層；石炭系本溪組主要以淺灰綠色鋁鐵質(zhì)泥巖及泥巖為主，含較多黃鐵礦；奧陶系中以厚層白云巖，白云質(zhì)灰?guī)r為主，夾灰?guī)r與鹽巖；寒武系巖性主要為灰?guī)r、白云巖與頁巖。主要開采煤層為13-1、11-2、8、6-2、1(A組)煤。依據(jù)地質(zhì)條件、巖性、埋藏條件以及含水空間，其中對(duì)A組煤開采有影響的巖溶充水含水層有：太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙承壓含水層以及寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙承壓含水層。由于太原組灰?guī)r直接與A組煤層下部接觸，所以對(duì)采掘工程影響較大的為底部太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層(圖1)。

顧北煤礦在2008年8月正式投產(chǎn)以來，積累了大量的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，且于2013年在勘探范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)疑似陷落柱，因此研究巖溶水化學(xué)組分及其成因?qū)τ趲r溶水的防治具有實(shí)用價(jià)值。

2 取樣與分析

3 巖溶水水化學(xué)特征

3.1 不同組分統(tǒng)計(jì)特征

3.2 不同組分在垂向深度上變化特征

研究區(qū)巖溶水的TDS含量值為950 ～3 871.5 mg/L，TDS含量隨深度的變化見圖3(a)。隨

目前電解鋁行業(yè)有應(yīng)用實(shí)例的是石灰石-石膏濕法脫硫工藝。該工藝以石灰石漿液作為吸收劑，在吸收塔內(nèi)對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，以去除煙氣中的 SO2，反應(yīng)產(chǎn)生的亞硫酸鈣通過強(qiáng)制氧化生成硫酸鈣(石膏)。該工藝主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、脫硫劑相對(duì)容易獲取；缺點(diǎn)是初始投資大、占地面積大、耗水量大、副產(chǎn)物產(chǎn)量大且需要外運(yùn)處置。

著深度的增加，TDS呈現(xiàn)線性上升，離子含量多集中于2 000～3 000 mg/L，TDS含量(y)隨深度(x)變化的擬合公式為：

y=-5.28x+1 054.29 (1)

式(1)表明TDS含量在垂向上隨著深度不斷增加，水質(zhì)進(jìn)一步發(fā)生變化。隨著開采深度的增加，Cl-含量呈線性增長趨勢(shì)(圖3b)，離子含量多集中于500～1 250 mg/L，擬合公式為：

y=-1.88x-308.89 (2)

圖1 研究區(qū)基巖地質(zhì)圖與采樣點(diǎn)分布Fig.1 Study geological maps of bedrock and sampling points

/(mg·L-1)

表2 顧北礦巖溶水水化學(xué)分析結(jié)果Table 2 Result of the hydrochemical analysis of karst water in Gu Bei mine

圖2 顧北礦巖溶水piper圖Fig.2 Piper diagram of karst water in Gu Bei mine

圖3 離子含量與深度的變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship between ion content and depth

4 成因作用與控制因素分析

4.1 成因作用

4.1.1溶濾作用

4.1.2脫硫酸作用

圖4 顧北礦區(qū)巖溶水主要離子比值圖Fig.4 Main ion ratio map of karst water in Gu Bei mine

4.1.3離子交換作用

圖5 顧北礦巖溶水分析變量投影荷載分布圖Fig.5 Loading distribution of analysis variables in the karst water from the Gu Bei mine

F1=0.58x1-0.06x2-0.16x3+0.39x4-0.41x5+0.48x6+0.30x7

F2=0.02x1+0.49x2-0.62x3-0.16x4+0.11x5-0.27x6+0.52x7

圖6 顧北礦主成分荷載投影圖Fig.6 Diagram of the principal component loading scores from the Gu Bei mine

4.2 控制因素分析

研究區(qū)巖溶水的水流方向?yàn)樽晕飨驏|，其中中部采樣地區(qū)為礦井南一采區(qū)開采時(shí)放水試驗(yàn)巷道，為排泄點(diǎn)，同一層位其他方向巖溶水向其進(jìn)行補(bǔ)給。依據(jù)斷層F104與SF28將研究區(qū)分為南北兩個(gè)構(gòu)造單元，兩個(gè)區(qū)塊經(jīng)過前期井下放水試驗(yàn)驗(yàn)證均為中等—弱富水性，其中F104斷層以北區(qū)塊部分為中等富水性，且?guī)r溶地下水徑流速度緩慢 ，圍巖發(fā)生水-巖作用的時(shí)間長，溶解性總固體高，兩個(gè)區(qū)塊上方均覆蓋有較厚的下部隔水層，與上方無直接水力聯(lián)系，巖溶水主要在各自的含水層中做順層運(yùn)動(dòng)。

如圖7(a)所示，在F104斷層以北，巖溶水水化學(xué)類型由Cl·SO4—Na+K，HCO3·SO4—Na+K型轉(zhuǎn)化為Cl—Na+K型，F(xiàn)104斷層以南，巖溶水水化學(xué)類型由SO4—Na+K型轉(zhuǎn)化為Cl·HCO3—Na+K型。由此可以得知F104斷層的阻水性對(duì)水化學(xué)組分與類型有重要的控制作用。

式中：T——地溫；

x——沿水流方向的增溫率(2.8～3.4)；

H——深度(H取深度絕對(duì)值)。

圖7 顧北礦巖溶地下水徑流模式Fig.7 Runoff model of karst groundwater from Gu Bei mine

顧北煤礦位于淮南煤田中部水文地質(zhì)單元，且屬于顧北-張集-謝橋次一級(jí)水文地質(zhì)單元[16]。在這次一級(jí)單元中，該礦位于F211和F86之間，石炭系太原組含水層通過該斷層與相鄰礦井之間發(fā)生一定水力聯(lián)系，且其上部為煤系弱含水層，而下部與奧陶系灰?guī)r之間通過斷層或陷落柱發(fā)生水力聯(lián)系。因此，研究區(qū)為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立裂隙含水系統(tǒng)，但受F104斷層影響，又分為南北兩個(gè)獨(dú)立亞構(gòu)造單元，平面上形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立含水系統(tǒng)，由于受A組煤層采動(dòng)和井下放水試驗(yàn)的影響，太原組含水層形成局部地下水流系統(tǒng)，而相對(duì)較深的下部奧陶系含水層為中間含水層系統(tǒng)[17]，它通過構(gòu)造與上部太原組含水層發(fā)生水力聯(lián)系。這種不同深度含水層系統(tǒng)決定了地下水徑流深度、水動(dòng)力條件和氧化與環(huán)境、地下水溫度變化以及單斜徑流方向上水-巖作用程度。因此，地下含水系統(tǒng)從宏觀上控制著研究區(qū)巖溶水水文地球水化學(xué)組分在空間上的分布特征。

5 結(jié)論

(2)根據(jù)離子比值關(guān)系可知含水層離子主要來源鹽巖溶解，伴隨有碳酸鹽巖的溶解，黃鐵礦的氧化；根據(jù)主成分分析可知，巖溶水主要發(fā)生陽離子交換作用與脫硫酸作用，并伴隨有“咸化”與“硬化”特征。

(3)依據(jù)A組煤底板巖溶水水質(zhì)在礦井的分布情況可知，顧北礦井A組煤底板巖溶水化學(xué)特征主要受到構(gòu)造分區(qū)、埋藏深度、不同水環(huán)境(氧化-還原)變化以及徑流路徑上的水-巖相互作用等因素的影響，使得水質(zhì)更加多元化。