苗道軍,楊 偉,尹 勇,關立國,阿依別克·莫合塔爾汗,蘇林青,黨亞堃

(1.國能新疆寬溝礦業(yè)有限責任公司,新疆 昌吉 831299;2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭作為中國重要的能源,其開采和消耗居世界前列[1]。然而煤礦區(qū)水文地質條件復雜,地下水系統(tǒng)一般是由多個含水層組成,并且各個含水層之間水力聯(lián)系密切[2-3]。煤層的規(guī)模化開采會擾動地層結構,使得巖體破壞和水循環(huán)條件發(fā)生改變,進而引起水資源污染,水資源的浪費以及地表和地下環(huán)境的破壞等問題[4-6]。而地下水的水化學成分的組成是地下水和地層環(huán)境相互作用的產物,通過對地下水化學條件的分析可以闡明地下水演化的本質,厘清地下水循環(huán)途徑以及有效判別礦井突水水源等[7-9]。因此煤礦區(qū)地下水化學特征和演化規(guī)律的研究極為重要。

地下水水化學成分的形成是十分復雜的過程,與降水、地表水、地下水圍巖條件、水動力條件和人類活動等共同作用,綜合反映水巖作用的物化結果及其平衡條件,因此常用多組變量綜合衡量[10-11]。迄今為止,離子比例系數(shù)法、Piper圖和Gibbs圖等研究方法是較為成熟且應用廣泛的研究手段[12-14]。

以寬溝煤礦為研究對象,通過綜合運用Piper圖、Gibbs圖、離子比例系數(shù)法和Schoeller圖等方法對寬溝煤礦地下水、地表水和礦井水水化學特征和演化規(guī)律進行分析,并且以寬溝煤礦各水體的 Cl-濃度為度量,定量計算它們之間的水力聯(lián)系程度,旨在為寬溝礦區(qū)礦井水防治提供理論和依據(jù)。

1 研究區(qū)地質概況及樣品采集

1.1 研究區(qū)地質概況

寬溝煤礦行政區(qū)劃隸屬新疆市昌吉州呼圖壁縣雀爾溝鎮(zhèn),位于天山北麓的中低山區(qū)。地形南高北低,微地形呈陡坎狀。研究區(qū)受山區(qū)的影響,氣候較濕潤,年平均降水量411.88 mm,蒸發(fā)量1 590.1 mm,年平均氣溫6.19 ℃。

研究區(qū)地表水系為白楊溝河和呼圖壁河,白楊溝河從西向東橫貫寬溝礦區(qū)南部邊界外,匯入呼圖壁河后呈北東向流經礦區(qū)東側。根據(jù)巖性組合、水力聯(lián)系,本區(qū)含水巖組分為3類,即:第四系沖洪積孔隙潛水含水巖組(Ⅰ)、中侏羅統(tǒng)頭屯河組孔隙裂隙含水巖組(Ⅱ)、中侏羅統(tǒng)西山窯組孔隙裂隙承壓含水巖組(Ⅲ)。各含(隔)水巖組特征如圖1所示。含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組,可采煤層共6層,編號為B0、B1、B2、B3、B41、B42。本區(qū)地下水的補給以區(qū)域南部中高山區(qū)地下水由西南向東北徑流補給為主,其次為地表河流的入滲補給,據(jù)南部礦井排水量觀測,排水量不隨地表水動態(tài)變化而變化,說明地表水補給緩慢。地下水排泄主要有向呼圖壁河排泄和礦井疏干排水2種。

1.2 樣品采集與分析

為了解寬溝礦區(qū)地下水水化學特征及演化規(guī)律,于2022年5月共采集研究區(qū)水樣13組,分別是3組白楊溝河水水樣、6組礦區(qū)承壓水水樣(B1和B2煤層頂板水)和4組礦井水水樣,具體取樣位置如圖2所示。

圖2 研究區(qū)地理位置和采樣點分布Fig.2 Distribution of geographical locations and sampling points in the study area

2 研究結果及其分析

2.1 研究區(qū)一般水化學特征

表1 研究區(qū)地表水、地下承壓水和礦井水水化學組分含量Table 1 Chemical components of surface water,underground confined water and mine water in the study area

2.2 水化學類型

Piper三線圖是判斷水化學類型最常用的方法,根據(jù)寬溝煤礦各水樣的主要離子含量繪制Piper三線圖如圖3所示。

1-硫酸鈣型;2-碳酸氫鈣型;3-碳酸氫鈉型;4-氯化鈉型;A-鈣型;B-無特征型;C-鎂型;D-鈉型;E-碳酸氫型;F-硫酸型;G-氯型圖3 研究區(qū)水化學成分Piper三線圖Fig.3 Piper trilinear diagram of hydrochemical composition in the study area

地表水的陽離子遠離Na+K端元,而礦井水和地下水的陽離子靠近Na+K端元,對于陰離子而言,所有類型的水樣都靠近HCO3端元。研究結果表明,地表水水化學類型為HCO3-Ca和SO4-Ca,而地下水和礦井水的水化學類型為HCO3-Na型。同時也說明地下水與礦井水聯(lián)系緊密,而地表水和地下水聯(lián)系稍弱。

2.3 水化學形成作用分析

水巖作用伴隨地下水和地表水運移過程的始終,但在特殊的地質環(huán)境中,大氣降雨和蒸發(fā)有時會成為水體水化學特征的主要影響因素。Gibbs圖是研究地表水與地下水中化學成因主要方法,其利用水體中各離子濃度與TDS之間的關系將主要離子形成因素分為蒸發(fā)結晶作用、巖石風化作用和降水作用3種[15]。

繪制研究區(qū)各水體的Gibbs圖如圖4所示,結果顯示,地下承壓水和礦井水Na+濃度遠高于Ca2+濃度,并且礦井水和地下承壓水的水樣點聚集緊密,而地表水與礦井水的水樣點散度較大,這也表明地下水和礦井水聯(lián)系密切。在Gibbs圖中,對于中度TDS的水體,如果Na/(Na+Ca)和TDS比值或Cl/(Cl+HCO3)和TDS的比值小于0.5表示該類水體的離子形成主要來源于巖石風化作用[16]。對于Cl/(Cl+HCO3)和TDS的關系圖,研究區(qū)所有水體樣點全部落入巖石風化作用區(qū)框內。而在Na/(Na+Ca)和TDS的關系圖中,部分地下水和礦井水樣點落在框外。此框是學者統(tǒng)計大量水樣點所得結果,但是由于本地區(qū)水文路徑、地域特性以及人為采煤活動的影響,使得部分地區(qū)水樣點落在框外[17]。分析研究區(qū)所有水體的水化學指標均受巖石風化作用控制。

圖4 研究區(qū)水樣Gibbs圖Fig.4 Gibbs of water samples in the study area

2.4 離子交換作用

通過Schooll圖可以查明所有水樣總體離子的變化規(guī)律。如圖5所示,地下承壓水和礦井水除了Ca2+外,其他所有離子濃度均高于地表水,并且地下承壓水和礦井水各離子濃度沒有明顯的變化趨勢。

圖5 研究區(qū)主要水化學離子Schooll圖Fig.5 Schooll diagram of main hydrochemical ions in the study area

研究區(qū)所有水體中碳酸氫根含量較高,而地下承壓水中和礦井水中Ca2+和 Mg2+含量較低,相反Na+含量較高。這是地下水在運移過程中發(fā)生了離子交替吸附作用,即含水層巖土顆粒吸附地下水中Ca2+和 Mg2+,并將Na+轉化為地下水中的組分,使得地下水中Na+含量增加。地下水中陽離子交換反應化學方程式為

2Na++(Ca,Mg)X2?(Ca,Mg)2++2NaX

(1)

(Ca,Mg)2++2NaX?2Na++(Ca,Mg)X2

(2)

2.5 主要離子來源分析

圖6 研究區(qū)離子比值關系Fig.6 Ion ratio relations in the study area

2.6 地表水、承壓水以及礦井水之間的水力聯(lián)系

通過Piper三線圖、Gibbs圖和Schooll圖可以定性表明地下水與礦井水聯(lián)系緊密,而地表水與礦井水聯(lián)系較弱,但其水力聯(lián)系程度,需要進一步定量研究。因為Cl-是含水層中極為穩(wěn)定的離子,其濃度只受地層控制。因此通過式(3)來判斷各水體之間水力聯(lián)系

(3)

式中,如果K<0.2,表示2種水體的水力聯(lián)系高;如果0.20.4,代表2種水體無水力聯(lián)系。通過寬溝煤礦地表水、地下承壓水和礦井水水樣數(shù)據(jù),計算得到各水體水力聯(lián)系見表2,地表水與礦井水和承壓水的聯(lián)系度分別為0.276和0.283,聯(lián)系程度等級為中等,而地下承壓水和礦井水的聯(lián)系度為0.009,兩者聯(lián)系程度較高。

表2 研究區(qū)地表水、承壓水和礦井水水力聯(lián)系程度Table 2 Hydraulic connection degree of surface water,confined water and mine water in the study area

3 結論

(2)地表水水化學類型為HCO3-Ca型和SO4-Ca 型,礦井水和地下承壓水的水化學類型為HCO3-Na型。

(3)寬溝礦區(qū)地表水、地下承壓水以及礦井水化學組分主要受巖石風化作用控制。其中地表水主要離子來源于碳酸鹽礦物的溶解,而承壓水和礦井水的主要離子來源為硅酸鹽礦物的溶解,并且研究區(qū)地層中有一定量的硫酸鹽礦物。

(4)地表水與礦井水和地下承壓水的聯(lián)系度分別為0.276和0.283,聯(lián)系程度等級為中等,而承壓水和礦井水的聯(lián)系度為0.009,兩者聯(lián)系程度較高。