新集二礦2401工作面灰巖含水層水文地球化學特征研究

關鍵詞：淮南煤田；灰巖含水層；水文地球化學特征

中圖分類號：P641 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）13-0121-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.024

Hydrogeochemical Characteristics ofLimestone Aquifer in 2401 Panel of Xinji No. 2 Mine

ZHOU PengjuLI Jibao （China Coal Xinji Energy Co.，Ltd.，Xinji No.2 mine，Huainan 232002，China）

Abstract： [Purposes] In view of the complex hydrogeological conditions of Huainan coalfield，this study systematicallyanalyzes the hydrogeochemical characteristics of groundwater incoal mines to identify the main water sources that pose a threat to coal mining.[Methods] Taking Xinji No.2 mine and 24Ol panel of Huainan City as a case study，Piper three-line analysis and major ion analysis methods were employed to systematically investigate the variation trend of hydrochemical types and ionic concentration gradients with depth acrosslimestone aquifers in the mining area.[Findings] According to the results of hydrochemical analysis，the water quality of Taiyuan Formation limestone is mainly HCO ³ ·Cl-Na type， the Ordovician limestone is Cl-Na type，while the Cambrian limestone is Cl ?? HCO NA type，and the wa³ ter quality of panel 24O1 is classified as SO ⁴ ·HCO ³ -Na type.With the increase of mining depth，the concentrations of Ca²⁺ ， Mg²⁺ ，Na++K+and Cl- decreases，while concentration of SO progressively rises. The concentration of HCO₃^- remains relatively stable with the increase of mining depth.[Conclusions] The Taiyuan Formation limestone aquifer is a direct water-filling aquifer，while the Ordovician limestone is an indirect water-filling aquifer.Inaddition，the variation patterns of ion concentrations with depth is revealed， which provides a scientific basis for formulating targeted measures to prevent and control mine waterhazards，and thus helping to reduce the risk of water inrush accidents. Keywords：Huainan coal field; limestone aquifer; hydrogeochemical characteristics

0 引言

隨著淺部煤炭資源開采的逐步完成，兩淮礦區的礦井作業重心逐步深人到更為復雜且深層的區域。當開采深度達到 705m 左右時，諸如突水事件、頂板穩定性等災害的風險程度呈明顯梯度上升趨勢，增加了災害治理的復雜性。其中，太原組灰巖含水層與奧陶系灰巖含水層對于煤炭的安全開采具有深遠影響2。因此，對含水層的水文地球化學特征進行深人研究和精確把握顯得尤為重要。這些特征不僅能夠揭示含水層的水化學特征及變化規律，還對制定合理的防治水措施及煤炭的安全開采具有重要指導作用。

目前，礦井灰巖含水層的研究主要聚焦于防治水方案設計、含水層內部水力連通性及富水性分析等方面，針對各灰巖含水層的水文地球化學特征的綜合性研究較少。Martinez3于2017年綜合運用水力梯度圖、多元統計分析等手段，構建一個三維地質模型，旨在探究不同含水層間的水力聯系。呂玉廣等4依據舒卡列夫分類法[5與庫爾洛夫分類體系對王樓煤礦的水化學特性進行分析，得出礦井突水的主要水源來自煤系地層之上的侏羅系砂礫巖裂隙水。常見的礦區含水層水文地球化學特征研究方法包括Piper三線圖法、水化學類型劃分法、礦物飽和指數評估法和聚類分析法7等。此外，隨著研究的持續深人，學者們逐漸認識到只有將水文地質條件納入考量，才能更有效地解決煤炭開采過程中防治水害等相關問題[8。本研究以淮南市新集二礦及其內部2401采區為研究對象，通過對各灰巖含水層的水質類型及常規離子含量變化規律的探索，系統總結其水化學特征，以期為后續工作面水害防治提供科學依據。

1 研究區概況

1.1礦井及采區位置

新集二礦位于安徽省淮南市鳳臺縣西 12km 處，走向約為 6km. 寬約為 5km ，礦井面積約為 30km² 。其中，2401采區坐落于新集二礦的第二水平1煤采區，其地面位置處于04線與礦井西礦界之間，1煤是井田范圍內最底部的主采煤層。在2401采區對應的地面地表東北部，是花家湖的水域，西部則毗鄰八丈溝水系、區內的主要排水渠道一朱崗大渠和新集一礦是因采煤而形成的塌陷區域。采區的中部主要是新集二礦因采煤活動產生的塌陷積水區，在汛期時，積水區會與花家湖的水域連成一體。此外，采區的西南部存在一片無煤區域，在其東南側，則與新集二礦的工業廣場保護煤柱相對應（如圖1所示）。

1.2采區灰巖水文地質

研究區各含水層自地表向深部依次為：新生界松散含水層、推覆體含水層（包括片麻巖裂隙含水層、寒武系灰巖巖溶裂隙含水層、夾片裂隙含水層）、1煤頂板砂巖含水層、太原組灰巖巖溶裂隙含水層與奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。1煤組上覆各含水層回采時均不會波及該含水層。

其中，新集二礦240108工作面1煤組的開采受底板高壓太原組灰巖巖溶裂隙水的威脅，且存在因垂向隱伏導水構造而引發的奧陶系灰巖異常突水的風險，對工作面中煤層開采影響較大。

圖12401采區治理區域四鄰關系

① 太原組灰巖巖溶裂隙含水層。太原組灰巖總厚度介于 87.82～147.91m ，平均厚度約為105.93m ；其中，灰巖總厚度范圍為 51.27～ 88.12m ，占比為 60.35% 。該地層的巖性主要為泥巖與砂巖，其中 C₃³?C₃⁴?C₃¹² 灰巖在全區范圍內呈現出良好的穩定性。此外， C₃I 組灰巖距1煤底板的距離為 13.46～19.12m ，平均厚度為 17.91m 。

根據含（隔）水層太原組灰巖可劃分為 C₃I ！C₃I，C₃II 三組。 C₃I 組 （C₃¹～C₃⁴） ：厚度范圍在15.34～46.88m ，平均厚度為 30.16m 。依據單位涌水量值為 0.000 0147～0.009L/（s.m） ，表現為弱富水性。 C₃I 組 （C₃⁵～C₃¹⁰） ：厚度范圍在28.76～74.15m ，平均厚度為 39.52m ，由淺灰～深灰色薄層灰巖組成。依據單位涌水量值為0.000 08～0.00052L/（s.m） ，表現為弱富水性。C₃I 組 （C₃¹¹～C₃¹²） ：厚度范圍為 11.56～32.53m ，平均厚度為 19.50m ，由2層淺灰～深灰色灰巖組成。依據單位涌水量值為 0.000 05～0.000 62L/（s.m） ，表現為弱富水性。

正常的開采過程不會引起太原組灰巖突水現象，但諸如斷層等地質構造的存在可能會削弱1煤層底板隔水巖柱的結構強度，甚至引發其破裂，進而使得灰巖水成為1煤層開采過程中直接的充水來源。

② 奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。奧陶系灰巖主要由白云巖與白云質灰巖構成，其頂部多為灰色 ～ 灰褐色為主，巖體地質致密堅硬，巖體裂隙多被方解石晶簇充分填充，僅偶爾可見蜂窩狀溶孔，未發現大型溶洞。根據礦井鉆探結果，該地層全層厚度范圍在 86.4～138.26m ，平均厚度為 110.95m 。在礦井31個鉆孔中，僅有3個在揭露奧陶系灰巖時發生了耗漏現象，漏水孔率為 9.68% ，且均集中于井田的南部區域。其單位涌水量 q 介于 0.00037～ 0.722L/（s.m） ，表現為弱 ～ 中等富水性，水位標高則在 -45.19～59.90m 。

在采區2401內部，存在3個鉆孔（水102孔、水101孔及水0401孔）揭露了奧陶系灰巖，根據抽水試驗數據，其單位涌水量為 0.0174L/（s.m） ，滲透系數為 0.0553m/d ，顯示出較弱的富水性，但相較于太原組灰巖水仍有一定優勢。因此，在一般情況下，奧陶系灰巖水不會對1煤層的開采構成直接的突水威脅。

2水文地球化學特征

2.1水化學類型特征

本研究共收集到安徽省鳳臺縣新集二礦礦井的29組水化學數據，部分統計信息見表1。由表1可知，太原系灰巖含水層的水質類型以 SO₄?HCO₃～Na 為主，并一般表現為多類型特征，其全硬度范圍介于 0.07～30.83 德國度（ °_dH） ， pH 值波動于 7.29～ 11.8，而礦化度值則為 0.224～1.594g/L_? 。奧陶系灰巖含水層的水質類型主要為 Cl～Na ，其全硬度范圍介于0.86～74.9德國度 Φ（^°dH），pH 值波動于 7.46～ 11.7，而礦化度值為 0.305～5.912g/L 。寒武系灰巖含水層，其主要水質類型為 Cl?HCO₃～Na ，全硬度值集中于 7.07～18.42 德國度（ °_dH） ， pH 值則在6.2～9.2 波動，礦化度值則位于 0.649～1.526g/L 的范圍內。這些差異可能是由于地下水徑流條件、補給來源和循環速度等多種自然因素的影響，不同地層中的水化學成分呈現出一定的變異性。

依據新集二礦常規水化學數據，包括太原組灰巖含水層、奧陶系灰巖含水層、寒武系灰巖含水層三組含水層數據，繪制了相應含水層的水化學piper三線圖，如圖2所示。由圖2可以看出，在三角形區域內奧灰水和寒灰水兩個含水層陽離子重疊度較高，主要表現為左下角三角形中數據點聚集， K⁺+Na⁺ 含量很高， Mg²+ ） Ca²+ 含量很少；而陰離子比較分散，表現為太原組灰巖水三種陰離子含量相差較大，奧灰水和寒灰水 SO₄^2- 含量少，而 HCO₃^- 含量高。因此，灰巖水在陰離子方面具有一定的區分度。在菱形區域內，從陽離子含量方面看，灰巖水 Mg²⁺ 、 Ca²⁺ 含量小于 K⁺+Na⁺ ;從陰離子方面看，灰巖水的強酸根大于弱酸根。

圖2新集二礦煤采區灰巖水 圖

表1新集二礦礦井水樣水化學特征（部分數據展示）

綜上所述，新集二礦的灰巖水陽離子含量占比最高的為 K⁺+Na⁺ ，含量占比最少的為 Mg²⁺ ，水樣類型相似度高；陰離子中CI含量占比相對較高，另外H（O₃^- 含量占比略多于 SO₄^2- 含量占比。結合鉆孔位置，水0401、水0403及水0404位于2401采區內部，可推測采區水質類型主要為 SO₄?HCO₃～Na 。

2.2灰巖水常規離子含量隨深度變化特征

通過對新集二礦及2401采區內部灰巖水的離子含量進行分析，可以得出隨著開采深度的增加，灰巖水中的陰、陽離子出現顯著的變化（如圖3所示）。這種灰巖水中常規離子含量的差異性，主要歸因于含水層中介質的特性及地下水所處地質環境的動態變化。

①Ca²⁺ / Mg²⁺ 隨深度增加呈減小趨勢。灰巖水中的 Mg²⁺ 與 Ca²⁺ 含量受含水介質（白云石、方解石等碳酸鹽巖礦物）成分的影響，且隨著深度增加其徑流及水循環條件逐漸惡化，導致部分 Ca²⁺ 與 Mg²⁺ 因沉淀作用而被消耗，進而呈現出含量減少的趨勢。

②K⁺ 、Na+離子濃度呈出現微弱下降趨勢。在地下水遷移流動的過程中，存在與周圍巖石發生離子交換反應的可能。巖石中的陽離子（如 Ca²⁺，Mg²⁺ 等）可能會與地下水中的 K⁺ 和 Na⁺ 進行交換。此外，巖石表面也可能吸附地下水中的 K⁺ 和 Na⁺ 離子。這些過程都會導致地下水中 K⁺ 和 Na⁺ 濃度的降低。

③ CI質量濃度隨深度增加而呈減小趨勢。 Cl^- 可能與巖石中的其他離子發生交換反應，或者被地下水中的其他物質所吸附，由于深度增加后地下水流緩慢，呈減小趨勢。

④SO₄²- 濃度隨深度增加而呈微弱增加趨勢。煤系地層中含較多硫化物，在淺部隱伏露頭經氧化作用形成 SO₄^2- 離子，經溶濾作用進入太灰水中，深部巖溶地下水循環交替緩慢，居留時間較久，使得太灰水中 SO₄^2- 含量呈增高趨勢。

⑤HCO₃^- 質量濃度隨深度增加變化不大，巖石中的碳酸鹽礦物（如方解石、白云石等）的溶解是HCO₃^- 的主要來源，然而 HCO₃^- 可能與巖石中的其他陽離子（如 Ca²⁺，Mg²⁺ 等）發生交換，形成不溶性的碳酸鹽沉淀，從而降低 HCO₃ 的濃度。這種消耗可能與 HCO₃^- 的生成過程達到相對平衡，因此 HCO₃^- 濃度變化不大。

2.3灰巖水TDS含量特征

溶解性總固體（TDS）是溶解于水中的物質總稱，通常是地下水中常規離子在水中積累的綜合反映，也反映了地下水水循環溶蝕作用及其水動力條件。

2.3.1灰巖水TDS隨深度的變化。通過收集的研究區灰巖水水質的對比分析，發現不同深度灰巖水TDS含量隨著深度的增加，TDS值變化不明顯（如圖4所示）。

圖4新集二礦灰巖水TDS含量與深度的關系

另外，收集到的新集二礦17個太灰水樣的TDS最大值為 1594mg/L ，最小值為 224mg/L ，平均值為822mg/L ，其中2401煤采區的3個太灰水樣從上到下的TDS為： C₃I 為 650mg/L ， C₃I 為 650mg/L ，C₃I 為 800mg/L ；收集到的新集二礦7個奧灰水樣的TDS最大值為 5912mg/L ，最小值為 305mg/L ，平均值為 3129mg/L ，其中2401煤采區的1個奧灰水樣TDS為 476mg/L ;收集到的新集二礦5個寒灰水樣的TDS最大值為 1526mg/L ，最小值為 649mg/L 平均值為 1164mg/L;240108 工作面附近水樣TDS值分別為 650mg/L，476mg/L，800mg/L，

圖3新集二礦灰巖水常規離子含量與深度的關系

由此，從整個新集二礦來看，不同深度灰巖水TDS含量隨著深度的增加，變化不明顯，但就2401煤采區來看，不同深度灰巖水TDS含量隨著深度的增加，呈現微弱減小趨勢。

2.3.2灰巖水水化學流場。依據水質濃度梯度場理論，在地下水循環體系中，TDS含量較低時，水流補給充沛，導致地下水滯留時間短暫，從而與周圍巖石的溶蝕及溶濾等水文地球化學過程相對較弱。相反，若TDS含量高，則水流速度減緩，補給不足，地下水滯留時間延長，與圍巖的水文地球化學相互作用更為持久。在地下水循環徑流的一般過程中，水流常表現為從TDS較低的區域向TDS較高的區域遷移的現象。外，TDS等值線的密集程度可作為評估圍巖溶蝕作用充分與否的指標：等值線越密集，表明溶蝕作用越顯著；反之，則溶蝕作用相對微弱。

根據2401煤采區內各礦井灰巖水水質TDS可以看出，研究區TDS值較低，說明地下水以淺部循環為主。奧灰水很高的TDS說明其水流交換弱。

3結論

① 研究區1煤組上覆各含水層具有良好的隔水作用；太原組灰巖含水層與奧陶系灰巖含水層對煤層開采影響較大，太原組灰巖含水層為礦區開采直接充水含水層，奧陶系灰巖含水層在導水裂隙帶的影響下，可能會稱為間接充水含水層

② 采區太原組灰巖水質類型主要為 HCO₃ Cl～Na ，奧陶系灰巖的水質類型為 Cl～Na ，寒武系灰巖的水質類型為 Cl?HCO₃～Na，2401 采區的水質類型為 SO₄?HCO₃～Na 。根據水化學piper三線圖2401煤采區與太灰水有一定水力聯系。

③ 隨著深度增加，新集二礦灰巖水中 Ca²⁺ 、Mg²⁺ ） Na⁺+K⁺ 、CI呈減小趨勢， SO₄^2- 呈增加趨勢，而HCO₃^- 隨深度增加變化不大，2401煤采區情況相同；從整個新集二礦來看，TDS含量變化不大，但2401煤采區TDS含量呈微弱減小趨勢，地下水以淺部循環為主。

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