地下水化学特征在新庄孜涌水水源判别模式中的应用

安徽淮南矿业集团新庄孜煤矿 党保全

安徽理工大学地球与环境学院 姚多喜 王 俊

地下水化学特征在新庄孜涌水水源判别模式中的应用

安徽淮南矿业集团新庄孜煤矿 党保全

安徽理工大学地球与环境学院 姚多喜 王 俊

新庄孜煤矿位于淮南市西部，八公山东麓，蔡家洼与毕家岗一带，西北延续至山王集大断层，与二道河勘探区遥望。井田横跨淮河南北两岸，井田范围为宽广的山前平原，西北与李咀孜矿接界，东南与谢一矿毗邻，为八公山煤田组成部分之一。井田南北走向长5.40km，东西倾斜宽3.75km，面积17.786 1km2。矿井主要可采煤层有C13，C11b，B10，B8，B7a，B6， B4，A1。煤层结构复杂。

一、新庄孜矿区地下水系统

矿区地下水系统包括新生界第四系中部砂层含水层（组）、煤系砂岩含水层（组）和灰岩岩溶裂隙含水层等三个子系统，其特征如下。

1. 第四系中部砂层含水层组合系统。组厚12.2～63.6m，平均厚29.05m，其中流砂层厚0～29.72m，平均16.18m，主要分布在淮河以北的二道河区。含水层底板为黏土、亚黏土，底部为0～40m的泥灰岩，砂层局部直接覆盖在煤系地层之上，因而产生淮河与砂层、砂层与浅部煤系水直接水力联系的“天窗”。

含水层以粉砂为主，细砂次之，层厚变化明显，且岩性不均一。单位涌水量q=0.172～0.826L/s·m，中等富水性，水质类型为HCO3-·Ca2+·Mg2+，淮河切割砂层，淮河水与砂层水有直接补给关系，毕井存在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三个“天窗”，因而形成砂层水对浅层煤系地层的直接补给区。

2. 煤系砂岩裂隙含水层组合系统。这一子系统包括自新生界第界面至太原群顶界面范围内的所有岩组，补给水源贫乏，以静储量为主，但砂岩裂隙发育的不均衡性，同时局部的构造裂隙往往会切穿数个岩层，导通厚层砂砾间的层间裂隙，而成为主要的储、导水网络。

3. 石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层组合系统。本含水层通常简称“太灰”， 共分为三组，组厚约120m，13含灰岩层，岩性以碎屑、粉晶质石灰岩或含生物微晶质石灰岩为主。

第一组灰岩（C31～C33下）。组厚36.07m，含灰岩3～4层，其中C33层富水，C31、C32两层一般水量较小，此组是影响A组煤开采的直接充水含水层（组），距A1煤层17m，根据放水试验结果：Q=1.34～1.56m3/min，q=0.14～0.212L/s·m，中等富水性，T=3.6m2/d，S=96～126m，水质类型为HCO3-·Ca2+·Mg2+或HCO3-·K+·Na+。

第二组灰岩（C34～C39）。组厚39.15m，含薄灰岩6层，钻探时仅C34有少量出水，此组灰岩富水性中等偏弱，且灰岩中下部含生物碎屑达40%，裂隙不发育，起隔水作用，故而与其他含水层（组）无水力联系。

二、矿井水化学特征

1. 水化学分析。地下水在地壳岩石中赋存和运移过程中，不断与其周围介质相互作用。由于所处地段的地质、水文地质、地球化学环境的不同，形成地下水的化学成分也有所区别。因此地下水化学成分反映了其所处地段的水文地质条件。研究地下水的化学特征、分布规律，利用先进的测试手段可分析地下水的补给、径流、排泄条件，进而达到预测水害的目的。本区历经多次勘探，并进行了多次抽（放）水试验，均取样作了全面分析，取得了阴阳离子含量、硬度、pH、固形物、耗氧量、CO2含量等多项指标（表1）。

表1 新庄孜矿地下含水层组中水质分析

通过水化学成分分析，揭示了本区地下水化学特征。本区地下水化学成分主要由溶滤作用和离子交替吸附作用形成。水化学成分的变化不仅受水动力条件的控制，而且还受原始沉积条件等地质因素作用。研究表明，随着地下水的径流、溶滤作用的不断进行，地下水矿化度、各项离子含量呈有规律变化。如，在水交替条件较好的径流带上，矿化度相对较低、水质类型为HCO3型。在水交替较缓慢的滞流区，矿化度升高，水化学类型变为SO4Cl型水。

2. 水质变化规律。矿区地下水组成复杂，矿化度、各种离子含量以及水化学类型变化较大，不同含水层之间有所区别，存在着明显的垂直分带现象。下面从地下水的矿化度、离子含量、水质类型三方面来探讨矿区的水质变化规律。

（1）矿化度的变化。矿区地下水的矿化度在不同含水层之间以及同一含水层不同点是不相同的。一般来说，水的循环深度越大，它与围岩接触时间越长，则矿化度越大。因此，通过研究矿化度变化规律，可从另一个角度分析地下水的补给、排泄规律。具体见表1。

新生界第四系中部砂层含水层矿化度1.36 g/L，二叠系砂岩含水层矿化度为5.21g/L，太原组灰岩含水层矿化度为4.32 g/L，奥陶系灰岩含水层矿化度4.41 g/L。

由此可见，本矿井含水层越深，矿化度越高，呈现出“上淡下咸”的分带特征，这意味着含水层埋藏越深，水的径流条件越差。也就是说，本矿井的地下水以浅部循环为主，下部含水层很高的矿化度说明其水流交换弱。

（3）离子含量变化特点。本矿含水层离子含量也有一定的变化规律。从阳离子piper三线图中（图1）以及表1可以看出，本区煤系砂岩水外，地下水中Ca2+、Mg2+离子的含量都相对较高，其毫克当量百分数多数都达到20%。Ca2+的含量中只有中含水层较高，达到48.95%，这主要是中含水层直接接受淮河水补给后很快溶滤，径流速度较快，使得易迁移的Na+、Cl-离子大量流失。砂岩水以下含水层地下水中K+、Na+的含量较高，都超过50%，最高达59.83%。当地下水流经这类地区时，由于溶滤作用及阳离子交替吸附作用（围岩中的K+、Na+与水中Ca2+、Mg2+交换），使水中K+、Na+含量升高，同时表明本区自然条件下水交替较缓慢。

从图1中可以看出，太灰含水层HCO3-含量最高，在75%左右，向浅部和向深部HCO3-含量都减少，Cl-含量增加，矿化度增高，从而进一步说明矿区深部地下水径流相对较弱。

三、矿井涌水水源的水化学特征判别模式

1. 各含水层水质比较。

（1）新生界中部含水层水与煤系砂岩水比较：前者的矿化度与三大阳离子含量都较高，两者的矿化度和三大阳离子含量以及Cl-都较高，而且中含水水层中Cl-及SO42-离子含量高，煤系砂岩水中仅以HCO3-离子含量高为特征。

（2）煤系砂岩水与太原群太灰水的比较。煤系砂岩水的矿化度大于太灰水中，但三大阳离子含量都小于下部的太灰含水层，Cl-离子明显大于煤系砂岩水从而造成总硬度上的差别。

（3）奥灰水与煤系砂岩水的比较。两者相比，煤系砂岩水的Cl-离子含量明显低于奥灰水，矿化度也有所降低，造成地下水径流条件的差异。

2. 涌水水源的水质模型。新庄孜井田内可能成为矿井充水水源的含水层系统都有各自的水质特征，在阴阳离子含量及矿化度上存在比较明显的差异。判别井田涌水水源，主要是识别涌水是来自底含还是来自太灰水，或煤系水本身。由于矿井涌水时水源水质一般是混合的，所以用水化学分析方法判别矿井涌水水源时，必须了解水质模型。

（1）中含水的水质模型Ⅰ，涌水应具有的特点是：矿化度大于1.3g/L；主要阴离子SO42－的当量百分数20.25%；Cl-在10.97%左右，K++Na+离子当量百分数大于30%，Ca2+在45%左右。

（2）太灰水的水质模型Ⅱ，涌水应具有的特点是矿化度在4g/ L左右；Ca2+在19%左右，SO42-离子在5%左右。总硬度在10德国度左右。

3. 矿井涌水水源的判别模式。基于上述的水质模型，建立下面的新庄孜矿矿井涌水判别模式（图2）。

四、结论

1. 通过矿井水化学特征分析，建立了新庄孜矿矿井水源判别模式。

2. 通过建立矿井涌水判别模式，了解了矿井水的来源，掌握了矿区各含水层组合系统中地下水流动条件，以便预测矿井涌水量，同时为有效防治矿井突水提供了理论依据。

3. 对地下水水化学特征的分析，有助于获得深层地下水的流动条件及岩、水作用程度等方面信息，为今后新庄孜矿区更深层次地分析地下水化学特征以及多指标的水溶成分分析奠定了基础，解决更多水文、工程地质问题。