冯 琪, 马 雷, 罗江发, 贺世芳, 钱家忠
(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.淮南矿业(集团)有限责任公司煤业分公司,安徽 淮南 232095)
随着煤矿开采力度、规模和深度的逐渐增大,由采动引起的煤矿安全问题日益增多,其中矿井突水是最主要的问题之一[1]。砂岩裂隙含水层(组)是淮南矿区的主要充水含水层,该层(组)中砂岩裂隙水在采动影响下通过导水裂隙直接进入矿井,成为矿井涌水的直接来源。在开采过程中,受采动影响形成的导水裂隙和由于矿井排水形成的水位降落漏斗,使该砂岩裂隙含水层(组)与其他含水层产生水力联系,使其水量补给较充沛,给煤矿开采带来较大的安全隐患。因此,对该含水层(组)的水化学特征和形成作用进行研究,有助于查清该层(组)的突水来源和是否存在其他含水层的补给,从而为开展矿井防治水工作奠定重要基础。
针对矿井开采过程中的各种水害问题,文献[2-5]从煤层顶板砂岩裂隙的形成及富水规律方面,对煤层顶板的突水机理、充水水源及突水预测进行研究。地下水中的水化学组分是含水层信息的载体[6],对水化学特征及其形成作用进行分析,也是判别突水水源的有效方法[7-8]。文献[9]通过测试和分析常规水化学指标,判别淮北桃园北八采区砂岩水的水源,为砂岩水的防治提供依据;文献[10]利用多元统计分析等方法对淮北宿县矿区主要突水含水层中地下水样的常规离子进行分析,阐明水化学形成的控制因素,为矿井水害防治提供理论支持;文献[11]采用水化学测试及统计分析等方法对淮南顾北煤矿煤系砂岩裂隙水的成因进行研究,为矿山防治水决策的制定提供重要依据。然而,受矿区水文地质条件、补给径流排泄条件及水-岩作用等的影响,矿井地下水水化学的形成作用较为复杂,需要利用多种分析手段相互印证,提高分析结果的可靠性。
本文利用多种图解和统计分析方法,研究二叠系砂岩裂隙水水化学组分特征和形成作用,旨在为矿井充水水源的判别提供更可靠的依据,为矿区水害防治、安全开采及水资源利用提供参考。
顾桥煤矿位于淮南矿区的西部、安徽省凤台县西北,地处淮河中游、淮北平原南部,年均降水量为1 134.8 mm;研究区内总体构造形态为南北走向、向东倾斜的单斜构造,地层倾斜平缓，南北走向平均长15 km,从东到西倾斜平均宽7 km,矿区总面积为106.737 km2。
经钻孔揭露,顾桥矿井地层由下到上为奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系和新生界地层,其中含煤地层主要为二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组,含煤地层厚376 m,含煤33层,煤层总厚31.23 m。二叠系含水层(组)岩性主要为中细砂岩,夹粗砂岩和石英砂岩,分布于煤层与泥质岩之间;岩性变化大,厚度极不稳定,多泥质、钙质胶结,硅质胶结少,裂隙发育不均,且多为钙质充填。一般情况下,各砂岩含水层(组)之间不存在直接的水力联系,但与断层和裂隙导通时,可能与上覆新生界松散含水层(组)发生水力联系,接受渗流补给。在采动影响下,“三带”范围内的砂岩裂隙水将直接向矿井充水,是矿井煤层开采的主要水害。
本文共收集研究区内二叠系砂岩裂隙水水样130个,为井下取样,采样点位置分布示意如图1所示。
图1 采样点位置分布示意
由淮南矿业(集团)有限公司水质检测中心完成样本测试,测试指标包括pH值、总溶解固体(total dissolved solids,TDS)、Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-等指标。
本文采用数理统计和Piper三线图分析含水层主要离子的水化学特征;利用Gibbs图解法、离子比值法分析影响砂岩裂隙水水化学的形成作用;使用因子分析与聚类分析,进一步识别和验证地下水中的离子来源及水-岩作用。
3.1 地下水主要水化学特征
对研究区内二叠系砂岩裂隙水水样的常规离子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-,pH值和TDS进行统计分析,结果见表1所列。
表1 顾桥煤矿二叠系砂岩裂隙水水化学指标统计特征
研究区二叠系砂岩裂隙水总体呈碱性,ρTDS均值为3 004.46 mg/L,属于微咸水。水化学常规组分中阳离子以Na++K+为主,其质量浓度均值从大到小依次为Na++K+、Ca2+、Mg2+;阴离子以HCO3-为主,其质量浓度均值从大到小依次为HCO3-、Cl-、SO42-。从数据离散性分析,标准差与平均值的比值为变异系数,其反映数据在单位均值上的离散程度;地下水指标变异系数越大,在水化学组成中越不稳定,可以反映不同地下水化学成分的形成。TDS、pH值变异系数相对较小(小于1),说明二叠系砂岩裂隙水中的这些指标处于相对稳定的状态;而Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-的变异系数较大(大于1),说明这些指标在该含水层(组)中的含量处于较不稳定的状态,容易随着环境因素的变化而变化。
Piper三线图反映地下水主要离子的相对含量及一般水化学特征,可用来分析水化学成分的演变规律。二叠系砂岩裂隙水样Piper三线图如图2所示。
图2 研究区二叠系砂岩裂隙水样Piper三线图
由图2可知:研究区二叠系砂岩裂隙水主要离子中碱金属离子(Na+、K+)占比大于80%,高于碱土金属离子(Ca2+、Mg2+),占绝对优势;HCO3-、Cl-的占比高于SO42-;主要水化学类型为HCO3·Cl-Na+K型。Ca2+、Mg2+和SO42-质量浓度总体上相对较低,有少量水样ρ(SO42-)较高,可能是该地层中存在黄铁矿(FeS2),使流经的地下水中ρ(SO42-)较高,也可能是受采动影响,与其他含水层导通,发生混合作用,如与石炭系太原组灰岩存在补给通道,产生水力联系。
3.2 水化学相关性分析
运用统计学方法对水化学变量之间的相关性进行分析,可以清楚反映地下水水化学指标之间的相似性和相异性,进而判断其来源的同一性和差异性,也是研究水文地球化学过程的有效途径[12-13]。本文选取8项地下水指标,利用SPSS软件对标准化的数据进行分析,得到二叠系砂岩裂隙水的Pearson相关系数,结果见表2所列。
表2 研究区二叠系砂岩裂隙水化学指标Pearson相关系数矩阵
Pearson相关系数揭示了形成水化学类型的阳离子和阴离子之间的相关性,在二叠系砂岩裂隙水中,TDS与Na++K+、HCO3-、Cl-相关性较高,说明Na++K+、HCO3-、Cl-为地下水TDS的主要构成组分;pH值与其他各指标相关性较低,可近似认为不存在相关关系;Na++K+与阴离子存在显著的相关关系,其中与HCO3-呈高度线性相关,相关系数为0.928,与Cl-相关系数为0.807,说明Na++K+的来源与Cl-有关,可能为盐岩的溶解;Ca2+与Mg2+呈较高的相关性,说明存在相近来源,可能为碳酸盐及石膏的溶解。
3.3 离子成分来源分析
Gibbs图可以确定控制水化学的主要机制,用于研究水化学组成与气候或地质特性之间的关系。Gibbs图中控制水化学的机制可分为以下3个区域:蒸发浓缩、大气降水和岩石风化[14]。二叠系砂岩裂隙水Gibbs图如图3所示。图3中,所有的水样点大致分布在Gibbs图的中间部分,表明岩石风化与蒸发浓缩是控制地下水化学组分的主要作用。
图3 研究区二叠系砂岩裂隙水Gibbs图
在地下水研究中,通过地下水各指标含量的比值关系,可以研究某些水文地球化学问题。Na+与Cl-主要来源于岩盐的溶解,因此Na+与Cl-的关系通常被用来确定半干旱地区与盐度的相关性[15]。当γ(Na+)与γ(Cl-)的比值为1∶1,表明地下水化学成分主要是由岩盐的风化和溶滤溶解作用形成;高于该比值,表明Na+可能存在其他来源,如其他钠盐的溶解、海水入侵等。二叠系砂岩裂隙水离子关系如图4所示。
图4 研究区二叠系砂岩裂隙水离子关系
由图4a可知:二叠系砂岩裂隙水大部分水样点基本位于1∶1线以上,表明Na+不仅来源于盐岩的溶解,还存在其他来源,如硅酸盐的溶解,或者该含水层中发生阳离子交替吸附作用,因而Na+含量大于Cl-。
阳离子交替吸附作用原理是:岩土颗粒表面带有负电荷,能够吸附阳离子,在一定条件下,颗粒将吸附地下水中的某些阳离子,而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分[16]。根据γ(Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)与γ(Na+-Cl-)的比值可以判断是否发生阳离子交替吸附作用[17]。
由图4b可知,采样点的γ(Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)与γ(Na+-Cl-)呈明显的负相关关系,且较多分布在y=-0.83x+1.1直线附近,表明在地下水长期演化过程中,地下水中发生阳离子交替吸附作用,Ca2+与Mg2+将吸附于矿物颗粒表面的Na+置换出来。
研究区二叠系砂岩裂隙水中ρ(HCO3-)大于ρ(SO42-),该含水层为深部地层且为还原环境,在有机质的作用下,发生脱硫酸作用,使SO42-减少,HCO3-增加,其化学式为:
SO42-+2C+2H2O→H2S+2HCO3-。
γ(SO42-)与γ(Cl-)的比值为脱硫酸系数,常用来衡量脱硫酸强度的大小。从图4c可以看出:大部分采样点的γ(SO42-)/γ(Cl-)值在0～0.7之间,说明二叠系砂岩裂隙水受到脱硫酸作用的影响,使SO42-含量较低;γ(HCO3-)分布较分散,但在γ(SO42-)/γ(Cl-)值为0～0.7之间,γ(HCO3-)值较大,与脱硫酸作用的结果相符。
综上所述,顾桥煤矿二叠系砂岩裂隙含水层中,Na+的主要来源包括岩盐和其他钠盐的溶解,Cl-主要来源于岩盐的溶解;在地下水长期演化过程中,发生阳离子交替吸附作用和脱硫酸作用,使得Ca2+、Mg2+、SO42-含量减少,Na+和HCO3-含量增加。
3.4 因子分析
因子分析是一种常用的多变量统计分析方法,通过对数据进行分类和简化,寻找数据中最重要的变量,进而反映因子与原始变量间的内在联系[18]。将二叠系砂岩裂隙含水层130个水样的主要离子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-及TDS这7项水化学测试指标作为分析变量,利用SPSS软件进行因子分析,分析结果见表3所列。
基于初始特征值大于1的原则,通过因子分析,提取得到因子1、因子2,累积方差贡献率为77.973%。
从表3可以看出:研究区Na++K+、HCO3-、Cl-、SO42-和TDS为因子1的主要载荷变量,其载荷分别为0.975、0.879、0.823、0.806、0.651,表明这4个指标相关关系较高,与相关分析得出Na++K+、HCO3-、Cl-参与地下水TDS的形成结论相符;Mg2+和Ca2+为因子2的主要载荷变量,其载荷分别为0.795、0.534,两者可能存在同源关系,也与相关分析结果一致。
表3 二叠系砂岩裂隙水化学指标因子载荷分析结果
3.5 聚类分析
系统聚类分析是一种用于研究样本和变量之间的相似关系,按照它们之间的相似关系将其聚合成若干类的多变量统计方法。将地下水化学指标进行聚类分析,能够有效地研究离子的相似来源[19-20]。通过SPSS软件对水样数据进行系统聚类的R型聚类分析,得到的谱系图如图5所示。
图5 研究区水样水化学指标R型聚类分析谱系
聚类分析谱系图反映地下水中各离子间的亲疏关系。图5中，按欧氏距离20将变量聚为2类:Na++K+、HCO3-、Cl-、SO42-和TDS为一类,Mg2+和Ca2+为另一类。TDS与Na++K+、HCO3-、Cl-、SO42-聚为一类,说明TDS与这些地下水指标关系密切。HCO3-和Na++K+最先聚为一类,说明其为地下水中的优势阴、阳离子,水化学类型为HCO3·Cl-Na+K型,与Piper三线图分析结论一致。聚类分析将变量聚为2类,与因子分析提取得到2个因子(因子1和因子2)的结论一致。
(1)统计分析和相关分析结果表明,顾桥煤矿二叠系砂岩裂隙水常规组分中阳离子以Na++K+为主,阴离子以HCO3-为主;Na++K+、HCO3-、Cl-为地下水TDS的主要构成组分,Na++K+与Cl-有较高的来源相关性,Ca2+与Mg2+呈较高的相关性。
(2)离子比值法和Gibbs图分析结果表明:水样中Na+主要来源于岩盐和其他钠盐的溶解;Cl-主要来源于岩盐的溶解;在地下水长期演化过程中,发生了阳离子交替吸附作用和脱硫酸作用,使得Ca2+、Mg2+、SO42-含量减少,Na+和HCO3-含量增加,最终形成以HCO3·Cl-Na+K为主的地下水。
(3)因子分析结果与相关分析结果一致,且聚类分析将变量聚为2类,与因子分析提取得到2个因子的结论一致。本文采用多种方法相互印证,所得结果对相关矿井水化学特征分析具有一定的参考价值。
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