桃園煤礦Ⅱ1042工作面主要含水層的水力聯系分析

胡峯 王來斌

摘 要：為了查明各含水層對桃園煤礦Ⅱ1042工作面生產的影響，對工作面各充水含水層之間的潛在水力聯系進行了研究。選取工作面不同含水層共13組水樣，采用水化學方法分析了各水樣之間離子指標的差異，并且運用系統聚類分析對各含水層水樣之間的親密程度進行聚類。結果表明：新生界松散第四含水層和10煤頂底板砂巖裂隙水與其他含水層之間無明顯的水力聯系;而工作面太灰水與奧灰水的水質相似，聚類結果表明兩者之間的歐氏距離最小，可歸為一類，說明工作面太灰水與奧灰水具有潛在的水力聯系。

關鍵詞：水力聯系;水化學;聚類分析

中圖分類號：TD745文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0069-04

Abstract： In order to find out each aquifer Taoyuan Coal Mine Ⅱ1042 working face production， the influence of the working face potential hydraulic connection between the water filling aquifers were studied. A total of 13 groups of water samples were selected from different aquifers in the working face， and the differences of ionic index among water samples were analyzed by hydrochemistry method， and the degree of intimacy among water samples of each aquifer was clustered by systematic clustering analysis. The results show that there is no obvious hydraulic relationship between the loose fourth aquifer in the cenozoic and the sandstone fissure water in the bottom floor of the coal roof and other aquifers. The result of clustering shows that the Euclidean distance between the two is the smallest， which can be classified into one category. It shows that the working face groundwater in the carbonic limestone and Ordovician limestone water have potential hydraulic relations.

Keywords： hydraulic connection;water chemistry;cluster analysis

常用的含水層水力聯系的分析方法有水化學分析、地下水動態分析和環境同位素分析等[1-5]。含水層水化學成分往往反映地下水所處的地質環境特征及在滲流過程中與圍巖或其他含水層的水之間發生的水化學作用[6]。不同含水層的水化學特征在離子含量上表現出明顯的差異性，具有水力聯系的含水層在水化學特征中會有相似性。水力聯系的強弱可通過地下水的水化學特征反映出來[7]。本文根據不同含水層的水樣進行水化學分析，以判斷含水層之間所存在的水力聯系。

桃園煤礦地質條件較為復雜，曾經發生過多次礦井突水事故。Ⅱ1042工作面的主采煤層為二疊系山西組10煤，煤層頂底板有多個含水層沉積，煤層開采受太灰水威脅比較嚴重。隨著礦井開采水平的不斷延伸，底板灰巖水對煤層開采的影響程度也會增大，并且含水層之間可能存在斷層、封閉不良鉆孔以及巖溶陷落柱等導水通道，使得不同充水含水層之間具有一定的水力聯系，提高礦井突水風險。因此，對礦井不同充水含水層之間的水力聯系進行分析具有非常重要的意義。

1 工作面概況

1.1 地質概況

經鉆孔揭露，桃園煤礦Ⅱ1042工作面地層由老到新有奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系和第四系，二疊系山西組10煤層是工作面主要的可采煤層。工作面為一南北走向、傾向東的單斜構造。受構造影響，沿巷道走向，煤層起伏較大;根據巷道實際揭露及地面三維地震勘探資料解釋，工作面揭露的斷層共有23條，斷層落差為0.3～3.7 m，其中3條逆斷層，其余為正斷層，斷層落差大于2 m的有6條，對工作面回采影響較大。

1.2 水文地質概況

工作面主要的充水含水層主要有新生界松散第四含水層、煤系砂巖裂隙含水層、太原組巖溶含水層和奧陶系巖溶含水層。

第一，新生界松散第四含水層。底板埋深為205.50～333.50 m，厚度平均為22 m。含水層至10煤層頂板法距為350～400 m。根據水08孔抽水試驗成果顯示[q]=0.166 L/（s·m），[k]=0.54 m/d，富水性中等。

第二，煤系砂巖裂隙含水層。煤層頂板砂巖較為發育，厚度為10～20 m，但砂巖裂隙發育不均，含水層富水性較弱[q]=0.001 17 L/（s·m），[k]=0.001 3 m/d。

第三，太原組灰巖巖溶含水層。地層總厚度約為190 m，石灰巖的厚度占太原組厚度的40%左右，10煤層底板至一灰法距為42.0～59.8 m。根據礦井98觀3太灰長觀孔抽水試驗成果顯示，[q]=0.21 L/（s·m），[k]=0.67 m/d，富水性中等。

第四，奧陶系巖溶含水層。含水層上部裂隙較為發育，且有溶洞發育，直徑為0.6～1.2 cm，采取的巖芯較為破碎。據98觀1孔抽水試驗資料顯示，[q]=1.59 L/（s·m），[k]=1.92 m/d，為富水性強的含水層。

2 水力聯系的水化學分析

2.1 水化學特征判別水力聯系

為了對Ⅱ1042工作面各充水含水層之間的水力聯系進行分析，選取了該工作面以往的水質分析成果資料的13組不同含水層水樣進行分析，其中松散第四含水層水樣1組、工作面10煤頂底板砂巖裂隙水樣2組、Ⅱ6太原組灰巖水樣2組、工作面太原組灰巖水樣6組、奧陶系灰巖水樣2組。表1為不同含水層水質分析表。

松散層第四含水層水質總硬度平均為359.93 mg·L-1，無永久硬度，pH值為8.2，礦化度0.9 g·L-1，水化學類型為HCO3--Mg+·Na+·Ca+型。陽離子成分中，Mg2+占優勢，達40%左右，而Ca2+和Na++K+的各占30%;而陰離子中，HCO3-所占的比重最為明顯，高達73%左右，SO42-與Cl-所占的比重較小。

10煤砂巖裂隙水的水質總硬度平均為285.18 mg·L-1，pH值為8.4，礦化度平均為2.17 g·L-1，水化學類型為SO42-·HCO3-·Cl--Na+型。陽離子中Na+和K+離子富集，占73%左右，而Ca2+與Mg2+共占27%;陰離子中SO42-占45%，HCO3-占28%左右，Cl-約占27%。

工作面太原組灰巖水質總硬度平均773.6 mg·L-1，永久硬度平均為540.5 mg·L-1，屬極硬水，pH值為8.0，礦化度平均1.92 g·L-1，水化學類型有SO42-·Cl--Ca2+·Na+型和SO42--Ca2+·Na+型。陽離子中Ca2+離子所占比重較大，比例在30%～60%，Na++K+次之，占20%～50%，而Mg2+含量較少，約占20%;陰離子中SO42-所占比重較大，為50%～70%，Cl-次之，約30%，HCO3-平均不到20%。

奧灰水水質總硬度平均755 mg·L-1，永久硬度平均為482 mg·L-1，屬極硬水，pH為值7.9，礦化度平均1.63 g·L-1，水化學類型為SO42--Ca2+·Na+型。陽離子中Ca2+約占46%，Na++K+占28%，Mg2+約占26%;陰離子中SO42-所占比重較大，占55%左右，其他陰離子含量較少。

太灰水與奧灰水都表現為陰離子SO42-所占比重較大，其他陰離子比例也相似，而第四含水層與砂巖裂隙水離子含量都與其他含水層有巨大差異。為了使水質更加直觀地反映出不同含水層之間的聯系，采用Piper三線圖對不同含水層水質進行分析，結果如圖1所示。

從Piper三線圖可以看出，松散層第四含水層、10煤頂底板砂巖裂隙水的水化學特征與其他含水層存在明顯的差異，說明松散層第四含水層、10煤頂底板砂巖裂隙水與其他含水層之間的水力聯系較弱。工作面太灰水與礦井Ⅱ6太灰水的水質也存在部分差異，并且工作面太灰水之間也存在明顯的差異，說明工作面的太灰水可能接受其他含水層的補給。奧灰水水質與工作面太灰水質在Piper三線圖中有明顯的疊加部分，說明工作面太灰水與奧灰水之間可能存在水力聯系。

2.2 聚類分析判別水力聯系

聚類分析是多元統計方法中的一種數學分類方法，通過數學的方法得到研究對象之間的親密關系，系統聚類方法是聚類分析方法中常用的一種[8]。系統聚類方法是通過距離公式來表示樣品之間的親密程度，距離用[dij]表示，分別計算出樣品兩兩之間的距離，將距離最小的兩類樣品歸為一類，然后再重新進行一輪新的聚類，直至所有樣品歸為一類。歐氏距離是聚類分析中常用的方法：

根據上面各含水層共13組水質的水化學分析，選取了Na++K+、Ca+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-等6個指標，對13組水質結果進行系統聚類分析，四含水、砂巖水與其他含水層水歐氏距離分別為614～906、375～771，而工作面太灰水與奧灰水的歐氏距離為201～397，可以得出4類含水層中四含水與砂巖水都與其他含水層親密程度低，相對獨立;太灰水與奧灰水之間的歐式距離較小，親密程度高。作者通過SPSS軟件得出聚類譜系圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，將13組水質聚為4類時，四含水與砂巖水各為一類，而工作面有3組太灰水與奧灰水為一類、工作面有3組太灰水與Ⅱ6太灰水為一類，說明工作面太灰水不僅接受同層的太灰水補給，還接受奧灰水的補給，與其他灰巖含水層水質存在差異。當將13組水質聚為3類時，太灰水與奧灰水聚為一類，說明工作面太灰水與奧灰水質親密程度較高，工作面太灰水與奧灰水之間具有潛在水力聯系。

水化學分析及系統聚類分析的結果都能看出工作面四含水、砂巖水與太灰水、奧灰水的水質在離子含量上存在差異，表明四含水、砂巖水與太灰水、奧灰水的水力聯系較弱;而水化學分析中，太灰水與奧灰水的陰陽離子百分比相似，且聚類中有三組太灰水與奧灰水歸為一類，更進一步說明了工作面太灰水與奧灰水之間具有潛在的水力聯系。

3 結論

①利用水化學特征分析法對Ⅱ1042工作面的水質進行分析，并且通過Piper三線圖進行對比，得出松散第四含水層和10煤頂底板砂巖裂隙水與其他含水層之間無明顯的水力聯系，而工作面太灰水與奧灰水的水質相似。

②通過系統聚類對13組水樣的6項指標對不同含水層之間的親密程度進行分析，得出有3組工作面太灰水水樣與奧灰水水質親密程度高，說明Ⅱ1042工作面的太灰含水層與奧灰含水層具有水力聯系，對工作面的生產具有一定影響。

參考文獻：

[1]潘玥，劉勇，李海月，等.水化學分析在青龍煤礦水力聯系研究中的應用[J].中國煤炭地質，2015（9）：52-55.

[2]陳立，萬力，張發旺，等.焦作礦區含水巖組間水力聯系特征[J].南水北調與水利科技，2015（2）：142-145.

[3]劉國旺，常浩宇，郭均中.唐山礦塌陷區積水與礦井潛在水力聯系研究[J].煤炭科學技術，2017（8）：223-227，158.

[4]許蓬，王明.環境同位素技術在判定礦井含水層間水力聯系的應用[J].煤炭科學技術，2018（S1）：230-233.

[5]翟曉榮，田諾成，張紅梅.基于水化學成分與聚類分析的礦井水補給關系判別[J].中國地質災害與防治學報，2016（4）：88-92.

[6]耿建軍.基于系統聚類分析的煤礦突水水源識別技術：以潞安礦區王莊煤礦為例[J].中國煤炭地質，2019（8）：54-59.

[7]方剛，劉柏根.基于巴拉素井田多孔抽水試驗的含水層特征及水力聯系研究[J].水文，2019（3）：66-40，67.

[8]姚潔，童敏明，劉濤，等.基于聚類分析方法的礦井水源識別[J].煤礦安全，2013（2）：29-31，35.