近煤层灰岩含水层水化学特征研究

韩 永，连会青

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

煤矿水害是影响煤矿安全开采的重要因素之一[1]。特别是近煤层灰岩含水层水害防治对煤矿安全开采至关重要[2]，因为距离煤层较近，在特殊构造或者采矿活动影响下，容易导致水害事故的发生[3]。水害防治过程中，水文地球化学探查在分析地下水循环、矿井突水水源、地下水径流通道、不同含水层水力联系(混合作用)及注浆效果等方面有着独特作用[4-5]。但，水文地球化学探查的应用基础是地下水化学和同位素组分的分布、变化特征及规律的研究[6-7]。因此，研究近煤层灰岩含水层水化学特征能够为水源判别等煤矿防治水工作提供一定依据，具有一定理论和实用意义。

1 研究区概况

郑州矿区“三软”煤层防治水难度大，矿井水害事故时有发生。利用井下涌水水化学特征进行水源判别，查找突(涌)水水源，是有效防治突水灾害的关键。而开展水源判别的前提就是掌握矿区不同区域内各含水层的水化学规律。因此，开展地下水水化学规律研究对快速判断出水层位、制定合理、有效的防治水措施、避免或减小水害损失具有重要的意义。

郑州矿区的超化矿、裴沟矿、赵家寨矿和李梁店矿，属新密煤田，区内构造形迹以断裂为主，属于密县～新郑褶皱断裂水文地质区(图1)。告成矿属登封煤田，位于颖阳-芦店向斜的南翼东段，构造形式以断裂为主，属于登封～告成水文地质区。

图1 区域水文地质图

区内主要含水层有：第四系含水层、二叠系山西组砂岩孔隙裂隙承压水含水层(顶板砂岩含水层)、石炭系太原组上段和下段灰岩岩溶裂隙承压水含水层(L7-8含水层和L1-4含水层)、奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙水含水层(O2含水层)(图2)。

2 水化学类型

在水化学类型分析中，常用到Piper图。该图左下角、右下角的三角形分别为主要的阴、阳离子的毫克当量百分比，然后据此将各水样点投射到上方的菱形图上。Piper图可以简洁明了、直观形象地展现不同水样的水质差异，甚至可以用于分析地下水水质演化规律。

图2 主要含水层与主煤层的关系示意图

2.1 L7-8含水层水化学类型

赵家寨矿水样点在Piper图上比较集中，绝大部分水样点位于菱形左上侧(图3)，水化学类型主要为：Ca-Mg-HCO3-SO4、Ca-Mg-Na-HCO3-SO4。李梁店矿L7-8含水层水样点与赵家寨矿位置相近(图3)，水化学类型相近，为Ca-Mg-Na-HCO3-SO4。

图3 L7-8含水层Piper图

告成矿L7-8含水层水样点在Piper图上比较分散，既有位于菱形左侧的点，也有位于中下部的点(图3)，水化学类型比较分散，主要为：Na-HCO3、Ca-Na-HCO3和Ca-Mg-HCO3，这反映其L7-8灰地下水水化学环境和水动力情况相对复杂。

2.2 L1-4含水层水化学类型

裴沟矿水样点位于左侧(图4)，水化学类型为Ca-Mg-Na-HCO3。赵家寨矿分别相对集中到Piper图的左上方和右侧(图4)，左上方水样点水化学类型为Ca-Mg-HCO3-SO4、Ca-Mg-Na-HCO3-SO4，右侧水化学类型为Na-SO4。可以看出，从裴沟矿向赵家寨矿径流过程中，水化学类型逐渐由HCO3向HCO3-SO4演化。

告成矿两个水样点位于左侧，水化学类型为Ca-Mg-HCO3、Ca-HCO3，另外一个水样点位于左下方(图4)，水化学类型Na-Mg-HCO3。

图4 L1-4含水层Piper图

2.3 O2含水层水化学类型

超化矿奥灰岩水水样点位于菱形左侧(图5)，水化学类型为Ca-Mg-HCO3。裴沟矿水样点主要分布在1区(图5)，碱土金属超过碱金属，水化学类型为Ca-Mg-HCO3-SO4。赵家寨矿水样点在Piper图中分布比较分散(图5)，水化学类型包括： Ca-Na-Mg-SO4-HCO3、Ca-Mg-Na-SO4-HCO3、Na-Ca-HCO3-SO4、Na-Cl-HCO3-SO4，说明赵家寨矿区奥灰岩水水动力和水化学环境较为复杂。

图5 O2含水层Piper图

3 不同矿区的同一含水层离子浓度特征

为了更好地了解不同矿井水化学特征及离子分布规律的异同，需要将不同矿区相同含水层的水化学规律进行对比。

3.1 L7-8含水层离子浓度对比

图6 L7-8灰岩水离子浓度对比图

3.2 L1-4含水层离子浓度对比

3.3 O2含水层离子浓度对比

奥灰岩水水量丰富、水压高，对煤矿安全生产具有重要意义[8]，因此，分析奥灰岩水在不同矿区水化学特征的差别对于水源判别非常有意义。

图7 L1-4灰岩水离子浓度对比图

图8 O2含水层地下水离子浓度对比图

4 结论

1)不同矿区的同一含水层的水化学类型有异同。如L7-8含水层，赵家寨矿水化学类型主要为Ca-Mg-HCO3-SO4、Ca-Mg-Na-HCO3-SO4，李梁店矿L7-8含水层水样点与赵家寨矿位置相近，水化学类型相近，为Ca-Mg-Na-HCO3-SO4。O2含水层，超化矿水化学类型为Ca-Mg-HCO3，裴沟矿水化学类型为Ca-Mg-HCO3-SO4。

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