峰峰礦區(qū)深層奧灰水水化學(xué)演化規(guī)律研究

郝春明，張 偉，孫 偉，何培雍

(1.華北科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r裂隙巖溶含水層(以下簡稱“奧灰水”)是一套碳酸鹽巖海相沉積地層，由角礫狀灰?guī)r、厚層花斑灰?guī)r、純灰?guī)r、薄層灰?guī)r和泥灰?guī)r等組成，局部富含石膏為主要特征的含水層組，因其水量大、水質(zhì)好，一直是中國北方最主要的飲用含水層組之一。峰峰礦區(qū)主要開采巖層為石炭系太原組和二疊系山西組煤層，受復(fù)雜的地質(zhì)條件影響，采煤過程中經(jīng)常受到奧灰水的制約影響[1]。一方面礦井開采下組煤層受到奧灰水的突水威脅，另一方面礦井開采下組煤層為防止突水安全生產(chǎn)，采取了疏水降壓的開采方式，致使奧灰水水位大幅度下降，奧灰水水質(zhì)逐漸惡化[2]。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

峰峰礦區(qū)位于華北板塊，早期變形表現(xiàn)為寬緩褶皺，后期強烈引張、裂陷，表現(xiàn)為太行山前斷裂帶，以正斷層為主。按其含水層巖性、含水介質(zhì)特征和埋藏條件劃分，礦區(qū)主要賦存寒武系鮞狀灰?guī)r裂隙巖溶含水層、奧陶系灰?guī)r裂隙巖溶含水層、石炭系太原統(tǒng)薄層灰?guī)r裂隙含水層組、二疊系山西組砂巖裂隙含水層和第四系洪積-坡積砂土孔隙含水層。

奧陶系灰?guī)r裂隙巖溶含水層是礦區(qū)主要的含水層，以西部山區(qū)和中部灰?guī)r裸露區(qū)降雨為補給，構(gòu)造斷陷盆地強徑流，石炭系中統(tǒng)太原組-二疊系下統(tǒng)山西組煤層阻隔以泉群排泄方式為主的水文地質(zhì)單元，含水層厚度為470～584 m，裂隙發(fā)育，以溶孔和溶隙為主，靜態(tài)水位標(biāo)高為125～130 m，現(xiàn)水位標(biāo)高為105～110 m。峰峰礦區(qū)奧灰水2017年樣品點位分布圖和典型水文地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 樣品點分布和典型水文地質(zhì)剖面Fig.1 Distribution of sample points and typical hydro-geological profiles

2 數(shù)據(jù)采集、測試與分析

表1 峰峰礦區(qū)不同時期奧灰水水化學(xué)離子統(tǒng)計表Table 1 Statistical hydro-chemical data of OL water in different periods of Fengfeng mining area

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時期的奧灰水水化學(xué)演變過程

圖2 水化學(xué)離子隨開采時間演化圖Fig.2 Evolution diagram of hydro-chemical ions with mining time

圖3 piper三線圖Fig.3 piper diagram

圖4 不同時期奧灰水TDS與水化學(xué)離子之間的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between TDS and hydro-chemical ions in different periods

3.2 不同時期奧灰水水-巖作用過程

圖5 不同時期的奧灰水中與關(guān)系圖 and in different periods

3.3 離子交換作用

圖6 不同時期奧灰水中和Na++K+-Cl-關(guān)系圖 and (Na++K+-Cl-) in different periods

3.4 奧灰水水化學(xué)成分主成分分析

由圖7可知，1980年奧灰水樣品主要分布在第三象限，離子交換、脫硫酸、硅酸鹽溶解和硫鐵礦氧化作用均較弱，所以礦化度較低，隨著煤礦開采時間的延長，奧灰水呈現(xiàn)出不同的水巖作用過程；1996年的奧灰水樣品分布位置與1980年毗鄰，表明該時期采動活動未對奧灰水水化學(xué)成分產(chǎn)生影響；從2007年開始，奧灰水樣品位置逐步上移，分布于第二象限，表明奧灰水主要受到了離子交換作用的影響；2012年和2017年奧灰水樣品主要分布在第一和第二象限，表明除了離子交換作用外，還受到了硅酸鹽溶解或硫鐵礦氧化的作用。

圖7 不同時期奧灰水水化學(xué)成分主成分圖Fig.7 Principal composition chart of hydrogen-chemical ions in different periods

在第一象限和第四象限中，奧灰水樣品率排序依次為2017年(80%)>2012年(30%)>2007年(16.7%)>1996年(0%)和1980年(0%)；在第一象限和第二象限中，奧灰水樣品率排序依次為2007年(83.3%)>2017年的(60%)≥2012年(60%)>1996年(40%)>1980年(22.22%)。表明隨著奧灰水水位的降低，硅鹽酸溶解和硫鐵礦氧化作用過程越來越顯著，而離子交換作用則有所降低。

4 結(jié) 論

2) 不同時期奧灰水中水巖作用存在明顯差異。1980—1996年期間，白云巖溶解和巖鹽溶解為奧灰水主要的水巖作用；2012—2017年期間，除巖鹽的溶解，白云巖和石膏礦物的溶解外，奧灰水中還存有其他的水巖作用過程。

3) 水化學(xué)主成分分析結(jié)果表明隨著煤礦開采時間的延長，水巖作用過程由最初的碳酸鹽反應(yīng)為主導(dǎo)演化成后期的硫酸鹽反應(yīng)為主導(dǎo)，并伴隨有強烈的離子交換作用。