顧橋礦二疊系砂巖裂隙水化學(xué)特征及其形成作用

馮 琪, 馬 雷, 羅江發(fā), 賀世芳, 錢家忠

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤業(yè)分公司,安徽 淮南 232095)

隨著煤礦開采力度、規(guī)模和深度的逐漸增大,由采動引起的煤礦安全問題日益增多,其中礦井突水是最主要的問題之一[1]。砂巖裂隙含水層(組)是淮南礦區(qū)的主要充水含水層,該層(組)中砂巖裂隙水在采動影響下通過導(dǎo)水裂隙直接進(jìn)入礦井,成為礦井涌水的直接來源。在開采過程中,受采動影響形成的導(dǎo)水裂隙和由于礦井排水形成的水位降落漏斗,使該砂巖裂隙含水層(組)與其他含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系,使其水量補(bǔ)給較充沛,給煤礦開采帶來較大的安全隱患。因此,對該含水層(組)的水化學(xué)特征和形成作用進(jìn)行研究,有助于查清該層(組)的突水來源和是否存在其他含水層的補(bǔ)給,從而為開展礦井防治水工作奠定重要基礎(chǔ)。

針對礦井開采過程中的各種水害問題,文獻(xiàn)[2-5]從煤層頂板砂巖裂隙的形成及富水規(guī)律方面,對煤層頂板的突水機(jī)理、充水水源及突水預(yù)測進(jìn)行研究。地下水中的水化學(xué)組分是含水層信息的載體[6],對水化學(xué)特征及其形成作用進(jìn)行分析,也是判別突水水源的有效方法[7-8]。文獻(xiàn)[9]通過測試和分析常規(guī)水化學(xué)指標(biāo),判別淮北桃園北八采區(qū)砂巖水的水源,為砂巖水的防治提供依據(jù);文獻(xiàn)[10]利用多元統(tǒng)計(jì)分析等方法對淮北宿縣礦區(qū)主要突水含水層中地下水樣的常規(guī)離子進(jìn)行分析,闡明水化學(xué)形成的控制因素,為礦井水害防治提供理論支持;文獻(xiàn)[11]采用水化學(xué)測試及統(tǒng)計(jì)分析等方法對淮南顧北煤礦煤系砂巖裂隙水的成因進(jìn)行研究,為礦山防治水決策的制定提供重要依據(jù)。然而,受礦區(qū)水文地質(zhì)條件、補(bǔ)給徑流排泄條件及水-巖作用等的影響,礦井地下水水化學(xué)的形成作用較為復(fù)雜,需要利用多種分析手段相互印證,提高分析結(jié)果的可靠性。

本文利用多種圖解和統(tǒng)計(jì)分析方法,研究二疊系砂巖裂隙水水化學(xué)組分特征和形成作用,旨在為礦井充水水源的判別提供更可靠的依據(jù),為礦區(qū)水害防治、安全開采及水資源利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

顧橋煤礦位于淮南礦區(qū)的西部、安徽省鳳臺縣西北,地處淮河中游、淮北平原南部,年均降水量為1 134.8 mm;研究區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造形態(tài)為南北走向、向東傾斜的單斜構(gòu)造,地層傾斜平緩，南北走向平均長15 km,從東到西傾斜平均寬7 km,礦區(qū)總面積為106.737 km2。

經(jīng)鉆孔揭露,顧橋礦井地層由下到上為奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和新生界地層,其中含煤地層主要為二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組,含煤地層厚376 m,含煤33層,煤層總厚31.23 m。二疊系含水層(組)巖性主要為中細(xì)砂巖,夾粗砂巖和石英砂巖,分布于煤層與泥質(zhì)巖之間;巖性變化大,厚度極不穩(wěn)定,多泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié),硅質(zhì)膠結(jié)少,裂隙發(fā)育不均,且多為鈣質(zhì)充填。一般情況下,各砂巖含水層(組)之間不存在直接的水力聯(lián)系,但與斷層和裂隙導(dǎo)通時,可能與上覆新生界松散含水層(組)發(fā)生水力聯(lián)系,接受滲流補(bǔ)給。在采動影響下,“三帶”范圍內(nèi)的砂巖裂隙水將直接向礦井充水,是礦井煤層開采的主要水害。

2 材料與方法

本文共收集研究區(qū)內(nèi)二疊系砂巖裂隙水水樣130個,為井下取樣,采樣點(diǎn)位置分布示意如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)位置分布示意

由淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限公司水質(zhì)檢測中心完成樣本測試,測試指標(biāo)包括pH值、總?cè)芙夤腆w(total dissolved solids,TDS)、Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-等指標(biāo)。

本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和Piper三線圖分析含水層主要離子的水化學(xué)特征;利用Gibbs圖解法、離子比值法分析影響砂巖裂隙水水化學(xué)的形成作用;使用因子分析與聚類分析,進(jìn)一步識別和驗(yàn)證地下水中的離子來源及水-巖作用。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水主要水化學(xué)特征

對研究區(qū)內(nèi)二疊系砂巖裂隙水水樣的常規(guī)離子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-,pH值和TDS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表1所列。

表1 顧橋煤礦二疊系砂巖裂隙水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)二疊系砂巖裂隙水總體呈堿性,ρTDS均值為3 004.46 mg/L,屬于微咸水。水化學(xué)常規(guī)組分中陽離子以Na++K+為主,其質(zhì)量濃度均值從大到小依次為Na++K+、Ca2+、Mg2+;陰離子以HCO3-為主,其質(zhì)量濃度均值從大到小依次為HCO3-、Cl-、SO42-。從數(shù)據(jù)離散性分析,標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值為變異系數(shù),其反映數(shù)據(jù)在單位均值上的離散程度;地下水指標(biāo)變異系數(shù)越大,在水化學(xué)組成中越不穩(wěn)定,可以反映不同地下水化學(xué)成分的形成。TDS、pH值變異系數(shù)相對較小(小于1),說明二疊系砂巖裂隙水中的這些指標(biāo)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài);而Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-的變異系數(shù)較大(大于1),說明這些指標(biāo)在該含水層(組)中的含量處于較不穩(wěn)定的狀態(tài),容易隨著環(huán)境因素的變化而變化。

Piper三線圖反映地下水主要離子的相對含量及一般水化學(xué)特征,可用來分析水化學(xué)成分的演變規(guī)律。二疊系砂巖裂隙水樣Piper三線圖如圖2所示。

圖2 研究區(qū)二疊系砂巖裂隙水樣Piper三線圖

由圖2可知:研究區(qū)二疊系砂巖裂隙水主要離子中堿金屬離子(Na+、K+)占比大于80%,高于堿土金屬離子(Ca2+、Mg2+),占絕對優(yōu)勢;HCO3-、Cl-的占比高于SO42-;主要水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na+K型。Ca2+、Mg2+和SO42-質(zhì)量濃度總體上相對較低,有少量水樣ρ(SO42-)較高,可能是該地層中存在黃鐵礦(FeS2),使流經(jīng)的地下水中ρ(SO42-)較高,也可能是受采動影響,與其他含水層導(dǎo)通,發(fā)生混合作用,如與石炭系太原組灰?guī)r存在補(bǔ)給通道,產(chǎn)生水力聯(lián)系。

3.2 水化學(xué)相關(guān)性分析

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對水化學(xué)變量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析,可以清楚反映地下水水化學(xué)指標(biāo)之間的相似性和相異性,進(jìn)而判斷其來源的同一性和差異性,也是研究水文地球化學(xué)過程的有效途徑[12-13]。本文選取8項(xiàng)地下水指標(biāo),利用SPSS軟件對標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到二疊系砂巖裂隙水的Pearson相關(guān)系數(shù),結(jié)果見表2所列。

表2 研究區(qū)二疊系砂巖裂隙水化學(xué)指標(biāo)Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣

Pearson相關(guān)系數(shù)揭示了形成水化學(xué)類型的陽離子和陰離子之間的相關(guān)性,在二疊系砂巖裂隙水中,TDS與Na++K+、HCO3-、Cl-相關(guān)性較高,說明Na++K+、HCO3-、Cl-為地下水TDS的主要構(gòu)成組分;pH值與其他各指標(biāo)相關(guān)性較低,可近似認(rèn)為不存在相關(guān)關(guān)系;Na++K+與陰離子存在顯著的相關(guān)關(guān)系,其中與HCO3-呈高度線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.928,與Cl-相關(guān)系數(shù)為0.807,說明Na++K+的來源與Cl-有關(guān),可能為鹽巖的溶解;Ca2+與Mg2+呈較高的相關(guān)性,說明存在相近來源,可能為碳酸鹽及石膏的溶解。

3.3 離子成分來源分析

Gibbs圖可以確定控制水化學(xué)的主要機(jī)制,用于研究水化學(xué)組成與氣候或地質(zhì)特性之間的關(guān)系。Gibbs圖中控制水化學(xué)的機(jī)制可分為以下3個區(qū)域:蒸發(fā)濃縮、大氣降水和巖石風(fēng)化[14]。二疊系砂巖裂隙水Gibbs圖如圖3所示。圖3中,所有的水樣點(diǎn)大致分布在Gibbs圖的中間部分,表明巖石風(fēng)化與蒸發(fā)濃縮是控制地下水化學(xué)組分的主要作用。

圖3 研究區(qū)二疊系砂巖裂隙水Gibbs圖

在地下水研究中,通過地下水各指標(biāo)含量的比值關(guān)系,可以研究某些水文地球化學(xué)問題。Na+與Cl-主要來源于巖鹽的溶解,因此Na+與Cl-的關(guān)系通常被用來確定半干旱地區(qū)與鹽度的相關(guān)性[15]。當(dāng)γ(Na+)與γ(Cl-)的比值為1∶1,表明地下水化學(xué)成分主要是由巖鹽的風(fēng)化和溶濾溶解作用形成;高于該比值,表明Na+可能存在其他來源,如其他鈉鹽的溶解、海水入侵等。二疊系砂巖裂隙水離子關(guān)系如圖4所示。

圖4 研究區(qū)二疊系砂巖裂隙水離子關(guān)系

由圖4a可知:二疊系砂巖裂隙水大部分水樣點(diǎn)基本位于1∶1線以上,表明Na+不僅來源于鹽巖的溶解,還存在其他來源,如硅酸鹽的溶解,或者該含水層中發(fā)生陽離子交替吸附作用,因而Na+含量大于Cl-。

陽離子交替吸附作用原理是:巖土顆粒表面帶有負(fù)電荷,能夠吸附陽離子,在一定條件下,顆粒將吸附地下水中的某些陽離子,而將其原來吸附的部分陽離子轉(zhuǎn)為地下水中的組分[16]。根據(jù)γ(Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)與γ(Na+-Cl-)的比值可以判斷是否發(fā)生陽離子交替吸附作用[17]。

由圖4b可知,采樣點(diǎn)的γ(Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)與γ(Na+-Cl-)呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,且較多分布在y=-0.83x+1.1直線附近,表明在地下水長期演化過程中,地下水中發(fā)生陽離子交替吸附作用,Ca2+與Mg2+將吸附于礦物顆粒表面的Na+置換出來。

研究區(qū)二疊系砂巖裂隙水中ρ(HCO3-)大于ρ(SO42-),該含水層為深部地層且為還原環(huán)境,在有機(jī)質(zhì)的作用下,發(fā)生脫硫酸作用,使SO42-減少,HCO3-增加,其化學(xué)式為:

SO42-+2C+2H2O→H2S+2HCO3-。

γ(SO42-)與γ(Cl-)的比值為脫硫酸系數(shù),常用來衡量脫硫酸強(qiáng)度的大小。從圖4c可以看出:大部分采樣點(diǎn)的γ(SO42-)/γ(Cl-)值在0～0.7之間,說明二疊系砂巖裂隙水受到脫硫酸作用的影響,使SO42-含量較低;γ(HCO3-)分布較分散,但在γ(SO42-)/γ(Cl-)值為0～0.7之間,γ(HCO3-)值較大,與脫硫酸作用的結(jié)果相符。

綜上所述,顧橋煤礦二疊系砂巖裂隙含水層中,Na+的主要來源包括巖鹽和其他鈉鹽的溶解,Cl-主要來源于巖鹽的溶解;在地下水長期演化過程中,發(fā)生陽離子交替吸附作用和脫硫酸作用,使得Ca2+、Mg2+、SO42-含量減少,Na+和HCO3-含量增加。

3.4 因子分析

因子分析是一種常用的多變量統(tǒng)計(jì)分析方法,通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和簡化,尋找數(shù)據(jù)中最重要的變量,進(jìn)而反映因子與原始變量間的內(nèi)在聯(lián)系[18]。將二疊系砂巖裂隙含水層130個水樣的主要離子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-及TDS這7項(xiàng)水化學(xué)測試指標(biāo)作為分析變量,利用SPSS軟件進(jìn)行因子分析,分析結(jié)果見表3所列。

基于初始特征值大于1的原則,通過因子分析,提取得到因子1、因子2,累積方差貢獻(xiàn)率為77.973%。

從表3可以看出:研究區(qū)Na++K+、HCO3-、Cl-、SO42-和TDS為因子1的主要載荷變量,其載荷分別為0.975、0.879、0.823、0.806、0.651,表明這4個指標(biāo)相關(guān)關(guān)系較高,與相關(guān)分析得出Na++K+、HCO3-、Cl-參與地下水TDS的形成結(jié)論相符;Mg2+和Ca2+為因子2的主要載荷變量,其載荷分別為0.795、0.534,兩者可能存在同源關(guān)系,也與相關(guān)分析結(jié)果一致。

表3 二疊系砂巖裂隙水化學(xué)指標(biāo)因子載荷分析結(jié)果

3.5 聚類分析

系統(tǒng)聚類分析是一種用于研究樣本和變量之間的相似關(guān)系,按照它們之間的相似關(guān)系將其聚合成若干類的多變量統(tǒng)計(jì)方法。將地下水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析,能夠有效地研究離子的相似來源[19-20]。通過SPSS軟件對水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類的R型聚類分析,得到的譜系圖如圖5所示。

圖5 研究區(qū)水樣水化學(xué)指標(biāo)R型聚類分析譜系

聚類分析譜系圖反映地下水中各離子間的親疏關(guān)系。圖5中，按歐氏距離20將變量聚為2類:Na++K+、HCO3-、Cl-、SO42-和TDS為一類,Mg2+和Ca2+為另一類。TDS與Na++K+、HCO3-、Cl-、SO42-聚為一類,說明TDS與這些地下水指標(biāo)關(guān)系密切。HCO3-和Na++K+最先聚為一類,說明其為地下水中的優(yōu)勢陰、陽離子,水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na+K型,與Piper三線圖分析結(jié)論一致。聚類分析將變量聚為2類,與因子分析提取得到2個因子(因子1和因子2)的結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

(1)統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)分析結(jié)果表明,顧橋煤礦二疊系砂巖裂隙水常規(guī)組分中陽離子以Na++K+為主,陰離子以HCO3-為主;Na++K+、HCO3-、Cl-為地下水TDS的主要構(gòu)成組分,Na++K+與Cl-有較高的來源相關(guān)性,Ca2+與Mg2+呈較高的相關(guān)性。

(2)離子比值法和Gibbs圖分析結(jié)果表明:水樣中Na+主要來源于巖鹽和其他鈉鹽的溶解;Cl-主要來源于巖鹽的溶解;在地下水長期演化過程中,發(fā)生了陽離子交替吸附作用和脫硫酸作用,使得Ca2+、Mg2+、SO42-含量減少,Na+和HCO3-含量增加,最終形成以HCO3·Cl-Na+K為主的地下水。

(3)因子分析結(jié)果與相關(guān)分析結(jié)果一致,且聚類分析將變量聚為2類,與因子分析提取得到2個因子的結(jié)論一致。本文采用多種方法相互印證,所得結(jié)果對相關(guān)礦井水化學(xué)特征分析具有一定的參考價(jià)值。