新集二礦2401工作面灰?guī)r含水層水文地球化學(xué)特征研究

關(guān)鍵詞：淮南煤田；灰?guī)r含水層；水文地球化學(xué)特征

中圖分類號：P641 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)的礦井作業(yè)重心逐步深人到更為復(fù)雜且深層的區(qū)域。當(dāng)開采深度達(dá)到 705m 左右時(shí)，諸如突水事件、頂板穩(wěn)定性等災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度呈明顯梯度上升趨勢，增加了災(zāi)害治理的復(fù)雜性。其中，太原組灰?guī)r含水層與奧陶系灰?guī)r含水層對于煤炭的安全開采具有深遠(yuǎn)影響2。因此，對含水層的水文地球化學(xué)特征進(jìn)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(xué)特征及變化規(guī)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(dǎo)作用。

目前，礦井灰?guī)r含水層的研究主要聚焦于防治水方案設(shè)計(jì)、含水層內(nèi)部水力連通性及富水性分析等方面，針對各灰?guī)r含水層的水文地球化學(xué)特征的綜合性研究較少。Martinez3于2017年綜合運(yùn)用水力梯度圖、多元統(tǒng)計(jì)分析等手段，構(gòu)建一個(gè)三維地質(zhì)模型，旨在探究不同含水層間的水力聯(lián)系。呂玉廣等4依據(jù)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(xué)特性進(jìn)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(qū)含水層水文地球化學(xué)特征研究方法包括Piper三線圖法、水化學(xué)類型劃分法、礦物飽和指數(shù)評估法和聚類分析法7等。此外，隨著研究的持續(xù)深人，學(xué)者們逐漸認(rèn)識到只有將水文地質(zhì)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(guān)問題[8。本研究以淮南市新集二礦及其內(nèi)部2401采區(qū)為研究對象，通過對各灰?guī)r含水層的水質(zhì)類型及常規(guī)離子含量變化規(guī)律的探索，系統(tǒng)總結(jié)其水化學(xué)特征，以期為后續(xù)工作面水害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1礦井及采區(qū)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(qū)坐落于新集二礦的第二水平1煤采區(qū)，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(nèi)最底部的主采煤層。在2401采區(qū)對應(yīng)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(qū)內(nèi)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(qū)域。采區(qū)的中部主要是新集二礦因采煤活動(dòng)產(chǎn)生的塌陷積水區(qū)，在汛期時(shí)，積水區(qū)會與花家湖的水域連成一體。此外，采區(qū)的西南部存在一片無煤區(qū)域，在其東南側(cè)，則與新集二礦的工業(yè)廣場保護(hù)煤柱相對應(yīng)（如圖1所示）。

1.2采區(qū)灰?guī)r水文地質(zhì)

研究區(qū)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?guī)r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?guī)r巖溶裂隙含水層與奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。1煤組上覆各含水層回采時(shí)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?guī)r巖溶裂隙水的威脅，且存在因垂向隱伏導(dǎo)水構(gòu)造而引發(fā)的奧陶系灰?guī)r異常突水的風(fēng)險(xiǎn)，對工作面中煤層開采影響較大。

圖12401采區(qū)治理區(qū)域四鄰關(guān)系

① 太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層。太原組灰?guī)r總厚度介于 87.82～147.91m ，平均厚度約為105.93m ；其中，灰?guī)r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?guī)r在全區(qū)范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。此外， C₃I 組灰?guī)r距1煤底板的距離為 13.46～19.12m ，平均厚度為 17.91m 。

根據(jù)含（隔）水層太原組灰?guī)r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(jù)單位涌水量值為 0.000 0147～0.009L/（s.m） ，表現(xiàn)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?guī)r組成。依據(jù)單位涌水量值為0.000 08～0.00052L/（s.m） ，表現(xiàn)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?guī)r組成。依據(jù)單位涌水量值為 0.000 05～0.000 62L/（s.m） ，表現(xiàn)為弱富水性。

正常的開采過程不會引起太原組灰?guī)r突水現(xiàn)象，但諸如斷層等地質(zhì)構(gòu)造的存在可能會削弱1煤層底板隔水巖柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，甚至引發(fā)其破裂，進(jìn)而使得灰?guī)r水成為1煤層開采過程中直接的充水來源。

② 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。奧陶系灰?guī)r主要由白云巖與白云質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成，其頂部多為灰色 ～ 灰褐色為主，巖體地質(zhì)致密堅(jiān)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(fā)現(xiàn)大型溶洞。根據(jù)礦井鉆探結(jié)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(gè)鉆孔中，僅有3個(gè)在揭露奧陶系灰?guī)r時(shí)發(fā)生了耗漏現(xiàn)象，漏水孔率為 9.68% ，且均集中于井田的南部區(qū)域。其單位涌水量 q 介于 0.00037～ 0.722L/（s.m） ，表現(xiàn)為弱 ～ 中等富水性，水位標(biāo)高則在 -45.19～59.90m 。

在采區(qū)2401內(nèi)部，存在3個(gè)鉆孔（水102孔、水101孔及水0401孔）揭露了奧陶系灰?guī)r，根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其單位涌水量為 0.0174L/（s.m） ，滲透系數(shù)為 0.0553m/d ，顯示出較弱的富水性，但相較于太原組灰?guī)r水仍有一定優(yōu)勢。因此，在一般情況下，奧陶系灰?guī)r水不會對1煤層的開采構(gòu)成直接的突水威脅。

2水文地球化學(xué)特征

2.1水化學(xué)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(xué)數(shù)據(jù)，部分統(tǒng)計(jì)信息見表1。由表1可知，太原系灰?guī)r含水層的水質(zhì)類型以 SO₄?HCO₃～Na 為主，并一般表現(xiàn)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(dòng)于 7.29～ 11.8，而礦化度值則為 0.224～1.594g/L_? 。奧陶系灰?guī)r含水層的水質(zhì)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(dòng)于 7.46～ 11.7，而礦化度值為 0.305～5.912g/L 。寒武系灰?guī)r含水層，其主要水質(zhì)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(dòng)，礦化度值則位于 0.649～1.526g/L 的范圍內(nèi)。這些差異可能是由于地下水徑流條件、補(bǔ)給來源和循環(huán)速度等多種自然因素的影響，不同地層中的水化學(xué)成分呈現(xiàn)出一定的變異性。

依據(jù)新集二礦常規(guī)水化學(xué)數(shù)據(jù)，包括太原組灰?guī)r含水層、奧陶系灰?guī)r含水層、寒武系灰?guī)r含水層三組含水層數(shù)據(jù)，繪制了相應(yīng)含水層的水化學(xué)piper三線圖，如圖2所示。由圖2可以看出，在三角形區(qū)域內(nèi)奧灰水和寒灰水兩個(gè)含水層陽離子重疊度較高，主要表現(xiàn)為左下角三角形中數(shù)據(jù)點(diǎn)聚集， K⁺+Na⁺ 含量很高， Mg²+ ） Ca²+ 含量很少；而陰離子比較分散，表現(xiàn)為太原組灰?guī)r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?guī)r水在陰離子方面具有一定的區(qū)分度。在菱形區(qū)域內(nèi)，從陽離子含量方面看，灰?guī)r水 Mg²⁺ 、 Ca²⁺ 含量小于 K⁺+Na⁺ ;從陰離子方面看，灰?guī)r水的強(qiáng)酸根大于弱酸根。

圖2新集二礦煤采區(qū)灰?guī)r水 圖

表1新集二礦礦井水樣水化學(xué)特征（部分?jǐn)?shù)據(jù)展示）

綜上所述，新集二礦的灰?guī)r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(jié)合鉆孔位置，水0401、水0403及水0404位于2401采區(qū)內(nèi)部，可推測采區(qū)水質(zhì)類型主要為 SO₄?HCO₃～Na 。

2.2灰?guī)r水常規(guī)離子含量隨深度變化特征

通過對新集二礦及2401采區(qū)內(nèi)部灰?guī)r水的離子含量進(jìn)行分析，可以得出隨著開采深度的增加，灰?guī)r水中的陰、陽離子出現(xiàn)顯著的變化（如圖3所示）。這種灰?guī)r水中常規(guī)離子含量的差異性，主要?dú)w因于含水層中介質(zhì)的特性及地下水所處地質(zhì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。

①Ca²⁺ / Mg²⁺ 隨深度增加呈減小趨勢。灰?guī)r水中的 Mg²⁺ 與 Ca²⁺ 含量受含水介質(zhì)（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(huán)條件逐漸惡化，導(dǎo)致部分 Ca²⁺ 與 Mg²⁺ 因沉淀作用而被消耗，進(jìn)而呈現(xiàn)出含量減少的趨勢。

②K⁺ 、Na+離子濃度呈出現(xiàn)微弱下降趨勢。在地下水遷移流動(dòng)的過程中，存在與周圍巖石發(fā)生離子交換反應(yīng)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(jìn)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(dǎo)致地下水中 K⁺ 和 Na⁺ 濃度的降低。

③ CI質(zhì)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(fā)生交換反應(yīng)，或者被地下水中的其他物質(zhì)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(jīng)氧化作用形成 SO₄^2- 離子，經(jīng)溶濾作用進(jìn)入太灰水中，深部巖溶地下水循環(huán)交替緩慢，居留時(shí)間較久，使得太灰水中 SO₄^2- 含量呈增高趨勢。

⑤HCO₃^- 質(zhì)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(fā)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(dá)到相對平衡，因此 HCO₃^- 濃度變化不大。

2.3灰?guī)r水TDS含量特征

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

2.3.1灰?guī)r水TDS隨深度的變化。通過收集的研究區(qū)灰?guī)r水水質(zhì)的對比分析，發(fā)現(xiàn)不同深度灰?guī)r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?guī)r水TDS含量與深度的關(guān)系

另外，收集到的新集二礦17個(gè)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(qū)的3個(gè)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(gè)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(qū)的1個(gè)奧灰水樣TDS為 476mg/L ;收集到的新集二礦5個(gè)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?guī)r水常規(guī)離子含量與深度的關(guān)系

由此，從整個(gè)新集二礦來看，不同深度灰?guī)r水TDS含量隨著深度的增加，變化不明顯，但就2401煤采區(qū)來看，不同深度灰?guī)r水TDS含量隨著深度的增加，呈現(xiàn)微弱減小趨勢。

2.3.2灰?guī)r水水化學(xué)流場。依據(jù)水質(zhì)濃度梯度場理論，在地下水循環(huán)體系中，TDS含量較低時(shí)，水流補(bǔ)給充沛，導(dǎo)致地下水滯留時(shí)間短暫，從而與周圍巖石的溶蝕及溶濾等水文地球化學(xué)過程相對較弱。相反，若TDS含量高，則水流速度減緩，補(bǔ)給不足，地下水滯留時(shí)間延長，與圍巖的水文地球化學(xué)相互作用更為持久。在地下水循環(huán)徑流的一般過程中，水流常表現(xiàn)為從TDS較低的區(qū)域向TDS較高的區(qū)域遷移的現(xiàn)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(biāo)：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(jù)2401煤采區(qū)內(nèi)各礦井灰?guī)r水水質(zhì)TDS可以看出，研究區(qū)TDS值較低，說明地下水以淺部循環(huán)為主。奧灰水很高的TDS說明其水流交換弱。

3結(jié)論

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

② 采區(qū)太原組灰?guī)r水質(zhì)類型主要為 HCO₃ Cl～Na ，奧陶系灰?guī)r的水質(zhì)類型為 Cl～Na ，寒武系灰?guī)r的水質(zhì)類型為 Cl?HCO₃～Na，2401 采區(qū)的水質(zhì)類型為 SO₄?HCO₃～Na 。根據(jù)水化學(xué)piper三線圖2401煤采區(qū)與太灰水有一定水力聯(lián)系。

③ 隨著深度增加，新集二礦灰?guī)r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(qū)情況相同；從整個(gè)新集二礦來看，TDS含量變化不大，但2401煤采區(qū)TDS含量呈微弱減小趨勢，地下水以淺部循環(huán)為主。

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