華北隱伏型煤礦主要充水含水層水化學(xué)組分來源及演化機(jī)制分析

蔣孝峰,劉少羽,吳宇罡

(華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050000)

華北型煤礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造及水文地質(zhì)條件復(fù)雜多樣,整個(gè)地下水系統(tǒng)是由不同程度水力聯(lián)系的若干充水含水層組成[1]。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造的變化、不同含水層水位的變化及采動(dòng)過程中的生產(chǎn)、生活等都會(huì)導(dǎo)致水化學(xué)場(chǎng)要素發(fā)生改變,從而導(dǎo)致水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜,礦井突水事件頻繁發(fā)生。諸如:平禹一礦“10.19”寒灰特大突水[2]以及德勝煤礦8號(hào)煤層1841工作面特大突水[3]等事件造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重威脅了華北型煤礦的生產(chǎn)安全。為了“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)”突水,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作,為了更快更準(zhǔn)確的捕捉突水預(yù)兆期內(nèi)的水化學(xué)信息,從水質(zhì)類型對(duì)比、非線性分析方法[4]及多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[5]逐漸深入到建立突水水源判別模型[6]等方法來評(píng)價(jià)礦井突水的可能性。以上類似的成果未能夠?qū)^(qū)域地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件充分的考慮進(jìn)去,僅僅將各個(gè)主要突水含水層看作孤立含水層的簡(jiǎn)單組合,很少去探討煤層采動(dòng)影響下地下水化學(xué)組分的水-巖作用及形成機(jī)理。此外平頂山地區(qū)奧陶系地層的缺失,以寒武系灰?guī)r巖溶裂隙水作為主要充水水源。因此,研究該區(qū)域主要充水含水層水化學(xué)特征及水-巖相互作用的形成機(jī)理對(duì)礦井突水的研究具有重大的意義。

本文以河南平頂山礦區(qū)為例,在利用多元統(tǒng)計(jì)法對(duì)研究區(qū)主要充水含水層地下水樣分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合Piper三線圖、Gibbs圖、離子組合比分析以及主成分分析,分析和討論了平頂山礦區(qū)主要充水含水層的水化學(xué)特征、水化學(xué)組分的主要來源及演化機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

平頂山礦區(qū)區(qū)內(nèi)地層與我國(guó)華北多數(shù)煤田基本一致,除缺失奧陶、志留、泥盆系及中生界外,其余均有沉積。區(qū)內(nèi)現(xiàn)有礦井由東向西為平煤神馬集團(tuán)所屬的八礦、十二礦、十礦、一礦、二礦、三礦、五礦、四礦、六礦、七礦、九礦、十一礦及香山礦,在礦區(qū)北部還有十三礦和首山一礦,是我國(guó)主要煤炭生產(chǎn)基地之一。礦區(qū)內(nèi)主要充水含水層從下到上包括:寒武系灰?guī)r巖溶裂隙含水層(簡(jiǎn)稱“寒灰”)在研究區(qū)巖溶裂隙較發(fā)育,富水性中等,不均勻性強(qiáng);石炭系太原組底部(L7-L11)灰?guī)r巖溶裂隙含水層(簡(jiǎn)稱“七灰”)位于太原組底部,在開采庚組煤層過程中,太原組底部七灰水同寒武系灰?guī)r水溝通,其涌水量較大;石炭系太原組上部(L1-L4)灰?guī)r巖溶裂隙含水層(簡(jiǎn)稱“二灰”)位于太原組上部,淺部巖溶裂隙較發(fā)育,富水性好,深部巖溶裂隙發(fā)育程度與富水性減弱,層位穩(wěn)定,是己組煤底板直接充水含水層;二疊系煤層頂板砂巖裂隙含水層(簡(jiǎn)稱“砂巖”)節(jié)理裂隙發(fā)育,含水性弱～中等富水含水層,屬煤層開采時(shí)直接充水含水層,對(duì)煤層開采的影響最大。

2 水化學(xué)特組分及演化分析

為了確定平頂山礦區(qū)主要充水含水層(寒灰、七灰、二灰和砂巖)的水化學(xué)組分的來源及演化機(jī)理,收集并整理了1970-2018年間平頂山神馬集團(tuán)地測(cè)處、河南理工大學(xué)、西安煤科院及平頂山各礦井在勘探及生產(chǎn)過程中化驗(yàn)的水質(zhì)資料,經(jīng)過篩選及計(jì)算,1970-2018年有285個(gè)水質(zhì)指標(biāo)陰陽離子平衡誤差在±5%以內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)。其中砂巖水樣53個(gè),二灰水樣64個(gè),七灰水樣22個(gè),寒灰水樣146個(gè)。1970-2018年間水樣點(diǎn)分布圖如圖1所示。

圖1 平頂山礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)、地下水流向及采樣點(diǎn)分布

2.1 主要離子分布特征及水化學(xué)類型

采用基本統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)平頂山礦區(qū)1970-2018年間285個(gè)水樣數(shù)據(jù)常規(guī)離子進(jìn)行分析(表1)。Piper三線圖能夠直觀反映不同含水層主要常規(guī)離子分布特征和相對(duì)豐度[7],由此繪制Piper三線圖(5-b):

表1 平頂山礦區(qū)1970-2018年地下水樣水化學(xué)指標(biāo)分析

平頂山礦區(qū)4個(gè)主要充水含水層pH值均大于7,總體呈現(xiàn)為堿性;TDS的均值分別為626.39,527.08,538.50,513.57 mg/L,變異系數(shù)均小于0.5,礦化度整體偏差不大。平頂山礦區(qū)砂巖、二灰、七灰中陽離子均以Na+為主,而寒灰以Ca2+為主;陰離子均以HCO3-為主,其中砂巖水更為富集。平頂山礦區(qū)4個(gè)主要充水含水層陰離子質(zhì)量濃度關(guān)系均為HCO3->SO42->Cl-,砂巖、二灰、七灰陽離子質(zhì)量濃度關(guān)系為Na+>Ca2+>Mg2+,寒灰陽離子質(zhì)量濃度關(guān)系為Ca2+>Na+>Mg2+。變異系數(shù)又稱“標(biāo)準(zhǔn)差率”,是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的另一個(gè)統(tǒng)計(jì)量[8]。常規(guī)離子變異系數(shù)大于0.5的,砂巖有Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-,二灰有Na+、Mg2+、Cl-、SO42-,七灰有Na+,寒灰有Na+、Mg2+、Cl-、SO42-。常規(guī)離子的變異系數(shù)越大,在水化學(xué)組成成分中表現(xiàn)越不穩(wěn)定,越能體現(xiàn)不同含水層水化學(xué)成分形成作用。平頂山礦區(qū)主要充水含水層中寒灰主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,還有少部分HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型,七灰主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg,還有少部分HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型;二灰主要水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca型,還有少部分HCO3-Na、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Na、HCO3·SO4-Na·Mg型;砂巖主要水化學(xué)類型為HCO3-Na型,還有少部分HCO3·Cl-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Ca·Na·Mg型。

2.2 水化學(xué)成分控制作用

Gibbs圖能夠清晰地展現(xiàn)自然界水體的水化學(xué)組成及其變化規(guī)律[9],主要是利用地下水不同水體中TDS與Na+/(Na++Ca2+)及Cl-/(Cl-+HCO3-)的比值關(guān)系,判斷研究區(qū)內(nèi)主要離子的來源受巖石風(fēng)化作用、大氣降水作用及蒸發(fā)-濃縮作用中哪一種或哪幾種作用控制。水樣數(shù)據(jù)中TDS含量基本上都大于100 mg/L,說明礦區(qū)主要充水含水層中水化學(xué)成分受大氣降水影響微弱。陽離子Gibbs圖中(圖2-a)寒灰、七灰、二灰分布位置少部分位于Na+/(Na++Ca2+)上部,大部分比值低于0.5,表明這三個(gè)含水層中的水化學(xué)離子組成主要受巖石風(fēng)化溶濾的影響;砂巖水樣分布位置與其他3個(gè)含水層水樣位置恰好相反,主要受到蒸發(fā)-濃縮作用影響較大。然而,陰離子Gibbs圖(圖2-b)中4個(gè)主要充水含水層的水化學(xué)離子組成主要受巖石風(fēng)化溶濾作用影響。在地下水中Cl-有兩點(diǎn)特性,一是不被土壤顆粒表面吸附,二是很少與礦物中的其他離子發(fā)生反應(yīng),是作為地下水離子來源的參考依據(jù)。因此以TDS與Cl-/(Cl-+HCO3-)陰離子Gibbs圖(圖2-b)中所反映信息作為主要參考依據(jù)。陰離子Gibbs圖顯示,除二灰有2個(gè)水樣點(diǎn)分布位置大于0.5,其他所有水樣點(diǎn)分布位置均小于0.5。因此,研究區(qū)主要充水含水層水化學(xué)主要離子的來源主要受巖石風(fēng)化溶濾作用。

(a) (b)

2.3 離子組和比分析

地下主要充水含水層的水化學(xué)組分及形成作用,可以通過陰陽離子間的比值關(guān)系進(jìn)行探究[10]。地下水中Cl-含量相比其他離子來說較為穩(wěn)定,α(Na+)/α(Cl-)的比值通常用來揭示Na+的來源。圖3-a能夠看出平頂山礦區(qū)寒灰、二灰和部分七灰的水樣點(diǎn)主要分布在α(Na+)/α(Cl-)=1比例線附近,說明巖鹽溶解是這些充水含水層Na+的主要來源;另一部分寒灰、七灰α(Na+)/α(Cl-)>1,是由于寒灰頂部及七灰底部可能存在一層鋁土質(zhì)泥巖,粘土含量高,水流動(dòng)的速率慢,陽離子的交替吸附作用增強(qiáng),有利于Na+的充分交換和聚集。而且水化學(xué)α(Na+-Cl-)/(α(Ca2++Mg2+)-α(SO42-+HCO3-))比值關(guān)系可以反映陽離子交替吸附作用強(qiáng)度。由圖3-b可以看出主要充水含水層的水樣點(diǎn)均分布在斜率為-1的直線附近,故陽離子交替吸附作用導(dǎo)致Na+升高,Ca2+、Mg2+減少,方程式(2)、(3)如下:

圖3 平頂山礦區(qū)地下水主要離子相關(guān)關(guān)系圖

(2)

(3)

2NaAlSi3O8+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

(4)

一般來說,地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-的來源與碳酸鹽巖(方解石、白云石)、硫酸鹽巖(石膏)的溶解相關(guān),溶解方程式如下:

CaCO3+H2CO3→Ca2++2HCO3-

(5)

CaMg(CO3)2+2H2CO3→Ca2++Mg2++4HCO3-

(6)

CaSO4·2H2O→Ca2++SO42-+2H2O

(7)

2.4 主成分分析

利用SPSS軟件中相應(yīng)的主成分分析原理,將平頂山礦區(qū)主要充水含水層285個(gè)水樣數(shù)據(jù)中具有相關(guān)性的分析變量Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、及TDS重新組合成新的少數(shù)幾種相互無關(guān)的綜合變量稱為主成分我們將其定義(F1,F2,…,Fn),此外主成分載荷值是主成分分析中原始變量與主成分之間的相關(guān)系數(shù),而荷載值與相應(yīng)分析變量乘積的累加值可以得到每個(gè)充水含水層水樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主成分荷載得分將其定義為(SF1,SF2,…,SFn)。通過主成分荷載值及荷載得分值[11],能夠解釋主要充水含水層中主要離子成分的水-巖相互作用及其演化機(jī)制。

對(duì)平頂山礦區(qū)主要充水含水層的285個(gè)水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,從表2中能夠看出主成分F1的方差貢獻(xiàn)率為48.058%,主成分F2的貢獻(xiàn)率為28.145%,二者累計(jì)貢獻(xiàn)率為76.203%,基本上涵蓋了整個(gè)礦區(qū)主要充水含水層的地下水化學(xué)信息[12]。圖4是利用方差最大旋轉(zhuǎn)法得到的各分析變量在主成分F1為橫坐標(biāo)、主成分F2為眾坐標(biāo)的荷載分布圖。由圖4看出在主成分F1上HCO3-、Na+、Cl-和TDS具有較高的正荷載值,Na+的高荷載值主要是由于硅酸鹽礦物的風(fēng)化作用及陽離子的交替吸附作用所導(dǎo)致;HCO3-荷載值高是因?yàn)楣杷猁}礦物的溶解及在封閉環(huán)境中氧氣耗盡SO42-在脫氧菌的作用下發(fā)生還原作用;Na+和Cl-的荷載值高(即主要充水含水層中高Na+、Cl-),通常情況下高礦化度地下水以Na+、Cl-為主。在主成分F2上Ca2+、Mg2+和SO42-具有較高的正荷載值,根據(jù)已經(jīng)收集的平頂山礦區(qū)資料顯示,各個(gè)充水含水層與礦區(qū)煤層都有著直接或間接的關(guān)系,煤層的采動(dòng)生產(chǎn)活動(dòng)或多或少的影響著地下水的運(yùn)移及地下水化學(xué)的形成。

表2 應(yīng)用方差最大旋轉(zhuǎn)法得主成分的荷載值、特征值及貢獻(xiàn)率

圖4 平頂山礦區(qū)地下水各變量在F1和F2上的荷載分布

由于煤層中含有一定成分的硫,這種硫經(jīng)常以硫化物和有機(jī)硫的形式存在,因此煤礦區(qū)的地下水常常因硫的氧化而具弱酸性,氧化生成的酸性水,和各個(gè)充水含水層周圍含鈣的巖石(碳酸鹽巖、硫酸鹽巖等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),經(jīng)過一系列連續(xù)地反應(yīng),地下水中HCO3-含量逐漸增加,pH值也隨之增大,將弱酸性水變?yōu)槿鯄A性水,使得碳酸鹽巖及硫酸鹽巖加速溶解,從而導(dǎo)致Ca2+、Mg2+及SO42-的正荷載值較高,故主成分F2軸可用于解釋黃鐵礦的氧化作用和碳酸鹽巖、硫酸鹽巖的溶解作用。相關(guān)的反應(yīng)化學(xué)方程式如下:

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4

(8)

4FeSO4+2H2SO4+O2→2Fe(SO4)3+2H2O

(9)

Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3↓+3H2SO4

(10)

H2SO4+CaCO3→CaSO4+CO2+H2O

(11)

CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2

(12)

將平頂山礦區(qū)285個(gè)水樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的主成分F1-主成分F2荷載得分結(jié)果SF1-SF2繪制成散點(diǎn)圖5-a,結(jié)合水化學(xué)類型Piper三線圖5-b可知:

(a) (b)

(1)由圖5-a可以看出寒灰水樣點(diǎn)主要位于主成分荷載得分SF2坐標(biāo)軸零線附近及上方,說明寒灰受到黃鐵礦氧化作用微弱,但受碳酸鹽巖、硫酸鹽巖的溶解作用,并伴隨著一定程度著脫氧酸作用及陽離子的交替吸附作用。對(duì)比2010前與2010-2018年水樣點(diǎn)數(shù)據(jù),能夠看出寒灰受采礦活動(dòng)的影響較大,水樣點(diǎn)的位置明顯向右上移動(dòng),說明地下水徑流條件的變化導(dǎo)致碳酸鹽巖(白云石)、硫酸鹽巖的風(fēng)化溶解作用增強(qiáng)。根據(jù)Piper三線圖(圖5-b)分析結(jié)果,2010前寒灰以HCO3-、Ca2+、Mg2+為主,而2010-2018寒灰以HCO3-、Na+、Ca2+、SO42-為主,2010前鹽巖溶解為寒灰水中Na+的主要來源,2010-2018由于陽離子的負(fù)交替吸附作用導(dǎo)致Na+增多,Ca2+、Mg2+減少,而寒灰中HCO3-、Ca2+、Mg2+、SO42-主要來自碳酸鹽巖(白云巖)與硫酸鹽巖的溶解作用,此外SO42-的增多,可能是因?yàn)楹笃诓傻V擾動(dòng)的影響下部分黃鐵礦發(fā)生氧化作用或石膏溶解的增強(qiáng)。

(2)圖5-a中砂巖主要位于主成分荷載得分SF1軸線下方,說明主要受硅酸鹽巖的風(fēng)化作用影響;少部分砂巖的水樣點(diǎn)位于主成分荷載得分SF2軸零線附近,說明碳酸鹽巖與石膏的溶解作用對(duì)砂巖水化學(xué)形成組分影響微弱。對(duì)比2010年前與2010-2018年間的的水樣點(diǎn)分布,砂巖沿著SF2軸向上移動(dòng),說明后期砂巖受采礦擾動(dòng),地下水徑流條件的變化,導(dǎo)致硅酸鹽巖風(fēng)化溶蝕作用增強(qiáng),水化學(xué)成分發(fā)生改變。由圖5-b可以看出2010年前主要以HCO3-、Na+為主,Ca2+、Mg2+相對(duì)較少;然而2010-2018年間主要以HCO3-、Na+、Ca2+、SO42-為主,進(jìn)一步驗(yàn)證了水樣點(diǎn)分布位置改變的合理性。

(3)圖5-a中七灰主要位于主成分荷載得分SF1軸線上方,而且大部分位于右側(cè),說明七灰主要受黃鐵礦氧化作用與碳酸鹽巖(方解石)溶解作用的影響。對(duì)比2010年與2010-2018年間的的水樣點(diǎn)分布,七灰沿著SF2略向右上移動(dòng),說明采礦擾動(dòng)下,地下水徑流條件的變化,黃鐵礦氧化作用增強(qiáng),碳酸鹽巖風(fēng)化溶蝕增強(qiáng)。由圖5-b可以看出2010年前和2010-2018年七灰水化學(xué)主要以HCO3-、Ca2+、SO42-為主,離子組分變化不大。

(4)圖5-a中二灰部分分布在砂巖水的聚集區(qū),主要是由于兩個(gè)充水含水層距離較近,采礦影響下砂巖混合的結(jié)果,而另一部分二灰分布點(diǎn)位置與七灰位置類似,這與灰?guī)r成分的相似性相關(guān)。對(duì)比兩個(gè)時(shí)間段的分布,二灰分布位置向上移動(dòng),說明采礦擾動(dòng)下,地下水徑流條件的變化,存在著黃鐵礦氧化作用導(dǎo)致碳酸鹽巖的加速溶解。由圖5-b可以看出2010前主要以HCO3-、Ca2+、Na+為主,然而2010-2018改變?yōu)橹饕訦CO3-、Ca2+、SO42-,同樣證明黃鐵礦的氧化作用對(duì)離子組分有較大的影響。

3 結(jié)語

(1)平頂山礦區(qū)主要充水含水層pH值均大于7,總體呈弱堿性。寒灰主要水化學(xué)類型HCO3-Ca·Mg和HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型,其中Na+、Mg2+、Cl-、SO42-變異系數(shù)大;七灰水主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca及HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,其中Na+的變異系數(shù)大;砂巖水的主要水化學(xué)類型為HCO3-Na型,其中Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-變異系數(shù)大;二灰水主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca及HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,也有部分HCO3-Na型,其中Na+、Mg2+、Cl-、SO42-變異系數(shù)大。水化學(xué)的離子組分變異系數(shù)越大,越能夠深層次反映不同地下水水化學(xué)成分的形成作用。

(2)對(duì)平頂山礦區(qū)285個(gè)地下水水樣的常規(guī)離子分析結(jié)果表明,平頂山礦區(qū)主要充水含水層水化學(xué)組分的形成作用主要受巖石風(fēng)化溶濾作用的影響,大氣降水及蒸發(fā)-濃縮作用影響相對(duì)較微弱。平頂山礦區(qū)地下水化學(xué)常規(guī)離子的來源主要有陽離子交替吸附作用,鹽巖、硅酸鹽巖、碳酸鹽巖及硫酸鹽巖的溶解,黃鐵礦的氧化及脫氧酸作用。其中寒灰、二灰、七灰中Na+、Cl-主要來自鹽巖溶解;砂巖中Na+主要來自硅酸鹽礦物及鹽巖的溶解,Cl-主要來自鹽巖溶解;七灰與寒灰Ca2+、Mg2+、HCO3-及SO42-主要來自碳酸鹽巖與硫酸鹽巖的溶解;砂巖中Ca2+、Mg2+及SO42-主要來自碳酸鹽巖和硫酸鹽巖的溶解,HCO3-主要來自硅酸鹽巖及碳酸鹽巖的溶解;二灰的Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、HCO3-及SO42-的主要來源一部分與七灰相同,一部分與砂巖相同,這主要跟砂巖的混入有關(guān)。

(3)采煤擾動(dòng)下,地下水徑流條件的變化導(dǎo)致平頂山礦區(qū)主要充水含水層地下水與圍巖的接觸的水動(dòng)力發(fā)生改變,寒灰水與白云石、石膏的溶解作用增強(qiáng);砂巖水與硅酸鹽巖的溶蝕作用增強(qiáng);二灰和七灰水黃鐵礦氧化作用及方解石溶解作用增強(qiáng)。各主要充水含水層水化學(xué)組分的形成作用及演化機(jī)制發(fā)生改變,這對(duì)后期的平頂山煤礦區(qū)突水判別具有重大的意義。