侯俊華

(兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 鄆城 272400)

突水一直是影響煤礦安全開采的重大問題[1-3]。礦井一旦發(fā)生突水，確定突水水源是快速解決礦井水害的關(guān)鍵[4-5]。而在水源識別的過程中，水化學方法是識別礦井突水水源的常用方法，其主要是依據(jù)不同含水層水化學特征離子的差異性來分辨的。因此，提前查明不同含水層的水化學特征對礦井水害防治是十分重要的[6-15]。為了更好地建立礦井突水水源識別模型，則需通過探討地下水水巖相互作用機理來獲得對其水化學成分的來源和控制因素的深刻理解。為此，以東灘煤礦地表水和深部的奧灰水、十下灰水水樣為研究對象，利用水化學方法進行分析，并通過因子分析揭示其水巖作用機理，目的是獲得地表水和礦井深部的奧灰水、十下灰水的水化學成分來源信息，探討各充水含水層水化學場形成機制，分析其差異性。這一研究成果對分析東灘煤礦，甚至兗州礦區(qū)的主要充水水源，有效指導水害防治工作具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

東灘煤礦井田為隱蔽式井田，上覆第四系厚度52.40～192.20 m，第四系中組厚度37.65～84.03 m，中組發(fā)育黏土4～5層，厚度23.6～75.5 m，黏土單層厚度較大，可塑性較強，因而本組隔水性能良好。礦井開采證實，中組能有效地阻隔第四系上組水對第四系下組及侏羅系砂巖水的入滲補給。3煤層頂板砂巖之上有二疊系石盒子組隔水層組，其厚度為0～199.88 m，平均77.75 m，隔水性能良好。因此，大氣降水、白馬河水、地面開采沉陷積水等地表水雖然與第四系上含水組有密切的關(guān)系，但由于第四系中組相對穩(wěn)定黏土層的阻隔，地表水對第四系下組及基巖含水層無水力聯(lián)系。

東灘煤礦1989—2018年間礦井涌水量和大氣降水量之間的關(guān)系見圖1。

圖1 礦井涌水量與降水量歷時對比曲線

由圖1對比分析可發(fā)現(xiàn)，礦井涌水量與降水量基本不存在關(guān)聯(lián)性。但關(guān)于深部地下水和地表水之間關(guān)聯(lián)性問題至今仍不明確，為此，需從水化學角度來研究地表水與礦井深部地下水之間的關(guān)系。

2 水化學類型劃分

主要分析奧灰水、十下灰水和地表水中的常規(guī)離子。共采集了28個水樣，其中9個奧灰水樣品，6個十下灰水樣品，13個地表水樣品。3種水樣的Piper對比如圖2所示。

(a)Piper菱形分區(qū)圖

3 因子分析

因子分析一般是一種從變量群中提取共性因子的方法，目的是通過簡化數(shù)據(jù)來反映原來多變量的大部分信息，在礦井突水研究中可將其用于探究突水水源判別問題[16]。對奧灰水、十下灰水和地表水按特征值大于1，且提取因子的個數(shù)累計解釋率超80%的原則，將奧灰水、十下灰水和地表水的常規(guī)離子水化學特征用2個因子表示(FA1和FA2)，其累計貢獻率分別為93.375%、90.069%和84.358%，正交旋轉(zhuǎn)后的因子荷載矩陣具體結(jié)果如表1所示。

表1 旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣

4 水巖作用機理

4.1 綜合分析

為了進一步探究3種水形成水化學作用差異性，對主要離子比值變化關(guān)系進行分析，結(jié)果如圖3所示。

(a)鈣鎂離子分別與鉀鈉離子濃度比值變化特征

圖3(c)顯示奧灰水、十下灰水和地表水離子濃度c(K++Na+)/c(Cl-)大部分大于1，說明除存在蒸發(fā)鹽溶解外，該礦區(qū)還存在硅酸鹽的溶解。而地表水中c(K++Na+)/c(Cl-)存在部分小于1的情況，說明地表水中Na+吸附了地層中的Ca2+、Mg2+，使水體中的鈉離子濃度下降。

當c(Ca2++Mg2+)/c(SO42-)比值大于1時，說明存在碳酸鹽溶解[19]；當該比值小于1時，說明存在黃鐵礦的氧化還原作用。圖3(d)顯示奧灰水和地表水該比值明顯大于1，說明奧灰水和地表水存在碳酸鹽溶解。

上述分析與因子分析結(jié)果基本一致。

4.2 基于離子濃度比值探討水化學環(huán)境

4.2.1c(Cl-)/c(Ca2+)

地下水中離子濃度c(Cl-)/c(Ca2+)比值大小是用來描述含水層的水動力特征參數(shù)，Cl-富集區(qū)域通常是水動力條件比較滯緩的，而Ca2+是低礦化度水中的主要離子，所以通常c(Cl-)/c(Ca2+)比值越大則表明該含水層的水動力條件越差，地下水補給和徑流滯緩，水循環(huán)交替作用弱，溶濾作用不充分，巖層中沉積了易溶鹽。13個地表水c(Cl-)/c(Ca2+)比值為0.39～1.37，均值為0.68；6個十下灰水c(Cl-)/c(Ca2+)比值為4.51～21.23，均值為12.33；9個奧灰水c(Cl-)/c(Ca2+)比值為0.04～0.16，均值為0.07。由此可見，十下灰水的c(Cl-)/c(Ca2+)比值均遠大于地表水和奧灰水的比值，說明十下灰水的水動力條件較差，相對滯緩，流通性較差，以靜儲量為主，是可以疏放的。該層灰?guī)r是下組煤主采16上煤層的直接頂板，楊村煤礦下組煤開采也驗證了該含水層富水性弱，具有可疏放特性。

4.2.2c(Na+)/c(Cl-)

地下水變質(zhì)程度一般可用c(Na+)/c(Cl-)比值來表征。地層封閉性、含水層水變質(zhì)程度和活動性的重要指標可通過這個比值來表示。由于Cl-很少發(fā)生吸附、沉淀和交換反應，化學性質(zhì)穩(wěn)定，而Na+可能由于吸附、沉淀等反應而減少，因此在地下水埋藏沉積后，c(Na+)/c(Cl-)比值一般都是趨于降低的，從而反映地下水的變質(zhì)程度。c(Na+)/c(Cl-)比值越大，反映含水層中的水受滲入水的影響越強，反之則反映受滲入水影響越弱[20]。

一般海水中c(Na+)/c(Cl-)的均值為0.85，因為海水以Na+為主，侵入陸相沉積物時，Na+吸附地層中的Ca2+，發(fā)生陽離子交替吸附作用，水體中的Na+濃度下降(c(Na+)/c(Cl-)<0.85)；當c(Na+)/c(Cl-)接近于1時，表明含巖鹽地層的溶濾作用在地下水起主導，自然條件下地下水中的Na+和Cl-的主要來源是巖鹽，理論上巖鹽的溶解會釋放出等量的Na+和Cl-進入溶液中。當c(Na+)/c(Cl-)比值大于1時，Cl-通常來源于細粒沉積物中的具有侵染狀巖鹽，而地下水中的Na+可能來源于除巖鹽溶解外其他不同的溶解作用。Ca2+、Mg2+和Na+等之間的陽離子交換后可以解釋含水層中Na+的高濃度原因。

13個地表水c(Na+)/c(Cl-)比值為0.59～1.69，均值為1.12；6個十下灰水c(Na+)/c(Cl-)比值為3.08～10.99，均值為5.92；9個奧灰水c(Na+)/c(Cl-)比值為2.64～8.73，均值為4.44。由此可見，3種水c(Na+)/c(Cl-)比值的均值都大于1，說明東灘煤礦所在區(qū)域地表水和地下水中存在少量鈉鹽溶解，且對巖鹽溶解不是控制Na+濃度的唯一來源，還可能存在其他機制增加地下水中的Na+濃度，如Ca2+、Mg2+和Na+之間的陽離子交換作用、自然界中硅酸鹽由水解和酸化作用而導致的風化溶解、芒硝溶解等水巖作用或人類活動所致。

4.2.3c(Na+)/c(Na++Cl-)

分析陽離子交換反應發(fā)生的可能性可結(jié)合c(Na+)/c(Na++Cl-)比值進行判斷，當比值大于0.5時，一般會發(fā)生交換作用。13個地表水c(Na+)/c(Na++Cl-)-比值為0.37～0.63，均值為0.52；6個十下灰水c(Na+)/c(Na++Cl-)比值為0.75～0.92，均值為0.84；9個奧灰水c(Na+)/c(Na++Cl-)比值為0.73～0.90，均值為0.79。由此可見，3種水c(Na+)/c(Na++Cl-)比值的均值都大于0.5，說明均發(fā)生了陽離子交替吸附作用，使c(Na+)增加。

4.2.4c(Ca2+)/c(Mg2+)

c(Ca2+)/c(Mg2+)比值大小可判斷碳酸鹽巖中方解石和白云石溶解特征，如果比值接近1，則表示白云巖是主要溶解的碳酸鹽礦物，如果比值增高，可能存在方解石的溶解，若比值大于2，則表示硅酸鹽礦物的溶解控制了主要過程。13個地表水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值為1.12～5.65，均值為3.62；6個十下灰水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值為0.42～1.97，均值為1.30；9個奧灰水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值為1.74～2.38，均值為2.08。由此可見，地表水和奧灰水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值的均值均大于2，表明這2個含水層作用過程主要為白云石、方解石的共同溶解外，還存在硅酸鹽礦物的溶解。十下灰水c(Ca2+)/c(Mg2+)比值的均值分布于1∶1線上或其附近，表明該含水層作用過程主要為以白云巖為主的碳酸鹽礦物的溶解。

5 結(jié)論

1)通過Piper三線圖獲得了東灘煤礦奧灰水主要水化學類型為Ca+Mg-SO4型，十下灰水主要水化學類型為Na-HCO3，地表水主要水化學類型為Ca+Mg-Cl+SO4，這3種水樣的水化學類型存在較大差異性，應用水化學類型方法可很好地識別這3種水源。

2)通過因子分析探究了研究區(qū)含水層水化學場來源，發(fā)現(xiàn)奧灰水存在碳酸鹽、硫酸鹽溶解和硅酸鹽風化；十下灰水存在蒸發(fā)鹽溶解、硅酸鹽風化和脫硫酸作用；地表水存在硫酸鹽溶解、碳酸鹽溶解和硅酸鹽風化。

3)蒸發(fā)鹽溶解和硅酸鹽風化是影響十下灰水的主控因素，其中蒸發(fā)鹽溶解占主導地位。而硅酸鹽風化和碳酸鹽溶解是影響奧灰水和地表水的主控因素，其中地表水的硅酸鹽風化較奧灰水和十下灰水更強。

4)基于離子濃度比值詳細探討了3種水樣的水環(huán)境變化過程及機理，通過對比分析不同離子濃度比值的變化范圍和均值，發(fā)現(xiàn)十下灰水相對滯緩，以靜儲量為主，水動力條件較差，是可以疏放的。3種水樣均存在一定程度的陽離子交替吸附作用和硅酸鹽礦物的溶解作用，但成因具有明顯差異性。