基于Piper三線圖的礦井水化學特征分析

王雅茹 施龍青 邱 梅

(山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266590)

1 引言

鄂莊井田位于萊蕪煤田的西南部，總體上為軸向NE的向斜構造[1]，礦井可采煤層為山西組2、4、7煤層及太原組的第11、13、15、19煤層。經過35年的開采，山西組煤層開采殆盡，目前主要開采太原組煤層[2]。礦井開采過程中，主要充水水源為底板奧灰及徐灰巖溶水、煤系地層砂巖水及礦井老空水。

在此次過程中，對采集來的鄂莊礦井水樣進行礦化度和主要特征離子含量的測定及分析，進而對礦井涌水類型判斷。本文依據礦區水文地質資料及水質化驗報告，通過礦井水水樣采集、測試，用水化學方法和Piper三線圖的方法對水樣進行篩選[3]，對礦井水的化學特征進行直觀的分析，快速判別水源類型，為礦井水害的防治及綜合利用提供指導。

2 Piper三線圖

2.1 繪制Piper三線圖

Piper三線圖旨在利用圖示揭露水化學離子的分布特征，通過圖示能夠直接反映出樣本水的一般化學特征及其類型。本文將水樣化驗結果的常規離子濃度錄入Excel，導入AquaChem軟件，自動生成離子分布特征圖。

2.2 Piper三線圖水源判斷

Piper三線圖由三部分組成。其中左下方的三角形代表陽離子的相對摩爾百分量，右下角的三角形代表陰離子的相對摩爾百分量。向上方菱形延伸所得的交點，代表水樣的陰陽離子相對含量。根據2.1的步驟，分別繪制出奧灰水、徐灰水、砂巖水、老空水的Piper三線圖，如圖1～圖4所示。

3 三線圖判斷水源類型

通過對礦區不同地點的礦井水進行水樣采集，從而對礦井水的礦化度、pH值及主要特征離子含量進行測量，制作水質分析成果表，如表1所示。

表1 水質分析成果表

由表1可以看到，不同取樣點所采集的礦井水的主要離子含量有所不同，將常規離子濃度導入Piper三線圖繪制軟件，生成離子分布特征圖，對同類型巖層礦井水進行綜合分析，進而確定水質類型。

3.1 奧灰水

鄂莊礦井奧灰巖溶水礦化度范圍為0.48～1.08g/L，陰離子含量一般為HCO3-＞SO42-＞Cl-，Ca2+濃度一般在4～65mg/L范圍，Mg2+濃度范圍為0～45mg/L，陰離子濃度遠大于陽離子濃度。根據圖1可以看出不同取樣點的水質類型有一定區別，但奧灰水水質類型主要是重碳酸鈣或重碳酸鈣鎂型水。

3.2 徐灰水

鄂莊礦井徐灰水礦化度范圍為0.48～0.64g/L，礦化度變化不大，陰離子濃度遠大于陽離子濃度，其中陰離子中CO3-和HCO3-含量是最高的，陽離子中Mg2+含量相對增加，陰離子中Cl-含量最低，陰離子含量一般為HCO3-＞SO42-＞Cl-。根據圖 2 可以看出不同取樣點的水質類型也有一定區別，但主要是重碳酸鈣或重碳酸鎂型水。

3.3 砂巖水

鄂莊礦井砂巖水礦化度范圍為0.69～1.98g/L，陰離子中Cl-顯著增加，甚至超過HCO3-和SO42-的濃度，居于首位，陽離子中Na++K+含量最高，陰離子濃度與陽離子濃度相差不大。根據圖3可以看出砂巖水水質類型主要是重碳酸鉀鈉或重碳酸硫酸鉀鈉型水。

圖1 奧灰水水化學類型圖

圖2 徐灰水水化學類型圖

3.4 老空水

鄂莊礦井老空水礦化度范圍為1.07～1.98g/L，陰離子中Cl-顯著增加，HCO3-的濃度仍舊居于首位，陽離子中Na++K+含量最高，陰離子濃度與陽離子濃度相差不大[4]。根據圖4可以看出老空水水質類型主要是重碳酸鉀鈉型水。

4 結論

通過Piper三線圖對鄂莊井田各水源水質特征分析，結果表明：在鄂莊井田礦井水充水水源中，HCO3-含量普遍很高，其他離子含量因水源不同差異較大。奧灰水為重碳酸鈣或重碳酸鎂型水，徐灰水為重碳酸鈣或重碳酸鎂型水，砂巖水為重碳酸鉀鈉或重碳酸硫酸鉀鈉型水，老空水主要來自于砂巖水，為重碳酸鉀鈉型水，除此之外，礦化度范圍也存在著差異，且所有水樣都是pH范圍在7.0～8.7之間呈弱堿性水。

圖3 砂巖水水化學類型圖

圖4 老空水水化學類型圖

由圖1至圖4可以明顯看出鄂莊礦井水主要特征離子含量以及各自所占比例，并結合礦化度對礦井水進行水化學特征分析，成功地對鄂莊井田主要的水源類型進行了初步判別，相比于其他方法，更加簡便直觀，具有可行性。此外，通過Piper三線圖的繪制，可以對礦井未來可能發生的涌突水的水源類型進行預判。若礦井水含大量的HCO3-，且陰離子含量明顯高于陽離子含量，水質類型重碳酸鈣或重碳酸鎂型水，則可判斷礦井水極可能來自于奧灰水或者徐灰水，進而對可能發生的礦井水害迅速地制定合理且有效的防治措施。最終通過實踐證明，基于Piper三線圖的礦井水化學特征分析在鄂莊井田為礦井水害的防治及綜合利用提供了較好的指導。