潞安礦區(qū)地下水地球化學特征及其控制因素

郭瑞強，姜 濤，朱加鋒，單 耀

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司，山西 長治 046204；2.華北科技學院，河北 三河 065201)

潞安礦區(qū)屬于華北型煤田，相比于其它華北型煤田，該區(qū)域地下水的水力學與水化學環(huán)境簡單，對開采的影響較小。隨著開采深度的增加，開采區(qū)域逐漸處于帶壓開采的范圍，特別是開采15號煤層的時候，奧灰水水頭較大，隔水層較薄，具有一定的突水危險性；另一方面，該區(qū)域的突水研究相對較少。為應對可能存在的煤礦突水問題，確保安全開采，系統(tǒng)地研究該區(qū)域的水文地質(zhì)與水文地球化學條件，是一件非常重要的工作[1-4]。

隨著地球化學技術、測試技術與數(shù)據(jù)挖掘技術的進步，近年來對煤礦區(qū)地下水的水文地球化學特征、水巖相互作用成因，以及水力聯(lián)系的分析越來越深入與廣泛，新的方法或方法組合也不斷應用到實際中。研究地下水的水文地球化學性質(zhì)是一項基礎的、根本性的工作[5-9]。通過分析不同含水層的水文地球化學特征，可以分析地下水的形成，同時以部分參數(shù)作為已知參數(shù)，可以對未知來源的地下水進行判別，為礦井水害的防治提供有力的支持[10-15]。

1 礦區(qū)概況

潞安礦區(qū)位于山西省東南部、沁水煤田中段東翼，其范圍北起襄垣縣中南部的西川正斷層，南達長治、高平交界處的莊頭正斷層，東西向為煤層埋深小于1 000 m以內(nèi)的廣大地區(qū)，總面積超過1 000 km2。潞安礦區(qū)所在的長治盆地東部為潞安斷層，邊緣洪積扇不太發(fā)育，盆地中層位第四紀堆積物，其下有中更新褐紅色粘土和亞粘土，夾鈣核及下更新統(tǒng)泥河灣層湖相沉積。盆地內(nèi)河流曲折，地面波狀起伏，地下水埋藏較深。由于盆地內(nèi)地下水系眾多，河流縱橫交錯，因此長治盆地成為華北地區(qū)為數(shù)不多的富水區(qū)之一。

本區(qū)主體上為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，新老地層自西向東出露，井田內(nèi)地層從新至老有第四系(Q)、三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1L)、二疊系上統(tǒng)石千峰組(P2sh)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1S)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、奧陶系中統(tǒng)峰峰組(Q2f)。前震旦系地層在區(qū)域東側(cè)有出露，第三系、第四系地層則不整合覆蓋于各時代地層之上。井田范圍內(nèi)的煤層主要分布在下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，共含煤19層，煤層總厚度14.62 m，含煤系數(shù)9.21%。其中可采煤層5層：3號、9號、12號、15-2、15-3煤層，平均總厚度9.44 m。目前井田主采煤層為3號煤，其余可采煤發(fā)育均不穩(wěn)定。含水層主要有中奧陶統(tǒng)峰峰組O2f石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)山西組含水層組、基巖風化帶裂隙含水層和第四系孔隙含水層。

2 樣品采集測試與分析方法

從潞安集團夏店煤礦等9個煤礦采集并收集了水樣41個，包括2個地表水樣，3個第四系水樣，21個二疊系下統(tǒng)山西組含水層組水樣(煤系水)，15個中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層水樣(灰?guī)r水)。樣品進行了水質(zhì)全分析，測試地點為江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設計研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心)。

獲得的測試數(shù)據(jù)利用Excel進行初步分析，利用水文地球化學軟件GW_Chart進行地球化學分析與繪圖。數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計分析和相關性分析通過R完成。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 水文地球化學成分及空間分布規(guī)律

利用R(psych包)語言對原始數(shù)據(jù)進行分析，計算各含水層中主要離子、pH值與TDS的最小值、最大值、均值、標準差與變異系數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 潞安礦區(qū)不同含水層水文地球化學特征 mg/L

將測試水樣繪制成piper圖，如圖1所示。在圖1中，方形代表地表水，三角形代表第四系地下水，圓形代表煤系砂巖含水層水，星形代表灰?guī)r含水層水。

圖1 不同含水層樣品的piper

圖2為用R計算的各常規(guī)指標間相關系數(shù)圖。

圖2 各常規(guī)指標間的相關系數(shù)

3.2 地下水水化學成分組成作用

為進一步分析潞安礦區(qū)各含水層水質(zhì)的控制因素，分別對各類水化學成分的形成作用進行分析。地下水各化學成分的機理主要分成三類，分別是蒸發(fā)結(jié)晶作用、巖石風化和大氣降水。地下水徑流過程中與周圍巖石發(fā)生水巖相互作用，如溶濾作用與濃縮作用等。潞安礦區(qū)各含水層(含地表水)水文地球化學Gibbs圖如圖3所示。其中圓形代表地表水，三角形代表第四系水，正方形代表煤系砂巖裂隙水，十字形代表灰?guī)r水。

圖3 潞安集礦區(qū)各含水層Gibbs

從圖3可以看出，絕大多數(shù)的水樣，包括地表水，第四系水，煤系水和部分灰?guī)r水，處在巖石風化控制范圍，說明該含水層的離子來源主要受巖石風化作用控制?；?guī)r水的變化較大，處在蒸發(fā)結(jié)晶控制和巖石風化控制的過渡階段，說明灰?guī)r水受到巖石風化和蒸發(fā)結(jié)晶共同控制。沒有樣品點落在大氣降水控制的區(qū)域，說明大氣降水對地下水的直接影響較小，或說明降水在補給地下含水層經(jīng)歷了明顯的水巖相互作用。

圖4 潞安礦區(qū)離子比值相關圖(以毫克當量濃度比例計)

4 結(jié) 語

1) 第四系含水層、煤系水和灰?guī)r水的pH值偏弱堿性，煤系水和灰?guī)r水中個別水樣的堿性較強；

2) 各主要含水層的TDS處于中等的范圍，大多數(shù)在1 000 mg/L以下，少數(shù)灰?guī)r水的TDS值達到了較高的水平；

4) 礦區(qū)地下水化學成分主要受蒸發(fā)結(jié)晶和巖石風化控制，巖石風化作用占主導作用，其次是蒸發(fā)巖的溶解作用。含水層中Ca2+和Mg2+主要來自蒸發(fā)巖溶解，HCO-3和K+/Na+主要來自鹽類礦物的溶解。