麻家梁礦奧陶系灰巖地下水水化學特征與成因

杜 亮，高 蘭，劉永芳

（晉能控股煤業集團浙能麻家梁煤業有限公司 山西 朔州 036002）

0 引言

華北型煤田主采煤層沉積于巖溶較發育和水量豐富的奧陶系灰巖之上，隨著開采深度的不斷加深，隔水層的厚度也隨著變小，對所采煤層的壓力也越來越大，發生突水的可能性也增大，成為威脅礦井生產的重要水害之一。侯俊華等采用不同的方法研究了奧灰水水化學特征及其成因[1-5]。

麻家梁礦主采煤層為4#和9#煤層，隨著時間的推移4#煤層的開采已經步入后期，9#煤層的開采刻不容緩。4#煤層距奧灰含水層距離較遠，在底板完整情況下奧灰水對其不會造成威脅，但是當延伸進入9#煤層后離奧灰水較近，奧灰水是其開采過程中重要的水害之一。因此研究麻家梁礦區奧陶系灰巖地下水的水化學特征及成因，為其制定防治水安全技術措施提供一定的水文地質資料。

1 研究區概況

麻家梁井田位于山西省朔州市的南部，隸屬朔州市朔城區管轄。地理坐標為東經112°22＇00″～112°29＇30″，北緯39°08＇00″～39°14＇30″。井田南北長約12.2 km，東西寬約7.2 km～9.4 km，面積約104.292 4 km2。本礦井范圍內經鉆孔揭露，自下而上分別為奧陶系馬家溝組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、石盒子組，新近系、第四系。麻家梁井田地處神頭泉域奧灰水的徑流區，屬強含水層。奧灰水（奧陶系馬家溝組）水位標高在+1 055 m～+1 060 m 之間，奧陶系巖性以石灰巖、白云質灰巖為主，石灰巖主要由礫屑和亮晶方解石組成。

2 水樣檢測與分析

2.1 水樣主要檢測指標

在做抽水試驗的同時收集水樣進行化驗，奧灰水取樣地點分布見圖1。本文主要收集檢測了麻家梁礦奧陶系灰巖含水層（以下簡稱奧灰水）水樣的常規數據，其中有Ca2+、Mg2+、Na++K+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS、礦化度、PH 等，檢測數據見表1。將檢測的數據利用Origin 軟件繪制Piper 三線圖、離子比例系數圖；利用SPSS軟件對數據進行數理統計分析。

表1 奧灰水水樣常規指標

圖1 奧灰水取樣地點分布圖

2.2 水樣檢測儀器

依據DZ/T0064-2021檢測奧灰水水樣水質常規指標，主要檢測儀器有：PHS-3C酸度儀、TU-1901紫外可見分光光度計、BSA224S電子天平、101-3型恒溫干燥箱、GGX-900原子吸收分光光度計、6400火焰光度計。

3 結果與分析

3.1 奧灰水水化學類型特征

對麻家梁礦奧灰水11個水樣用SPSS 軟件進行數理統計分析，分析結果見表2。奧灰水中陽離子的平均濃度值由高到底分別為Ca2+＞Mg2+＞Na++K+；其陰離子的平均濃度值由高到底分別為HCO3-＞SO42-＞Cl-。由于奧灰水的水流流速較快，水巖交互作用時間較短，因此TDS 含量較低且變化范圍較小，平均含量為347.82 mg/L，屬于低礦化度型水。其中Mg2+的變異系數較大，為0.52，其他幾種離子的變異系數都小于0.5，說明Mg2+與其他離子相比，穩定性較差，受地形地貌、水文條件和構造等外界環境的影響更為強烈。

表2 奧灰水水化學指標統計表（mg/L）

由表3繪制Piper三線圖可知，奧灰水離子成分以HCO3-、Ca2+、Mg2+為主，水質類型呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型；由以往水文地質資料可知其上覆含水層水的水質類型呈HCO3-(K+Na)。由此可推斷麻家梁礦區奧灰水在溶濾過程中主要是方解石和白云石的溶解。

表3 各離子百分比濃度統計表（%）

圖2 奧灰水水化學成分三線圖

3.2 離子比例系數分析

通過表4 計算奧灰水中的不同離子的比值，可進一步研究麻家梁礦奧灰水中主要離子的來源。由圖1可知，麻家梁礦區奧灰水的水質類型呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型，故對HCO3-、Ca2+、Mg2+和K++Na+等幾中離子的來源進行探討。

表4 各離子毫克當量統計表（%）

通過研究γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)的比值，來確定奧灰水中Ca2+和Mg2+的主要來源，由圖3（a）和化學公式（1）和（2）可知，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)的比值接近于1，可以判斷奧灰水中Ca2+和Mg2+主要來源于碳酸鹽巖的溶解。

通過研究γ(Na++K+)/γ(Cl-)的比值，來確定奧灰水中Na+和K+的主要來源，由圖3（b）和公式（3）可知，γ(Na++K+)/γ(Cl-)的比值接近于2，其比值大于1，說明麻家梁礦奧灰水中Na+離子不僅來源于鹽巖，還來源于濃縮蒸發作用及與陽離子交換作用。

通過研究γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)的比值，來確定奧灰水中是發生蒸發巖還是發生碳酸鹽溶解，其比值小于1 時，主要是發生碳酸鹽的溶解，反之，主要是發生蒸發巖的溶解。由圖3（c）可知，γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)的比值小于1，因此，麻家梁奧灰水中主要發生碳酸鹽的溶解。

圖3 奧灰水離子比例關系圖

4 結論

麻家梁礦奧灰水中陽離子的平均濃度由高到低為Ca2+＞Mg2+＞Na++K+，陰離子的平均濃度由高到低為HCO3-＞SO42-＞Cl-；其水化學類型主要呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型。麻家梁奧灰水中出現HCO3-Ca·Mg 型水，主要是由于碳酸鹽巖的溶解作用；其次，出現少量HCO3-Ca·Mg（K+Na）型水，是鹽巖的溶解、濃縮蒸發作用及發生的陽離子交換作用所形成的。研究麻家梁礦區奧灰水為其治理奧灰水和為制定探放水設計提供一定的理論依據。