華北隱伏型煤礦主要充水含水層水化學組分來源及演化機制分析

蔣孝峰,劉少羽,吳宇罡

(華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050000)

華北型煤礦區區域構造及水文地質條件復雜多樣,整個地下水系統是由不同程度水力聯系的若干充水含水層組成[1]。區域內構造的變化、不同含水層水位的變化及采動過程中的生產、生活等都會導致水化學場要素發生改變,從而導致水文地質條件更加復雜,礦井突水事件頻繁發生。諸如:平禹一礦“10.19”寒灰特大突水[2]以及德勝煤礦8號煤層1841工作面特大突水[3]等事件造成了巨大的經濟損失,嚴重威脅了華北型煤礦的生產安全。為了“預測預報”突水,國內外學者做了大量研究工作,為了更快更準確的捕捉突水預兆期內的水化學信息,從水質類型對比、非線性分析方法[4]及多元統計學方法[5]逐漸深入到建立突水水源判別模型[6]等方法來評價礦井突水的可能性。以上類似的成果未能夠將區域地質條件和水文地質條件充分的考慮進去,僅僅將各個主要突水含水層看作孤立含水層的簡單組合,很少去探討煤層采動影響下地下水化學組分的水-巖作用及形成機理。此外平頂山地區奧陶系地層的缺失,以寒武系灰巖巖溶裂隙水作為主要充水水源。因此,研究該區域主要充水含水層水化學特征及水-巖相互作用的形成機理對礦井突水的研究具有重大的意義。

本文以河南平頂山礦區為例,在利用多元統計法對研究區主要充水含水層地下水樣分析的基礎上,結合Piper三線圖、Gibbs圖、離子組合比分析以及主成分分析,分析和討論了平頂山礦區主要充水含水層的水化學特征、水化學組分的主要來源及演化機制。

1 研究區概況

平頂山礦區區內地層與我國華北多數煤田基本一致,除缺失奧陶、志留、泥盆系及中生界外,其余均有沉積。區內現有礦井由東向西為平煤神馬集團所屬的八礦、十二礦、十礦、一礦、二礦、三礦、五礦、四礦、六礦、七礦、九礦、十一礦及香山礦,在礦區北部還有十三礦和首山一礦,是我國主要煤炭生產基地之一。礦區內主要充水含水層從下到上包括:寒武系灰巖巖溶裂隙含水層(簡稱“寒灰”)在研究區巖溶裂隙較發育,富水性中等,不均勻性強;石炭系太原組底部(L7-L11)灰巖巖溶裂隙含水層(簡稱“七灰”)位于太原組底部,在開采庚組煤層過程中,太原組底部七灰水同寒武系灰巖水溝通,其涌水量較大;石炭系太原組上部(L1-L4)灰巖巖溶裂隙含水層(簡稱“二灰”)位于太原組上部,淺部巖溶裂隙較發育,富水性好,深部巖溶裂隙發育程度與富水性減弱,層位穩定,是己組煤底板直接充水含水層;二疊系煤層頂板砂巖裂隙含水層(簡稱“砂巖”)節理裂隙發育,含水性弱～中等富水含水層,屬煤層開采時直接充水含水層,對煤層開采的影響最大。

2 水化學特組分及演化分析

為了確定平頂山礦區主要充水含水層(寒灰、七灰、二灰和砂巖)的水化學組分的來源及演化機理,收集并整理了1970-2018年間平頂山神馬集團地測處、河南理工大學、西安煤科院及平頂山各礦井在勘探及生產過程中化驗的水質資料,經過篩選及計算,1970-2018年有285個水質指標陰陽離子平衡誤差在±5%以內符合標準。其中砂巖水樣53個,二灰水樣64個,七灰水樣22個,寒灰水樣146個。1970-2018年間水樣點分布圖如圖1所示。

圖1 平頂山礦區區域地質、地下水流向及采樣點分布

2.1 主要離子分布特征及水化學類型

采用基本統計學方法對平頂山礦區1970-2018年間285個水樣數據常規離子進行分析(表1)。Piper三線圖能夠直觀反映不同含水層主要常規離子分布特征和相對豐度[7],由此繪制Piper三線圖(5-b):

表1 平頂山礦區1970-2018年地下水樣水化學指標分析

平頂山礦區4個主要充水含水層pH值均大于7,總體呈現為堿性;TDS的均值分別為626.39,527.08,538.50,513.57 mg/L,變異系數均小于0.5,礦化度整體偏差不大。平頂山礦區砂巖、二灰、七灰中陽離子均以Na+為主,而寒灰以Ca2+為主;陰離子均以HCO3-為主,其中砂巖水更為富集。平頂山礦區4個主要充水含水層陰離子質量濃度關系均為HCO3->SO42->Cl-,砂巖、二灰、七灰陽離子質量濃度關系為Na+>Ca2+>Mg2+,寒灰陽離子質量濃度關系為Ca2+>Na+>Mg2+。變異系數又稱“標準差率”,是衡量資料中各觀測值變異程度的另一個統計量[8]。常規離子變異系數大于0.5的,砂巖有Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-,二灰有Na+、Mg2+、Cl-、SO42-,七灰有Na+,寒灰有Na+、Mg2+、Cl-、SO42-。常規離子的變異系數越大,在水化學組成成分中表現越不穩定,越能體現不同含水層水化學成分形成作用。平頂山礦區主要充水含水層中寒灰主要水化學類型為HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,還有少部分HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型,七灰主要水化學類型為HCO3-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg,還有少部分HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型;二灰主要水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca型,還有少部分HCO3-Na、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Na、HCO3·SO4-Na·Mg型;砂巖主要水化學類型為HCO3-Na型,還有少部分HCO3·Cl-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Ca·Na·Mg型。

2.2 水化學成分控制作用

Gibbs圖能夠清晰地展現自然界水體的水化學組成及其變化規律[9],主要是利用地下水不同水體中TDS與Na+/(Na++Ca2+)及Cl-/(Cl-+HCO3-)的比值關系,判斷研究區內主要離子的來源受巖石風化作用、大氣降水作用及蒸發-濃縮作用中哪一種或哪幾種作用控制。水樣數據中TDS含量基本上都大于100 mg/L,說明礦區主要充水含水層中水化學成分受大氣降水影響微弱。陽離子Gibbs圖中(圖2-a)寒灰、七灰、二灰分布位置少部分位于Na+/(Na++Ca2+)上部,大部分比值低于0.5,表明這三個含水層中的水化學離子組成主要受巖石風化溶濾的影響;砂巖水樣分布位置與其他3個含水層水樣位置恰好相反,主要受到蒸發-濃縮作用影響較大。然而,陰離子Gibbs圖(圖2-b)中4個主要充水含水層的水化學離子組成主要受巖石風化溶濾作用影響。在地下水中Cl-有兩點特性,一是不被土壤顆粒表面吸附,二是很少與礦物中的其他離子發生反應,是作為地下水離子來源的參考依據。因此以TDS與Cl-/(Cl-+HCO3-)陰離子Gibbs圖(圖2-b)中所反映信息作為主要參考依據。陰離子Gibbs圖顯示,除二灰有2個水樣點分布位置大于0.5,其他所有水樣點分布位置均小于0.5。因此,研究區主要充水含水層水化學主要離子的來源主要受巖石風化溶濾作用。

(a) (b)

2.3 離子組和比分析

地下主要充水含水層的水化學組分及形成作用,可以通過陰陽離子間的比值關系進行探究[10]。地下水中Cl-含量相比其他離子來說較為穩定,α(Na+)/α(Cl-)的比值通常用來揭示Na+的來源。圖3-a能夠看出平頂山礦區寒灰、二灰和部分七灰的水樣點主要分布在α(Na+)/α(Cl-)=1比例線附近,說明巖鹽溶解是這些充水含水層Na+的主要來源;另一部分寒灰、七灰α(Na+)/α(Cl-)>1,是由于寒灰頂部及七灰底部可能存在一層鋁土質泥巖,粘土含量高,水流動的速率慢,陽離子的交替吸附作用增強,有利于Na+的充分交換和聚集。而且水化學α(Na+-Cl-)/(α(Ca2++Mg2+)-α(SO42-+HCO3-))比值關系可以反映陽離子交替吸附作用強度。由圖3-b可以看出主要充水含水層的水樣點均分布在斜率為-1的直線附近,故陽離子交替吸附作用導致Na+升高,Ca2+、Mg2+減少,方程式(2)、(3)如下:

圖3 平頂山礦區地下水主要離子相關關系圖

(2)

(3)

2NaAlSi3O8+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

(4)

一般來說,地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-的來源與碳酸鹽巖(方解石、白云石)、硫酸鹽巖(石膏)的溶解相關,溶解方程式如下:

CaCO3+H2CO3→Ca2++2HCO3-

(5)

CaMg(CO3)2+2H2CO3→Ca2++Mg2++4HCO3-

(6)

CaSO4·2H2O→Ca2++SO42-+2H2O

(7)

2.4 主成分分析

利用SPSS軟件中相應的主成分分析原理,將平頂山礦區主要充水含水層285個水樣數據中具有相關性的分析變量Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、及TDS重新組合成新的少數幾種相互無關的綜合變量稱為主成分我們將其定義(F1,F2,…,Fn),此外主成分載荷值是主成分分析中原始變量與主成分之間的相關系數,而荷載值與相應分析變量乘積的累加值可以得到每個充水含水層水樣點對應的主成分荷載得分將其定義為(SF1,SF2,…,SFn)。通過主成分荷載值及荷載得分值[11],能夠解釋主要充水含水層中主要離子成分的水-巖相互作用及其演化機制。

對平頂山礦區主要充水含水層的285個水樣數據進行主成分分析,從表2中能夠看出主成分F1的方差貢獻率為48.058%,主成分F2的貢獻率為28.145%,二者累計貢獻率為76.203%,基本上涵蓋了整個礦區主要充水含水層的地下水化學信息[12]。圖4是利用方差最大旋轉法得到的各分析變量在主成分F1為橫坐標、主成分F2為眾坐標的荷載分布圖。由圖4看出在主成分F1上HCO3-、Na+、Cl-和TDS具有較高的正荷載值,Na+的高荷載值主要是由于硅酸鹽礦物的風化作用及陽離子的交替吸附作用所導致;HCO3-荷載值高是因為硅酸鹽礦物的溶解及在封閉環境中氧氣耗盡SO42-在脫氧菌的作用下發生還原作用;Na+和Cl-的荷載值高(即主要充水含水層中高Na+、Cl-),通常情況下高礦化度地下水以Na+、Cl-為主。在主成分F2上Ca2+、Mg2+和SO42-具有較高的正荷載值,根據已經收集的平頂山礦區資料顯示,各個充水含水層與礦區煤層都有著直接或間接的關系,煤層的采動生產活動或多或少的影響著地下水的運移及地下水化學的形成。

表2 應用方差最大旋轉法得主成分的荷載值、特征值及貢獻率

圖4 平頂山礦區地下水各變量在F1和F2上的荷載分布

由于煤層中含有一定成分的硫,這種硫經常以硫化物和有機硫的形式存在,因此煤礦區的地下水常常因硫的氧化而具弱酸性,氧化生成的酸性水,和各個充水含水層周圍含鈣的巖石(碳酸鹽巖、硫酸鹽巖等)發生化學反應,經過一系列連續地反應,地下水中HCO3-含量逐漸增加,pH值也隨之增大,將弱酸性水變為弱堿性水,使得碳酸鹽巖及硫酸鹽巖加速溶解,從而導致Ca2+、Mg2+及SO42-的正荷載值較高,故主成分F2軸可用于解釋黃鐵礦的氧化作用和碳酸鹽巖、硫酸鹽巖的溶解作用。相關的反應化學方程式如下:

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4

(8)

4FeSO4+2H2SO4+O2→2Fe(SO4)3+2H2O

(9)

Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3↓+3H2SO4

(10)

H2SO4+CaCO3→CaSO4+CO2+H2O

(11)

CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2

(12)

將平頂山礦區285個水樣點數據的主成分F1-主成分F2荷載得分結果SF1-SF2繪制成散點圖5-a,結合水化學類型Piper三線圖5-b可知:

(a) (b)

(1)由圖5-a可以看出寒灰水樣點主要位于主成分荷載得分SF2坐標軸零線附近及上方,說明寒灰受到黃鐵礦氧化作用微弱,但受碳酸鹽巖、硫酸鹽巖的溶解作用,并伴隨著一定程度著脫氧酸作用及陽離子的交替吸附作用。對比2010前與2010-2018年水樣點數據,能夠看出寒灰受采礦活動的影響較大,水樣點的位置明顯向右上移動,說明地下水徑流條件的變化導致碳酸鹽巖(白云石)、硫酸鹽巖的風化溶解作用增強。根據Piper三線圖(圖5-b)分析結果,2010前寒灰以HCO3-、Ca2+、Mg2+為主,而2010-2018寒灰以HCO3-、Na+、Ca2+、SO42-為主,2010前鹽巖溶解為寒灰水中Na+的主要來源,2010-2018由于陽離子的負交替吸附作用導致Na+增多,Ca2+、Mg2+減少,而寒灰中HCO3-、Ca2+、Mg2+、SO42-主要來自碳酸鹽巖(白云巖)與硫酸鹽巖的溶解作用,此外SO42-的增多,可能是因為后期采礦擾動的影響下部分黃鐵礦發生氧化作用或石膏溶解的增強。

(2)圖5-a中砂巖主要位于主成分荷載得分SF1軸線下方,說明主要受硅酸鹽巖的風化作用影響;少部分砂巖的水樣點位于主成分荷載得分SF2軸零線附近,說明碳酸鹽巖與石膏的溶解作用對砂巖水化學形成組分影響微弱。對比2010年前與2010-2018年間的的水樣點分布,砂巖沿著SF2軸向上移動,說明后期砂巖受采礦擾動,地下水徑流條件的變化,導致硅酸鹽巖風化溶蝕作用增強,水化學成分發生改變。由圖5-b可以看出2010年前主要以HCO3-、Na+為主,Ca2+、Mg2+相對較少;然而2010-2018年間主要以HCO3-、Na+、Ca2+、SO42-為主,進一步驗證了水樣點分布位置改變的合理性。

(3)圖5-a中七灰主要位于主成分荷載得分SF1軸線上方,而且大部分位于右側,說明七灰主要受黃鐵礦氧化作用與碳酸鹽巖(方解石)溶解作用的影響。對比2010年與2010-2018年間的的水樣點分布,七灰沿著SF2略向右上移動,說明采礦擾動下,地下水徑流條件的變化,黃鐵礦氧化作用增強,碳酸鹽巖風化溶蝕增強。由圖5-b可以看出2010年前和2010-2018年七灰水化學主要以HCO3-、Ca2+、SO42-為主,離子組分變化不大。

(4)圖5-a中二灰部分分布在砂巖水的聚集區,主要是由于兩個充水含水層距離較近,采礦影響下砂巖混合的結果,而另一部分二灰分布點位置與七灰位置類似,這與灰巖成分的相似性相關。對比兩個時間段的分布,二灰分布位置向上移動,說明采礦擾動下,地下水徑流條件的變化,存在著黃鐵礦氧化作用導致碳酸鹽巖的加速溶解。由圖5-b可以看出2010前主要以HCO3-、Ca2+、Na+為主,然而2010-2018改變為主要以HCO3-、Ca2+、SO42-,同樣證明黃鐵礦的氧化作用對離子組分有較大的影響。

3 結語

(1)平頂山礦區主要充水含水層pH值均大于7,總體呈弱堿性。寒灰主要水化學類型HCO3-Ca·Mg和HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型,其中Na+、Mg2+、Cl-、SO42-變異系數大;七灰水主要水化學類型為HCO3-Ca及HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,其中Na+的變異系數大;砂巖水的主要水化學類型為HCO3-Na型,其中Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-變異系數大;二灰水主要水化學類型為HCO3-Ca及HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,也有部分HCO3-Na型,其中Na+、Mg2+、Cl-、SO42-變異系數大。水化學的離子組分變異系數越大,越能夠深層次反映不同地下水水化學成分的形成作用。

(2)對平頂山礦區285個地下水水樣的常規離子分析結果表明,平頂山礦區主要充水含水層水化學組分的形成作用主要受巖石風化溶濾作用的影響,大氣降水及蒸發-濃縮作用影響相對較微弱。平頂山礦區地下水化學常規離子的來源主要有陽離子交替吸附作用,鹽巖、硅酸鹽巖、碳酸鹽巖及硫酸鹽巖的溶解,黃鐵礦的氧化及脫氧酸作用。其中寒灰、二灰、七灰中Na+、Cl-主要來自鹽巖溶解;砂巖中Na+主要來自硅酸鹽礦物及鹽巖的溶解,Cl-主要來自鹽巖溶解;七灰與寒灰Ca2+、Mg2+、HCO3-及SO42-主要來自碳酸鹽巖與硫酸鹽巖的溶解;砂巖中Ca2+、Mg2+及SO42-主要來自碳酸鹽巖和硫酸鹽巖的溶解,HCO3-主要來自硅酸鹽巖及碳酸鹽巖的溶解;二灰的Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、HCO3-及SO42-的主要來源一部分與七灰相同,一部分與砂巖相同,這主要跟砂巖的混入有關。

(3)采煤擾動下,地下水徑流條件的變化導致平頂山礦區主要充水含水層地下水與圍巖的接觸的水動力發生改變,寒灰水與白云石、石膏的溶解作用增強;砂巖水與硅酸鹽巖的溶蝕作用增強;二灰和七灰水黃鐵礦氧化作用及方解石溶解作用增強。各主要充水含水層水化學組分的形成作用及演化機制發生改變,這對后期的平頂山煤礦區突水判別具有重大的意義。