采動影響下皖北恒源煤礦八含水化學特征研究

施亞麗 吳基文 翟曉榮 王廣濤 洪荒 畢堯山

摘 要：為研究礦井開采活動對含水層的擾動影響，以皖北恒源煤礦八含為研究對象，收集了1988a～2019a共61個八含水樣的水質數據，運用聚類分析方法將所采水樣分成3個不同開采階段的數據組，通過分析不同開采階段的八含水化學特征，從時間維度上研究了采礦活動對八含水質的擾動影響，并通過建立不同開采階段八含水質和太灰水質的偏最小二乘判別（PLS-DA）模型討論了八含水與太灰水之間的水力聯系。結果表明：（1）隨著開采活動的進行，八含水的水化學特征發生了明顯變化;（2）對比不同開采階段的八含水質與太灰水質，顯示開采初期八含水水質與太灰水水質迥異，但隨著采礦活動的進行，開采Ⅲ階段的八含水水質趨近于太灰水水質;（3）不同開采階段八含水質具有明顯的聚類效應，部分開采Ⅲ階段的八含水樣水質呈現出太灰水與八含水的混合水水質特征，驗證了八含水在采動影響下與太灰水發生水力聯系的結果。研究成果可為礦井水害防治以及水資源的開發利用提供科學依據。

關鍵詞：水化學特征變化;水力聯系;聚類分析;PLS-DA;采動影響

中圖分類號： TD745.21? 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）01-0031-10

收稿日期：2020-09-29

基金項目：國家自然科學基金資助項目（41272278）;安徽高校科研平臺創新團隊建設基金資助項目（2016-2018-24）

作者簡介：施亞麗（1995-），女，安徽合肥人，在讀碩士，研究方向：水文地質與工程地質。

Study on? Hydrochemical Characteristics of the Eighth? Aquifer of? Hengyuan Coal Mine in Northern Anhui Province under the? Influence of Mining

SHI Yali1，WU Jiwen1，ZHAI Xiaorong1，WANG Guangtao1 HONG Huang2，BI Yaoshan1

（1. School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan? Anhui? 232001，China;2. Hengyuan Coal Mine of Anhui Hengyuan Coal Power Co.，Ltd， Huaibei Anhui? 235000， China）

Abstract：In order to study the influence of mining activities on aquifer disturbance， with the eighth aquifer of Hengyuan Coal Mine in Northern Anhui Province as the research object， the water quality data were collected of 61 water samples at the eighth aquifer from 1988 to 2019， which were divided into three data groups of different mining stages with the cluster analysis method. By analyzing the hydrochemical characteristics of the eighth aquifer in three different mining stages， the disturbance effect of mining activities on the water quality was studied in the time dimension. And by establishing the PLS-DA recognition model of water quality of the eighth aquifer and the Taiyuan formation limestone aquifer in different mining stages， the hydraulic connection was discussed between the groundwater of the eighth aquifer and the Taiyuan formation limestone aquifer. The results show the following facts：（1）With the development of mining activities， the hydrochemical characteristics of the eighth aquifer change obviously;（2）Comparing the water quality of the eighth aquifer and the Taiyuan formation limestone aquifer in different mining stages reveals that the water quality of the eighth aquifer water is different from that of the Taiyuan formation limestone aquifer in the early stage of mining. With the mining activities going on， the water quality of the eighth aquifer in the third stage of mining is similar to that of the Taiyuan formation limestone aquifer;（3）There is obvious clustering effect in different mining stages and the water quality of the eighth aquifer water samples in the third stage of mining shows the characteristics of mixed water of the Taiyuan formation limestone aquifer and the eighth aquifer water， which proves the hydraulic connection between the eighth aquifer water and the Taiyuan formation limestone aquifer under the influence of mining. The research results will provide scientific basis for mine water disaster prevention and development and utilization of water resources.

Key words：change of hydrochemical characteristics; hydraulic connection; cluster analysis; PLS-DA; mining influence

礦井水害問題嚴重威脅著煤礦的安全生產[1]。隨著淺部煤炭資源的枯竭，逐漸轉為煤炭資源的深部開采階段。由于深部開采導致深層地下水受到一定程度的破壞和擾動，使地下水系統的水動力場和水化學場發生改變，水文地質條件變得更加復雜，對礦井的正常生產造成了更大的安全威脅[2-3]。因此，開展采動影響下深部含水層的水化學特征研究以進一步掌握深部地下水水化學的演化規律，對礦井水害防治以及水資源的開發利用具有重要的意義[4-6]。以往對于充水含水層的水化學特征的研究大多局限于從含水層的靜態水化學場分析[7]363，文獻[8]利用傳統圖示及統計方法分析了太原組灰巖水徑流特征及其水化學變化;文獻[9]采用多元統計、水化學分析與地下水系統理論相結合的方法，對巖溶含水系統的水化學組分特征及其控制因素進行了探討;文獻[10]等采用因子分析、聚類分析和判別分析等方法對皖北桃源礦深部含水層地下水地球化學特征進行了深入研究。一些學者也從充水含水層的水巖作用機制出發，考慮了采礦活動對含水層的擾動影響，如文獻[7]364等運用主成分分析法對任樓井田的充水含水層的水化學特征進行了分析，文獻[11]等通過主成分分析研究了采動影響下水化學演化過程中的水-巖作用機制，但此類研究相對較少，對于分析采礦前后全過程中充水含水層的水化學演化規律的研究相對更少。

鑒于此，本文以皖北恒源煤礦深部含水層八含（該礦井主采煤層6煤的頂底板砂巖裂隙含水層）為研究對象，通過收集開采前后不同時期的水質資料，嘗試運用聚類分析方法從時間維度上分析不同開采階段下八含的水化學特征變化，初步研究采礦活動對八含水質的擾動影響，并探討在采動影響下八含可能與太灰含水層發生的水力聯系。

1 研究區概況

安徽恒源煤電股份有限公司煤礦（簡稱恒源煤礦）隸屬于皖北煤電集團公司，位于淮北煤田濉肖礦區。礦井內含煤地層為二疊系下統山西組和下石盒子組，主采煤層為4、6煤層，分3個水平開采：-400m、-600m、-800m。目前礦井生產水平為-400m和-600m。礦井內褶皺構造比較復雜，斷層不但數量多、密度大，而且發育方向各異，性質不同，相互改造和制約。礦井為新生界松散層覆蓋下的裂隙充水礦床。根據含水層賦存介質特征自上而下劃分為新生界松散層孔隙含水層，二疊系煤系砂巖裂隙含水層，太原組石灰巖巖溶裂隙含水層（簡稱“太灰”），奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層（簡稱“奧灰”）。其中，二疊系煤系砂巖裂隙含水層，包括第五含水層（簡稱“五含”）、3煤上第六含水層（簡稱“六含”）、4煤上下第七含水層（簡稱“七含”）、6煤上下第八含水層（簡稱“八含”），七含、八含是主采煤層4、6煤的直接充水含水層。根據礦井生產資料，太灰水是6煤開采的礦坑充水的隱患之一，奧灰遠離主采煤層，在正常情況下對礦坑充水無明顯影響，井田水文地質剖面圖如圖1所示。

2 數據來源與處理

2.1 水樣數據收集

本次研究收集并整理了恒源煤礦自投產以來的八含水樣資料共計61個，收集的水樣點分布如圖1所示，收集水樣的時間跨度為1988a7月～2019a 4月，收集水樣的時間分布均勻，各水樣的水化學成分測試數據如表1所示。考慮到測量誤差等因素，需對61個水化學數據的有效性進行驗證，本文采用陰陽離子平衡檢驗（電荷守恒檢驗）方法對水樣數據進行驗證，計算公式為

E=∑mc-∑ma∑mc+∑ma×100（1）

式中：E為相對誤差，%;mc、ma分別為陽、陰離子的毫克當量濃度，meq·L-1。

經計算，61個水樣數據的陰陽離子平衡檢驗的相對誤差的絕對值均小于5%，表明61個水樣均為有效水樣數據。

2.2 水樣的系統聚類分析處理

系統聚類分析的基本思想是：首先將每個樣本單獨看成一類，在規定類間距離的條件下，選擇距離最小的一對合并成一個新類，計算新類和其他類的距離;再將距離最小的兩類合并。因此每次會減少一類，直至所有樣本都成為一類，這樣使得同一類別的數據的相似度盡可能地高，不同類別間數據的相似度盡可能低，結果可用1張譜系圖來表示[12]。一般包括R型聚類分析和Q型聚類分析。R型聚類分析與Q型聚類分析的區別在于分類對象的不同，R型聚類分析為的對象為變量，而Q型聚類分析的對象為樣本[13-14]。本文利用離差平方和法對61個原始水樣進行Q型聚類分析，用平方歐式距離為度量標準，確定各水樣之間的親疏關系，得到原始水樣的譜系圖，如圖2所示。

一般來說，埋藏條件類似的同一含水層在未受到擾動影響的情況下，在鄰近的短暫時間內只通過水-巖作用而發生的水化學特征的變化不大。由于圖中水樣均為按時間先后順序編號，根據圖中所示各水樣水質間的親疏關系，同時考慮各水樣在時間上的鄰近程度，將42號水樣作為異常數據予以剔除。重在分析八含水質在時間維度上受采礦活動影響前后的變化過程，基于Q型聚類結果與水樣在時間上的對應關系，將剩下的60個水樣數據劃分為3類，根據研究區內采礦活動的進行時間，將水樣編號為1～29的29個八含水樣歸為開采Ⅰ階段的水樣（時間跨度為1988.07～2002.12），將水樣編號為30～43的13個八含水樣（剔除42號水樣后）歸為開采Ⅱ階段的水樣（時間跨度為2003.10～2009.05），將水樣編號為44～61的18個八含水樣歸為開采Ⅲ階段的水樣（時間跨度為2009.06～2019.04），如表1所示。

3 不同開采階段八含水化學特征變化

基于聚類分析結果，可知本次收集的八含水樣隨著開采階段的不同顯示出不同的水化學特征。以下分別分析不同開采階段八含的水化學特征。

3.1 開采Ⅰ階段八含水化學特征

對開采Ⅰ階段的29個水樣數據進行統計分析，如表2所示。總溶解性固體（TDS）是水中溶解組分的總量，是常規離子在水中積累的綜合反映，一般來說，在地下水循環系統中，TDS大，水流流速緩慢，水動力條件弱，地下水基本處于停滯狀態[15]。該階段八含的TDS值大，在3 133.35～3 766.98mg/L，均值為3 363.36mg/L，表明此階段八含處于相對封閉的條件，與其它含水層無水力聯系。該階段陰離子以SO2-4為主，約在70%～80%之間，陽離子以Na++K+為主，約在80%以上，各陰離子含量為SO2-4>HCO3->Cl-，各陽離子含量為Na++K+>Ca2+>Mg2+，其中該階段Ca2+、Mg2+的變異系數較大（超過0.5）分別為0.83、0.88，即Ca2+、Mg2+離子的離散程度較大，表明其在水化學組成中不穩定。該階段八含水主要為SO4·Na類型。開采Ⅰ階段為礦井開采初期，主要開采淺部一水平，對八含基本無擾動影響或影響較小。本階段八含的水化學特征基本顯示為其原生狀態。

3.2 開采Ⅱ階段八含水化學特征

對該階段的13個水樣數據進行統計分析， 如表2所示。 該階段八含的TDS值在2 803.57～ 3 097.39mg/L，均值為2 923.79mg/L，與開采Ⅰ階段相比，該階段TDS值降低439.57mg/L，表明該階段八含水受到補給較充分，即與其它含水層存在一定的水力聯系。該階段八含水的陰離子以SO2-4為主，SO2-4離子約60%～80%之間，與開采Ⅰ階段相比，SO2-4離子含量降低，Cl-離子含量略微降低，HCO-3離子含量略微增大;陽離子以Na++K+為主，與開采Ⅰ階段相比，Na++K+、Ca2+、Mg2+離子含量均表現有略微降低;各陰離子含量為SO2-4>HCO-3>Cl-，各陽離子含量為Na++K+>Ca2+>Mg2+，其中該階段Ca2+、Mg2+的變異系數較大分別為0.59、0.97，與開采Ⅰ階段相比Ca2+的離散程度相對變小，Mg2+的離散程度較大。該階段八含水也主要為SO4·Na類型。與開采Ⅰ階段相比，該階段八含水質發生了一定程度的變化，表明采礦活動對八含造成了擾動影響，但總體影響不大。

3.3 開采Ⅲ階段八含水化學特征

對該階段的18個水樣數據進行統計分析， 如表2所示。該階段八含的TDS值在1 941.37～ 2 806.11mg/L，均值為2 440.74mg/L，在前一階段的基礎上繼續降低，與開采Ⅰ階段相比，該階段TDS值降低922.62mg/L，表明該階段八含水受到充分補給，與其它含水層存在較強的水力聯系。該階段八含水的陰離子以SO2-4為主，與開采Ⅰ階段、開采Ⅱ階段相比，SO2-4離子含量進一步降低，Cl-離子含量進一步降低，HCO-3離子含量降低;陽離子以Na++K+為主，與開采Ⅰ階段、開采Ⅱ階段相比，Na++K+離子含量降低明顯，Ca2+、Mg2+離子含量均明顯增大，含量約為開采Ⅱ階段八含水的4倍，也均超過開采Ⅰ階段八含中Ca2+、Mg2+含量，其中Ca2+含量約為開采Ⅰ階段八含水的2倍。該階段各陰離子含量表現為SO2-4>HCO-3>Cl-，各陽離子含量表現為Na++K+>Ca2+>Mg2+，其中該階段Ca2+、Mg2+、HCO-3的變異系數較大分別為1.48、1.16、0.57，與開采Ⅰ階段、開采Ⅱ階段相比，Ca2+、Mg2+、HCO-3的離散程度明顯變大。該階段八含水主要為SO4·Na、SO4·Ca類型。與開采Ⅰ階段相比，該階段八含水質發生了較大的變化，表明采礦活動對八含造成了明顯的擾動影響。

4 討論

通過上述分析，不同開采階段八含水質發生了明顯的變化，主要表現為開采活動前后八含水的TDS值降低明顯，Ca2+離子含量增加明顯，Na++K+、Cl-、SO2-4含量不斷降低，八含水類型由SO4·Na類轉變為SO4·Na、SO4·Ca類型，表明隨采礦活動的進行對八含造成了擾動影響，導致八含水與其他含水層產生了水力聯系。根據礦井地質與水文地質條件以及現場采掘資料，富水性較強的太灰含水層可能是補給八含的充水含水層。為進一步探討八含與太灰之間是否存在水力聯系，本次研究收集了2018a的10個太灰水樣資料，對比兩含水層的水質特征。

4.1 太灰水化學特征分析

對10個太灰水樣數據進行統計分析，如表3所示。由表3可知，太灰水的TDS值在1 634.48～2 715.65mg/L，均值為2 163.96mg/L;太灰水的陰離子以SO2-4為主，陽離子以Na++K+為主;各陰離子含量表現為SO2-4>HCO-3>Cl-，各陽離子含量表現為Na++K+>Ca2+>Mg2+。太灰水主要為SO4·Na類型。以不同開采階段八含水和太灰水各離子成分含量的均值為背景值，分析兩含水層的水質特征，如表4所示。由表4可知，開采初期八含水水質與太灰水水質迥異，但隨著采礦活動的進行，八含水水質趨近于太灰水水質，而且太灰水的TDS值小于八含水，表明太灰水存在對八含水的補給。

4.2 基于PLS-DA模型的含水層水力聯系驗證

為進一步驗證八含水與太灰水存在水力聯系，將不同開采階段八含水樣的水質與太灰水樣水質數據進行進行偏最小二乘判別分析（PLS-DA）。PLS-DA是一種與主成分回歸相關的有監督的判別分析統計方法[16]。在分析過程中可以根據設定的組別進行計算，可在盡可能多地提取自變量信息的基礎上，保證提取成分與因變量間最大的相關性。PLS-DA將現代分析技術得到的大量數據與多元統計方法相結合，具有高效的鑒別能力，目前在樣品分類與識別方面發揮了重要作用[17]。本文將開采Ⅰ階段八含水樣、開采Ⅱ階段八含水樣、開采Ⅲ階段八含水樣、太灰水樣的水質資料依次分為第1、第2、第3、第4類，通過建立不同開采階段八含水質和太灰水質的PLS-DA識別模型，最大化提取不同類別之間的水質信息差異，進而實現不同類別水樣的識別，最后根據識別結果驗證八含與太灰之間的水力聯系。

圖3是本次建模得到的PLS-DA模型得分圖，圖3中t[1]、t[2]分別表示為在主成分PC1、PC2投影上的得分。如果兩個水樣點在得分圖上的距離越近，表明這兩個水樣的水質特征越相似。由圖3可知，不同開采階段下的八含水水樣具有明顯的聚類效應，開采Ⅰ階段八含水樣、開采Ⅱ階段八含水樣、開采Ⅲ階段八含水樣根據水質的差異各自聚成一類，表明該模型識別效果較好，而部分開采Ⅲ階段的八含水樣與太灰水樣存在混合，無法完全區分。從八含水水質變化的角度考慮，不同開采階段下八含水質發生了明顯變化（如圖3中箭頭所指方向變化），且在采動影響下，八含水受到了太灰水的水源補給，導致開采Ⅲ階段八含水的水質呈現出太灰水與八含水的混合水水質特征。

由于礦區地下水化學環境復雜，本文主要研究了采動影響后的地下含水層間地下水的混合作用。根據文獻[7]365，受礦井地質與水文地質條件與采礦活動的影響，黃鐵礦氧化，碳酸鹽、硫酸鹽溶解，陽離子交替吸附以及脫硫酸作用等水化學成分的形成作用對礦井含水層的水質演化特征也可能存在一定影響。本研究區內其他水化學成分的形成作用對八含水的水質變化特征的影響，有待后續進一步研究探討。

5 結論

本文通過收集恒源煤礦1988～2019a共61個八含水樣的水質數據，運用聚類分析方法將所收集水樣分成3個不同開采階段的水樣數據，分別分析了3個不同開采階段八含水的水質特征，并討論了八含水與太灰水之間的水力聯系，主要得到以下結論：

（1）基于對61個有效原始水樣進行的Q型聚類分析結果，剔除了異常水樣數據的影響，并從時間維度上將水樣數據劃分為3個階段的水樣數據，依次為開采Ⅰ階段（1988.07～2002.12）、開采Ⅱ階段（2003.10～2009.05）、開采Ⅲ階段（2009.06～2019.04）;

（2）分別分析了不同開采階段八含水的水化學特征，結果表明不同開采階段八含水的水化學特征發生了變化。礦井生產早期對八含基本無擾動影響或影響較小;與開采Ⅰ階段相比，開采Ⅱ階段采礦活動對八含造成了擾動影響，但總體影響不大;開采Ⅲ階段八含水質發生了較大的變化，采礦活動對八含造成了明顯的擾動影響;

（3）通過對比不同開采階段的八含水質與太灰水質，結果顯示開采初期八含水水質與太灰水水質迥異，但隨著采礦活動的進行，八含水水質趨近于太灰水水質;

（4）建立不同開采階段下八含水質和太灰水質的PLS-DA識別模型，結果顯示不同開采階段八含水質具有明顯的聚類效應，而部分開采Ⅲ階段的八含水樣與太灰水樣存在混合，其水質呈現出太灰水與八含水的混合水水質特征，驗證了太灰水與八含水之間存在水力聯系。

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（責任編輯：李 麗）