張 俊，姚多喜，蔣 正

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031)

伴隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，煤炭資源在能源結(jié)構(gòu)中所占比重有所下降。但在目前的能源需求形勢(shì)下，煤炭仍是主要能源資源之一。加之采礦深度的不斷增大，以及更加復(fù)雜的地質(zhì)條件，煤礦安全生產(chǎn)的任務(wù)依然艱巨。水害作為煤礦五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)。皖北礦區(qū)是我國(guó)重要的煤炭產(chǎn)出基地之一，屬于華北隱伏型煤礦，水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜。根據(jù)地層特性、地下水埋藏條件、區(qū)域富水條件等，區(qū)內(nèi)各礦井主要有4個(gè)含水層，分別為：新生界松散層含水層、煤系砂巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。礦區(qū)內(nèi)煤礦開(kāi)采中普遍受到煤系頂?shù)装迳皫r水的影響，砂巖含水層突水對(duì)礦井安全生產(chǎn)存在巨大威脅。例如，1994年恒源煤礦4218、4413工作發(fā)生頂板砂巖裂隙含水層突水事故，水量分別達(dá)108m3/h、137m3/h；1980～2010年海孜礦共發(fā)生突水40余次，其中煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水突水29次，突水量2～211m3/h。

對(duì)于礦井水害的防治，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作。這些研究中，側(cè)重于對(duì)各含水層水化學(xué)(常規(guī)水化學(xué)、微量元素、稀土元素、同位素等)特征分析和突水水源的識(shí)別[1-5]，而對(duì)于頂?shù)装搴畬拥牟町惣俺梢蜓芯枯^少[6]，如陳松以皖北任樓煤礦太原組灰?guī)r含水層為例，研究了灰?guī)r含水層中稀土元素在地下水與圍巖間的分異[7]。而二疊系主采煤層頂、底板砂巖裂隙含水層(段)，屬承壓含水層，是礦井充水的直接充水含水層，因此，對(duì)于煤系地層頂?shù)装迳皫r含水層巖性結(jié)構(gòu)與特征、斷裂構(gòu)造發(fā)育情況、富水情況以及地球化學(xué)性質(zhì)等方面的差異進(jìn)行對(duì)比研究具有重要意義。本文以皖北礦區(qū)海孜礦10煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其地質(zhì)特征及常規(guī)水化學(xué)組成進(jìn)行分析，并結(jié)合水-巖相互作用關(guān)系綜合研究其特征差異及形成原因，以期為煤系砂巖裂隙含水層的水源識(shí)別及水害防治提供參考。

1 地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

海孜煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi)，屬淮北煤田臨渙礦區(qū)的北部，為典型的隱伏型煤礦，研究區(qū)地理位置及構(gòu)造特征見(jiàn)圖1。礦井范圍X=33°40′47″～33°43′50″、Y=116°34′31″～116°42′20″，東南以大馬家斷層與臨渙礦毗鄰，西以大劉家斷層為界，被近東西向的吳坊斷層切割成兩個(gè)區(qū)，即西部井(吳坊斷層以南三角區(qū))和大井(吳坊斷層以北的東西區(qū))。揭露的地層有奧陶系(老虎山組(O2l)～馬家溝組(O1m))、石炭系本溪組(C2b)太原組(C2t)、二疊系山西組(P1s)下石盒子組(P1xs)、上石盒子組(P1ss)、石千峰組(P2sh)、第三系上新統(tǒng)(N2)和第四系。主要含煤地層為二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組，含煤地層厚992.1m，煤層總厚14.28m。本區(qū)巖漿活動(dòng)較為強(qiáng)烈，1～10煤層均受到燕山早、中期不同程度的巖漿侵入作用，巖漿巖以閃長(zhǎng)玢巖為主，約占90%，次為輝長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)玢巖，主要分布在2-3線以西5煤層位以及2線以東10煤層中。地下水含、隔水層可根據(jù)其賦存介質(zhì)特征劃分新生界松散層含、隔水層(組)、二疊系煤系含、隔水層(段)、太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層(段)、本溪組鋁質(zhì)泥巖隔水層(段)和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層(段)。

圖1 研究區(qū)地理位置及構(gòu)造簡(jiǎn)圖

1.2 10煤層概況

10煤層位于二疊系山西組中部，9煤層下63～115m，平均84m。 該煤層發(fā)育較好， 為中厚～厚煤層(厚度0～6.49m，平均2.77m)， 結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單， 西部有一近南北向的古河流沖刷變薄帶， 東部巖漿巖侵蝕區(qū)煤層變薄， 局部變質(zhì)為天然焦。 大井10煤層產(chǎn)狀走向50°～300°， 傾向30°～330°，傾角10°～70°(平均18°)；西部井10煤層產(chǎn)狀走向0°～50°，傾向270°～320°，傾角5°～46°(平均9°)。10煤層底為淺灰色細(xì)砂巖與深灰色灰黑色泥巖、粉砂巖互層(葉片狀砂巖)，薄層狀波狀水平層理、透鏡狀、混濁層理發(fā)育，具底棲動(dòng)物通道；10煤層頂為淺灰色中細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，有時(shí)含深灰色泥質(zhì)、粉砂質(zhì)包體，俗稱“花砂巖”，是10煤層直接或間接頂板(見(jiàn)圖2)。10煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層(段)由2～4層中細(xì)砂巖組成，厚10～40m(平均20m)，裂隙發(fā)育不均一，在鉆探揭露時(shí)有22B1、4-518、4B1三孔漏水，漏水量6.08～12m3/h。據(jù)4-518孔抽水試驗(yàn)資料，水位標(biāo)高25.87m，q=0.061 3l/s.m，K=0.5m/d，富水性弱，礦化度1.702g/L，為HCO3·Cl-K+Na型水。10煤層至太原組第一層灰?guī)r隔水層(段)厚45～74m，一般厚度55m，由砂泥巖互層、海相泥巖及粉砂巖組成，巖性致密完整，裂隙不發(fā)育，特別是底部發(fā)育一層厚層狀海相泥巖，一般厚度20～30m，隔水性能較好。

圖2 10煤層對(duì)比示意圖

2 數(shù)據(jù)收集及分析方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

表1 海孜礦10煤層頂?shù)装寮捌渌畬映Ｒ?guī)水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)分析

注：除pH外，其余成分單位均為mg/L

2.2 分析方法

主成分分析是考察多個(gè)變量間相關(guān)性的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，主要利用降維的思想，將多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合變量(即主成分)，每個(gè)主成分都是原始變量的線性組合，各主成分之間互不相關(guān)，從而使這些主成分能反映原始變量的絕大部分信息，且所含的信息互不重疊[8]。該方法常被用作判斷某種事物或現(xiàn)象的綜合指標(biāo)，并給綜合指標(biāo)所包含的信息以適當(dāng)?shù)慕忉專(zhuān)瑥亩沂臼挛锏膬?nèi)在規(guī)律。其步驟一般如下：①對(duì)原來(lái)的p個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以消除變量在數(shù)量級(jí)和量綱上的影響；②根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)矩陣求出協(xié)方差或相關(guān)矩陣；③求出協(xié)方差矩陣的特征根和特征向量；④確定主成分，結(jié)合實(shí)際給各主成分所蘊(yùn)含的信息給與適當(dāng)?shù)慕忉尅１敬谓y(tǒng)計(jì)分析過(guò)程均利用SPSS軟件完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)特征

圖3 海孜礦地下水Piper三線圖

圖4 海孜礦主要突水水源常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)含量

因此，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史過(guò)程中，地下水與圍巖的長(zhǎng)期水——巖相互作用下，受?chē)鷰r組成、地下水動(dòng)力特征、構(gòu)造、采動(dòng)等因素影響，使得海孜礦10煤層頂?shù)装迳皫r水常規(guī)水化學(xué)特征差異明顯。

3.2 成因分析

由前文分析可知，10煤層頂?shù)装迳皫r常規(guī)水化學(xué)特征存在明顯差異，為了研究其成因，下文主要利用主成分分析并結(jié)合水——巖相互作用關(guān)系來(lái)進(jìn)行分析。

表2 海孜礦10煤頂?shù)装迳皫r水主成分分析結(jié)果

圖5 方差最大法進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)后的因子荷載圖

底板水：F1=0.273X1-0.230X2-0.130X3-0.196X4-0.108X5+0.132X6+0.222X7

F2=-0.262X1+0.104X2-0.169X3+0.722X4-0.227X5+0.161X6-0.159X7

頂板水：F1=0.370X1-0.253X2+0.307X3+0.055X4+0.041X5-0.364X6-0.046X7

F2=-0.148X1+0.430X2-0.012X3-0.329X4+0.279X5+0.140X6-0.239X7

圖6 主成分1和主成分2 得分圖

2) 水-巖相互作用。地下水水化學(xué)特征會(huì)受到多種因素的影響，常見(jiàn)的因素有地下水的補(bǔ)給、水巖相互作用(主要包括蒸發(fā)巖溶解、碳酸鹽巖溶解和硅酸鹽類(lèi)礦物的風(fēng)化等)，或者幾種作用共同進(jìn)行，并且地下水在含水層中滯留時(shí)間也起到重要作用，因?yàn)樗苯記Q定了水巖作用和離子交換的程度。對(duì)于水巖作用類(lèi)型通?？梢杂肅a2+、Mg2+和Na+及其相關(guān)比值來(lái)判定[12]。

圖7 海孜礦10煤層頂?shù)装迳皫r含水層水化學(xué)離子散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

(1)海孜礦10煤層底板巖性為淺灰色細(xì)砂巖與深灰色灰黑色泥巖、粉砂巖互層，頂板為淺灰色中細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖。

(3)主成分分析表明10煤底板水受到“脫硫酸”作用、硅酸鹽礦物的溶解及于地下水徑流作用有關(guān)，頂板水則主要是鈉鹽礦物(如芒硝)、苦鹽礦物(如苦鹽)、硅酸礦物以及石膏的溶解所致。