潘谢矿区深部地下水常规水化学特征的多水源示踪分析

王德高，余凯

（安徽工业经济职业技术学院，安徽　合肥　230001）

潘谢矿区深部地下水常规水化学特征的多水源示踪分析

王德高，余凯

（安徽工业经济职业技术学院，安徽合肥230001）

如何快速、准确地判别出矿井充水水源是煤矿井下安全开采急需解决的重要科学问题。以潘谢矿区为例，通过对该矿区多相含水层（第四系松散层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组石灰岩溶裂隙含水层和奥陶系马家沟组白云岩溶裂隙含水层）68个水样的常规水化学特征的测试分析，表明了不同含水层的常规水化学类型；采用Bays线性示踪分析法，构建了不同含水层水化学判别模式。研究结果表明：第四系下含水与奥陶系岩溶水的区分程度高、判别效果显著，而二叠系煤系砂岩水与石炭系太灰水具有一定程度的误判率，两者之间存在混合现象，不易区分，表明两者之间存在一定的水力联系。上述研究成果为本区突水水源示踪奠定了理论基础。

深部地下水；常规水化学类型；Bays判别分析；潘谢矿区

近年来，潘谢矿区煤炭资源开采从浅部逐渐拓展至深部，引起矿井突水事件发生几率增加。传统的矿井水害预报技术在一定程度上对井下突水事故的发生起到防治作用。然而，矿井一旦发生突水事件，如何快速、准确地判别突水水源，指明突水层位，是避免重大水害发生的前提。

常用的突水水源判别地球化学指标有常规水化学分析法、微量元素分析法、同位素分析法等。①桂和荣，陈陆望：《矿区地下水水文地球化学演化与识别》，北京：地质出版社，2007年，第1-2页。黄平华，陈建生：《基于多元统计分析的矿井突水水源Fisher识别及混合模型》，《煤炭学报》2011年第36期，第131-135页。张春雷，钱家忠，赵卫东，马雷：《Bays方法在矿井突水水源判别中的应用》，《煤田地质与勘探》2010年第38期，第34-37页。张文艺：《潘谢矿区水文地质特征与缩小防水煤柱机理》，《水文地质与工程地质》2002年第2期，第32-33页。根据煤矿防治水生产实践，采用常规水化学分析能够做到便捷、快速、准确地判别突水水源。为此，本文以淮南煤田潘谢矿区为例，采用常规水化学+Bays多元数理统计联合分析技术，结合区域水文地质条件，表明该区不同类型含水层的示踪常规水化学指标，建立该区突水水源示踪模式，为今后该区各生产矿井防治水工作部署提供技术参考和理论依据。

1　区域地质构造背景

淮南煤田主要划分为三个赋煤构造单元，鉴于其主体构造格局为止于反向逆冲断层的叠瓦扇逆冲推覆构造系统②曹代勇，高文泰：《华北聚煤区南部煤田构造格局演化及其控制因素探讨》，《煤炭学报》1993年第18期，第74-80页。，因此以其南侧的逆冲推覆构造与北侧的反冲断裂构造为界，将其划分为呈东西向展布的三个赋煤条带，即上窑-明龙山反冲构造带、淮南复向斜构造带和阜凤逆冲推覆构造带。其中，本次研究的潘谢矿区位于淮南复向斜构造带内，其总体赋煤深度的最浅部一般不大于500m，且构造形迹相对较简单，构造带内煤炭资源赋存于复向斜内的次级背（向）斜内，且埋深总体较浅。

潘谢矿区赋煤区内的含煤岩系为华北型石炭-二叠纪地层，含煤地层单位自下而上依次为太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组，其对应的沉积环境由碳酸盐岩台地逐渐过渡到障壁泻湖三角洲环境。该区含煤岩系直接发育在稳定的寒武系碳酸盐岩台地之上，自下而上发育寒武系白云岩岩溶裂隙含水层、奥陶系白云岩岩溶裂隙含水层、石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层和新生界松散砂层孔隙含水层。由于本区揭露寒武系地层钻孔数量很少，岩石和水样品难以完好采集，故本文不涉及此层位。

图1　潘谢矿区区域构造纲要图

2　水样品与测试分析

本文共采集68个来自于不同生产矿井、不同含水层位的水样品。具体采样信息见表1。

为了满足常规水化学分析要求，所有水源样品均采集2.5L。采集前先将清洗的样品瓶冲洗5遍后再装水样，密封瓶口后带回实验室低温保存。各样品常规水化学测试在合肥工业大学理化测试中心完成。测试项目包括：Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-。各离子的测试方法分别为：（1）采用EDTA滴定法测试Ca2+、Mg2+离子的含量；（2）采用火焰原子吸收光度法测试K+、Na+离子的含量；（3）采用离子色谱法测试Cl-、SO42-离子的含量；（4）采用酸碱滴定法测试CO32-、HCO3-离子的含量。

表1　潘谢矿区不同含水层水源样品采集息

3　常规水化学分析与水源示踪模式建立

3.1常规水化学地球化学指标分析

3.1.1常规离子含量分析

（1）下含水

基于常规水化学测试结果，得出潘谢矿区下含水常规离子水化学总体特征为：（K++Na+）变化范围为719.8-912.8mg/L（平均801.3mg/L），Ca2+变化范围为11.9-46.7mg/L（平均35.5mg/L），Mg2+变化范围为4.2-29.7mg/L（平均17.0mg/L），Cl-变化范围为711.3-1020.2mg/L（平均946.4mg/L），SO42-变化范围225.8-365.1mg/L（平均295.0mg/L），CO32-变化范围为8.4-312.7mg/L（平均212.7mg/L），HCO3-变化范围为8.9-341.9mg/L（平均80.9mg/L）。

为了确定潘谢矿区下含水整体水化学类型，绘制潘谢矿区下含水Piper三线判别图（图2）。由Piper三线图表明，潘谢矿区下含水水化学类型比较集中，各矿区下含水水化学类型一致，均以Na-Cl型为主。

图2　潘谢矿区下含水Piper三线图

（2）煤系水

基于常规水化学测试结果，得出潘谢矿区煤系水常规离子水化学总体特征为：（K++Na+）变化范围为83.6-1924.5mg/L（平均1008.4mg/L），Ca2+变化范围1.9-81.6mg/L（平均23.0mg/L），Mg2+变化范围为0.5-49.7mg/L（平均11.4mg/L），Cl-变化范围为92.6-1791.0mg/L（平均823.1mg/L），SO42-变化范围3.8-786.3mg/L（平均228.5mg/L），CO32-变化范围为5.1-381.5mg/L（平均83.8mg/L），HCO3-变化范围为12.0-2521.3mg/L（平均851.9mg/L）。

从上述离子平均值来看，阴离子含量高低顺序为HCO3->Cl->SO42->CO32-，阳离子高低变化顺序为（K++Na+）＞Ca2+＞Mg2+。

为了确定潘谢矿区煤系水整体水化学类型，绘制潘谢矿区煤系水Piper三线判别图（图3）。图3表明，潘谢矿区煤系水样品主要集中在三种水化学类型上，即Na-K-HCO3-Cl、Na-HCO3和Na-Cl型。然而仅有潘三矿井的一个水样品出现了Ca-Mg-Cl-SO4型，总体上以Na-Cl型为主。

图3　潘谢矿区煤系水Piper三线图

（3）太灰水

基于常规水化学测试结果，得出潘谢矿区太灰水常规离子水化学总体特征为：（K++Na+）变化范围为50.3-1709.2mg/L（平均721.0mg/L），Ca2+变化范围为2.0-143.6mg/L（平均42.1mg/L），Mg2+变化范围为0.3-101.1mg/L（平均17.4mg/L），Cl-变化范围为31.0-1184.1mg/L（平均705.4mg/L），SO42-变化范围为2.1-3404.0mg/L（平均381.3mg/L），CO32-变化范围为2.7-297.7mg/L（平均64.8mg/L），HCO3-变化范围为2.7-1035.4mg/L（平均258.6mg/L）。

从上述离子平均值来看，阴离子含量高低顺序为Cl-＞SO42-＞HCO3-＞CO32-，阳离子高低变化顺序为（K++Na+）＞Ca2+＞Mg2+。

为了确定潘谢矿区太灰水整体水化学类型，绘制潘谢矿区太灰水Piper三线判别图（图4）。图4表明，潘谢矿区太灰水样品主要以Na-Cl型为主，少数水样出现了Ca-Mg-HCO3型。研究区内太灰水基本上介于Cl-和SO42-之间，说明太灰水的常规水化学组成可能受到两种水源的共同影响。

图4　潘谢矿区太灰水Piper三线图

（4）奥灰水

基于常规水化学测试结果，得出潘谢矿区奥灰水常规离子水化学总体特征为：（K++Na+）变化范围为320.2-964.1mg/L（平均642.4mg/L），Ca2+变化范围为1.0-70.0mg/L（平均29.5mg/L），Mg2+变化范围为0.03-23.5mg/L（平均9.9mg/L），Cl-变化范围为58.5-1254.3mg/L（平均605.9mg/L），SO42-变化范围70.3-374.6mg/L（平均237.5mg/L），CO32-变化范围为5.5-198.0mg/L（平均66mg/L），HCO3-变化范围为136.1-360.2mg/L（平均282.4mg/L）。

从上述离子平均值来看，阴离子含量高低顺序为Cl-＞HCO3-＞SO42-＞CO32-，阳离子高低变化顺序为（K++Na+）＞Ca2+＞Mg2+。

为了确定潘谢矿区奥灰水整体水化学类型，绘制潘谢矿区奥灰水Piper三线判别图（图5）。图5表明，潘谢矿区奥灰水共划分为三种水化学类型，包括Na-K-HCO3-Cl、Na-HCO3和Na-Cl型。

图5　潘谢矿区奥灰水Piper三线图

3.2基于常规水化学的Bays线性示踪模型

选取Ca2+、Mg2+、K++Na+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-作为主成分因子。采用Bays线性函数作为示踪模型的判别方程。以方差积累贡献率达90%为基准，建立判别函数方程（F1和F2），判别效果如图6所示。

图6表明，利用该示踪模型可以有效地区分出奥灰水和下含水两种水源样本，而对于煤系水和太灰水样本区分程度不高，这可能是由本区二叠纪煤层逐年开采，造成煤系水与下伏太灰水之间发生了明显的水力联系，导致判别结果不显著。

图6　潘谢矿区不同水源常规水化学判别模式图

4　结论

（1）潘谢矿区第四纪松散层下含水常规水化学类型以Na-Cl型为主，二叠系砂岩水常规水化学类型以Na-K-HCO3-Cl、Na-HCO3和Na-Cl型为主，石炭系太原组岩溶水以Na-Cl型为主，少数为Ca-Mg-HCO3型，奥陶系岩溶水以Na-K-HCO3-Cl、Na-HCO3和Na-Cl型为主。

（2）采用Bays线性函数，建立了潘谢矿区不同水源常规水地球化学指标示踪模式，其判别结果表明：本区下含水和奥灰水能够有效地区分出，而煤系水和太灰水区分程度不明显，这需要采用其他方法（微量元素法、同位素法）进一步证实。

Multi-source tracing analysis of the chemical features of conventional deep groundwater in Panxie Mining Area

WANG Degao，YU Kai

How to quickly and accurately distinguish the coal mine water supply is an important scientific problem which needs to be solved urgently.This paper took Panxie Mining Area as an example，tested and analyzed the conventional chemical features of 68 water samples，and found the chemical types of the conventional water in different water-containing layers.Bays linear tracer analysis was employed to construct different aquifer hydrochemistry type.The results lay a theoretical foundation for the water inrush source tracing.

deep groundwater；water chemistry type；Bays discriminated analysis；Panxie Mining Area

O61

A

1009-9530（2016）03-0104-04

2016-04-05

王德高（1985-），男，安徽工业经济职业技术学院讲师。