寬溝煤礦地下水化學特征及其指標

苗道軍,楊 偉,尹 勇,關立國,阿依別克·莫合塔爾汗,蘇林青,黨亞堃

(1.國能新疆寬溝礦業有限責任公司,新疆 昌吉 831299;2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭作為中國重要的能源,其開采和消耗居世界前列[1]。然而煤礦區水文地質條件復雜,地下水系統一般是由多個含水層組成,并且各個含水層之間水力聯系密切[2-3]。煤層的規模化開采會擾動地層結構,使得巖體破壞和水循環條件發生改變,進而引起水資源污染,水資源的浪費以及地表和地下環境的破壞等問題[4-6]。而地下水的水化學成分的組成是地下水和地層環境相互作用的產物,通過對地下水化學條件的分析可以闡明地下水演化的本質,厘清地下水循環途徑以及有效判別礦井突水水源等[7-9]。因此煤礦區地下水化學特征和演化規律的研究極為重要。

地下水水化學成分的形成是十分復雜的過程,與降水、地表水、地下水圍巖條件、水動力條件和人類活動等共同作用,綜合反映水巖作用的物化結果及其平衡條件,因此常用多組變量綜合衡量[10-11]。迄今為止,離子比例系數法、Piper圖和Gibbs圖等研究方法是較為成熟且應用廣泛的研究手段[12-14]。

以寬溝煤礦為研究對象,通過綜合運用Piper圖、Gibbs圖、離子比例系數法和Schoeller圖等方法對寬溝煤礦地下水、地表水和礦井水水化學特征和演化規律進行分析,并且以寬溝煤礦各水體的 Cl-濃度為度量,定量計算它們之間的水力聯系程度,旨在為寬溝礦區礦井水防治提供理論和依據。

1 研究區地質概況及樣品采集

1.1 研究區地質概況

寬溝煤礦行政區劃隸屬新疆市昌吉州呼圖壁縣雀爾溝鎮,位于天山北麓的中低山區。地形南高北低,微地形呈陡坎狀。研究區受山區的影響,氣候較濕潤,年平均降水量411.88 mm,蒸發量1 590.1 mm,年平均氣溫6.19 ℃。

研究區地表水系為白楊溝河和呼圖壁河,白楊溝河從西向東橫貫寬溝礦區南部邊界外,匯入呼圖壁河后呈北東向流經礦區東側。根據巖性組合、水力聯系,本區含水巖組分為3類,即:第四系沖洪積孔隙潛水含水巖組(Ⅰ)、中侏羅統頭屯河組孔隙裂隙含水巖組(Ⅱ)、中侏羅統西山窯組孔隙裂隙承壓含水巖組(Ⅲ)。各含(隔)水巖組特征如圖1所示。含煤地層為中侏羅統西山窯組,可采煤層共6層,編號為B0、B1、B2、B3、B41、B42。本區地下水的補給以區域南部中高山區地下水由西南向東北徑流補給為主,其次為地表河流的入滲補給,據南部礦井排水量觀測,排水量不隨地表水動態變化而變化,說明地表水補給緩慢。地下水排泄主要有向呼圖壁河排泄和礦井疏干排水2種。

1.2 樣品采集與分析

為了解寬溝礦區地下水水化學特征及演化規律,于2022年5月共采集研究區水樣13組,分別是3組白楊溝河水水樣、6組礦區承壓水水樣(B1和B2煤層頂板水)和4組礦井水水樣,具體取樣位置如圖2所示。

圖2 研究區地理位置和采樣點分布Fig.2 Distribution of geographical locations and sampling points in the study area

2 研究結果及其分析

2.1 研究區一般水化學特征

表1 研究區地表水、地下承壓水和礦井水水化學組分含量Table 1 Chemical components of surface water,underground confined water and mine water in the study area

2.2 水化學類型

Piper三線圖是判斷水化學類型最常用的方法,根據寬溝煤礦各水樣的主要離子含量繪制Piper三線圖如圖3所示。

1-硫酸鈣型;2-碳酸氫鈣型;3-碳酸氫鈉型;4-氯化鈉型;A-鈣型;B-無特征型;C-鎂型;D-鈉型;E-碳酸氫型;F-硫酸型;G-氯型圖3 研究區水化學成分Piper三線圖Fig.3 Piper trilinear diagram of hydrochemical composition in the study area

地表水的陽離子遠離Na+K端元,而礦井水和地下水的陽離子靠近Na+K端元,對于陰離子而言,所有類型的水樣都靠近HCO3端元。研究結果表明,地表水水化學類型為HCO3-Ca和SO4-Ca,而地下水和礦井水的水化學類型為HCO3-Na型。同時也說明地下水與礦井水聯系緊密,而地表水和地下水聯系稍弱。

2.3 水化學形成作用分析

水巖作用伴隨地下水和地表水運移過程的始終,但在特殊的地質環境中,大氣降雨和蒸發有時會成為水體水化學特征的主要影響因素。Gibbs圖是研究地表水與地下水中化學成因主要方法,其利用水體中各離子濃度與TDS之間的關系將主要離子形成因素分為蒸發結晶作用、巖石風化作用和降水作用3種[15]。

繪制研究區各水體的Gibbs圖如圖4所示,結果顯示,地下承壓水和礦井水Na+濃度遠高于Ca2+濃度,并且礦井水和地下承壓水的水樣點聚集緊密,而地表水與礦井水的水樣點散度較大,這也表明地下水和礦井水聯系密切。在Gibbs圖中,對于中度TDS的水體,如果Na/(Na+Ca)和TDS比值或Cl/(Cl+HCO3)和TDS的比值小于0.5表示該類水體的離子形成主要來源于巖石風化作用[16]。對于Cl/(Cl+HCO3)和TDS的關系圖,研究區所有水體樣點全部落入巖石風化作用區框內。而在Na/(Na+Ca)和TDS的關系圖中,部分地下水和礦井水樣點落在框外。此框是學者統計大量水樣點所得結果,但是由于本地區水文路徑、地域特性以及人為采煤活動的影響,使得部分地區水樣點落在框外[17]。分析研究區所有水體的水化學指標均受巖石風化作用控制。

圖4 研究區水樣Gibbs圖Fig.4 Gibbs of water samples in the study area

2.4 離子交換作用

通過Schooll圖可以查明所有水樣總體離子的變化規律。如圖5所示,地下承壓水和礦井水除了Ca2+外,其他所有離子濃度均高于地表水,并且地下承壓水和礦井水各離子濃度沒有明顯的變化趨勢。

圖5 研究區主要水化學離子Schooll圖Fig.5 Schooll diagram of main hydrochemical ions in the study area

研究區所有水體中碳酸氫根含量較高,而地下承壓水中和礦井水中Ca2+和 Mg2+含量較低,相反Na+含量較高。這是地下水在運移過程中發生了離子交替吸附作用,即含水層巖土顆粒吸附地下水中Ca2+和 Mg2+,并將Na+轉化為地下水中的組分,使得地下水中Na+含量增加。地下水中陽離子交換反應化學方程式為

2Na++(Ca,Mg)X2?(Ca,Mg)2++2NaX

(1)

(Ca,Mg)2++2NaX?2Na++(Ca,Mg)X2

(2)

2.5 主要離子來源分析

圖6 研究區離子比值關系Fig.6 Ion ratio relations in the study area

2.6 地表水、承壓水以及礦井水之間的水力聯系

通過Piper三線圖、Gibbs圖和Schooll圖可以定性表明地下水與礦井水聯系緊密,而地表水與礦井水聯系較弱,但其水力聯系程度,需要進一步定量研究。因為Cl-是含水層中極為穩定的離子,其濃度只受地層控制。因此通過式(3)來判斷各水體之間水力聯系

(3)

式中,如果K<0.2,表示2種水體的水力聯系高;如果0.20.4,代表2種水體無水力聯系。通過寬溝煤礦地表水、地下承壓水和礦井水水樣數據,計算得到各水體水力聯系見表2,地表水與礦井水和承壓水的聯系度分別為0.276和0.283,聯系程度等級為中等,而地下承壓水和礦井水的聯系度為0.009,兩者聯系程度較高。

表2 研究區地表水、承壓水和礦井水水力聯系程度Table 2 Hydraulic connection degree of surface water,confined water and mine water in the study area

3 結論

(2)地表水水化學類型為HCO3-Ca型和SO4-Ca 型,礦井水和地下承壓水的水化學類型為HCO3-Na型。

(3)寬溝礦區地表水、地下承壓水以及礦井水化學組分主要受巖石風化作用控制。其中地表水主要離子來源于碳酸鹽礦物的溶解,而承壓水和礦井水的主要離子來源為硅酸鹽礦物的溶解,并且研究區地層中有一定量的硫酸鹽礦物。

(4)地表水與礦井水和地下承壓水的聯系度分別為0.276和0.283,聯系程度等級為中等,而承壓水和礦井水的聯系度為0.009,兩者聯系程度較高。