采动影响下矿区地下水主要水-岩作用与水化学演化规律

殷晓曦，陈陆望，谢文苹，许冬清，曾 文，刘延娴

(合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

采动影响下矿区地下水主要水-岩作用与水化学演化规律

殷晓曦，陈陆望，谢文苹，许冬清，曾 文，刘延娴

(合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

煤矿开采势必破坏天然水化学环境，然而矿区多类含水层地下水系统水化学研究尚未从时空角度分析采动影响下水化学演化的本质。以临涣矿区为研究示范，基于历年常规水化学数据开展主成分分析，揭示采动影响下水化学演化过程中的水-岩作用机制。其中，第1主成分代表碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用，第2主成分代表阳离子交替吸附及脱硫酸作用。采动影响下矿区主要突水含水层地下水碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用均逐渐减弱，减弱区域不尽相同；然而，阳离子交替吸附及脱硫酸作用的变化规律不明显。研究成果为矿井突水水源识别和水资源保护与利用提供理论依据。

煤矿区；水-岩作用；水化学演化；采动影响

我国华北隐伏型煤田地下水系统一般是由多类含水层构成的，且含水层间普遍存在不同程度的水力联系[1]。采动影响下，矿区地下水系统输入、输出与系统结构势必发生改变，以致水文地质条件复杂化，煤矿突水事故频繁发生。为了“预测预报”突水，一些研究者另辟蹊径，通过捕捉突水预兆期内的水化学信息，利用简单水质类型对比、标型组分识别、多元统计等方法识别突水水源类型[2～4]。此类成果只是把主要突水含水层地下水系统看作孤立含水层的简单组合，注重单一含水层的静态水化学场，很少从时空角度考虑地下水循环条件改变而导致的水化学演化，以致水源识别模型在煤矿后续生产过程中的适用性受到限制[5～6]。而更甚者，华北型煤矿区地下水系统由于长期受采动影响，地下水质严重恶化，其引发的一系列新的生态环境问题亟待解决[7～8]。

水化学研究一般热衷于分析特定地区水化学数据在天然或人为因素影响下的变化，进而揭示研究区不同循环深度下的水化学特征[9～12]。然而，相关研究牵涉的数据量大且纷繁复杂，故多元统计学方法应用于水化学研究备受青睐。Güler等通过多元统计联合水化学图解法对大量水化学数据进行了水化学分类[13]；Cloutier等运用多元统计中的系统聚类与主成分分析加拿大Quebec古生界沉积砂岩地下水系统水化学演化规律[14]；Laaksoharju等通过多元统计中的主成分分析不同时期积累下来的大量水化学数据，建立了由不同补给端元确定的地下水混合比的计算模型[15]。但是，此类研究成果过于关注研究区水化学表观数据，未从水-岩作用入手阐明研究区水化学演化的本质，更未深入探讨水化学演化与人类工程活动之间的联系及其联系程度等。

本研究以华北隐伏型煤田——安徽淮北煤田临涣矿区为研究示范，在对该矿区主要突水含水层历年地下水样品常规离子主成分分析的基础上，分析采动影响下矿区地下水主要水-岩作用机制，揭示水化学演化规律。研究成果有望为矿井水害防治及地下水资源开发利用提供理论支持。

1 地质背景

临涣矿区位于安徽省北部。矿区被古近系、新近系和第四系松散层所覆盖，基底由晚古生界和早古生界深、中深变质岩系及中元古界浅变质岩系组成。矿区内未见基岩露头，盖层是稳定地台型沉积，由新元古界青白口系至古生界二叠系，总厚度超过3 000 m；中生界侏罗系、白垩系和古近系主要分布在断陷盆地内，缺失晚奥陶系至下石炭系和三叠系地层。矿区被丰涡断层、宿北断层、板桥断层和南坪断层包围，内有童亭背斜、南坪向斜和若干小断层，如图1所示。

图1 临涣矿区地层及采样点分布图Fig.1 Distribution of strata and sampling points in the Linhuan mining area

根据地层的岩性、厚度、含水介质空隙及埋藏条件，矿区主要突水含水层自上往下分别为：(1)松散层类孔隙第四含水层(简称“四含”)，直接覆盖在基岩之上，通过基岩风氧化带与煤系砂岩裂隙含水层、岩溶含水层之间发生一定的水力联系。(2)二叠系煤系砂岩裂隙含水层(简称“煤系”)，地下水在以构造裂隙为主的裂隙网络中储存和运移，富水性较弱，在开釆条件下常以淋、涌、突的形式向矿井内排泄。(3)石炭系太原组岩溶裂隙含水层(简称“太灰”)，地下水主要赋存于岩溶裂隙内，富水性大小受岩溶发育程度控制，岩溶裂隙发育较强处，灰岩富水性则强，反之则弱。(4)奥陶系岩溶裂隙含水层(简称“奥灰”)，位于太灰之下，与太灰含水层类似，富水性更强。由于奥灰含水层资料较少，为了研究方便，奥灰与太灰含水层合并为岩溶含水层(简称“岩溶”)，概化研究。

2 数据采集、测试与分析

3 主成分分析原理

假设有n个样品，每个样品有m个测试值，记为(x1,x2,…,xm)，构成一个n×m的矩阵：

主成分分析的目的是用m个原始变量(x1,x2,…,xm)构造少数几个新的综合变量，使新变量为原始变量的线性组合，且新变量互不相关。新的变量包含m个原始变量的绝大部分的信息。定义z1,z2, …,zp为新的综合变量，其中每一个新的综合变量都是m个原始变量的线性组合[16]：

式(2)中同时满足下列条件：(1)zi与zj(i≠j；i,j=1,2,…,p)相互无关；(2)z1是x1,x2,…,xm的一切线性组合中方差最大者；z2是与z1不相关的x1,x2,…,xm的所有线性组合中方差最大者；zp是与z1,z2, …,zp-1都不相关的所有线性组合中方差最大者。则新变量z1,z2, …,zp分别称为原变量x1,x2,…,xm的第一，第二，…，第p主成分。

以上分析可以看出，主成分分析的实质是确定原来变量xj(j=1, 2,…,m)在诸主成分zi(i=1,2,…,p)上的相关系数lij(i=1,2,…,p；j=1, 2,…,m)(即为因子荷载)。从数学上可以证明，它们分别是m个原始变量(x1,x2,…,xm)相关矩阵的前p个具有较大特征值所对应的特征向量，而各个综合变量zi的方差var(zi)恰好是相应的特征根λi。各主成分的方差贡献大小按特征值顺序排列，依次递减，即：λ1≥λ2≥…≥λp≥0。

主成分是所有变量的线性组合，其中组成主成分的各个变量的权重由特征向量的各个分量决定。通过新构建的主成分所能解释原始数据的变异程度可以用下面两式计算：

式(3)为第k个主成分对原始数据变化的影响程度，称为贡献率；式(4)可以表示前k个主成分对原始数据变化的总影响程度, 称为累积贡献率。

将样品m个原始变量值代入式(2)，可以得到每个样品对应的主成分荷载得分值Z1,Z2, …,Zp。

4 主要水-岩作用

4.1机制分析

图3 常规离子因子载荷图Fig.3 Factor loading distribution for conventional ions

2Na+(岩石)+Ca2+(水)→2Na+(水)+Ca2+(岩石)

2Na+(岩石)+Mg2+(水)→2Na+(水)+Mg2+(岩石)

临涣矿区地下水化学环境复杂，采动影响下主要突水含水层主要水-岩作用有碳酸盐或硫酸盐溶解、黄铁矿氧化、阳离子交替吸附以及脱硫酸作用等，与前期研究的87Sr/86Sr、34S、13C等同位素的示踪结果一致[17]。因此，主成分1代表碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用；主成分2代表阳离子交替吸附及脱硫酸作用。

4.2影响分析

将临涣矿区883个水样分含水层与分连续时间段分别绘制在主成分1荷载得分(Z1)-主成分2荷载得分(Z2)散点图(图4)中，并以不同形状与颜色代表不同含水层；不同颜色灰度代表不同时间段，灰度越高，时间越近。从图4可以看出，四含、煤系与岩溶含水层水样在Z1-Z2图中出现较大范围的集聚，表现密切的水力联系。

图4 临涣矿区地下水样Z1-Z2散点图Fig.4 Scatter diagram of Z1 and Z2 of groundwater samples in the Linhuan coal-mining district

通过比较图4中临涣矿区地下水样的散点灰度大小，四含、煤系与岩溶地下水样开采初期Z1均比较高，主要水-岩作用以碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用为主。随着时间的推移，四含、煤系与岩溶地下水样Z1逐渐向变小的方向移动，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用减弱。然而，在整个开采过程中，矿区四含、煤系与岩溶大部分地下水样Z2变化规律不明显，阳离子交替吸附及脱硫酸作用或增强或减弱。由此可以看出，矿区四含、煤系与岩溶地下水碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用受采动影响有逐渐减弱的趋势，但阳离子交替吸附及脱硫酸作用受采动影响变化不明显。

5 采动影响下地下水化学演化分析

5.1四含

临涣矿区四含地下水样Z1典型年份等值线见图5。从图5可以看出，2000年临涣矿区四含地下水Z1整体偏高，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用明显，并在临涣矿与童亭矿联系的区域更为显著。随着采矿活动的推进，2007年矿区四含地下水Z1整体有所降低，特别是在临涣矿、童亭矿、五沟矿、界沟矿、孙疃矿、任楼矿与许疃矿联系的区域减小幅度较大，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用减弱。随着采矿活动的进一步推进，2014年矿区四含地下水Z1整体再次降低，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用进一步减弱，特别是在杨柳矿与袁店二矿联系的区域减弱得更明显。

图5 临涣矿区四含含水层水样Z1等值线Fig.5 Isolines of Z1 for groundwater samples of the fourth aquifer in the Linhuan coal-mining district

5.2煤系

临涣矿区煤系地下水样Z1典型年份等值线见图6。从图6可以看出，2000年临涣矿区煤系地下水Z1整体偏高，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用明显，并在界沟矿与五沟矿联系的区域表现更为显著。随着采矿活动的推进，2007年矿区煤系地下水Z1整体有所降低，特别是在袁店二矿、五沟矿、界沟矿、许疃矿、任楼矿、孙疃矿与杨柳矿联系的区域减小幅度较大，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用减弱。随着采矿活动的进一步推进，2014年矿区煤系地下水Z1整体再次降低，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用进一步减弱，特别是在袁店二矿、袁店一矿、青东矿、五沟矿、孙疃矿与杨柳矿联系的区域减弱得更明显。

图6 临涣矿区煤系Z1等值线Fig.6 Isolines of Z1 for groundwater samples of the coal and sandstone cranny aquifer in the Linhuan coal-mining district

5.3岩溶

临涣矿区岩溶地下水样Z1典型年份等值线见图7。从图7可以看出，2000年临涣矿区岩溶地下水Z1整体偏高，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用明显，并在临涣矿与童亭矿联系的区域表现更为显著。随着采矿活动的推进，2007年矿区岩溶地下水Z1整体有所降低，特别是在袁店一矿、袁店二矿、五沟矿与界沟矿联系的区域减小幅度较大，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用减弱。随着采矿活动的进一步推进，2014年矿区岩溶地下水Z1整体再次降低，碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用进一步减弱，特别是在许疃矿、任楼矿、孙疃矿与杨柳矿联系的区域减弱得更明显。

图7 临涣矿区岩溶含水层水样Z1等值线Fig.7 Isolines of Z1 for groundwater samples of the karst aquifer in the Linhuan coal-mining district

6 结论

(1)对临涣矿区四含、煤系与岩溶3个主要突水含水层1966—2014年的883个水样常规离子数据进行主成分分析，主成分1代表碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用，主成分2代表阳离子交替吸附及脱硫酸作用。受采动影响，矿区四含、煤系与岩溶地下水碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用减弱，阳离子交替吸附及脱硫酸作用变化规律不明显。

(2)受采动影响，矿区四含含水层水化学类型从开采初期SO4—Ca·Mg型逐渐演化为SO4·Cl—Na·Ca·Mg型；煤系含水层从开采初期SO4—Na·Ca·Mg型逐渐演化为HCO3·Cl—Na型；岩溶含水层从开采初期SO4—Na·Ca·Mg型逐渐演化为Cl·SO4—Na·Ca型。

(3)通过矿区地下水水化学特征历时演化的分析，近年来，采动影响下四含地下水在杨柳矿与袁店二矿联系的区域碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用减弱明显；煤系地下水在袁店二矿、袁店一矿、青东矿、五沟矿、孙疃矿与杨柳矿联系的区域减弱明显；岩溶地下水在许疃矿、任楼矿、孙疃矿与杨柳矿联系的区域减弱明显。

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责任编辑：张若琳

Mainwater-rockinteractionsandhydrochemicalevolutionintheaquifersunderthemining-induceddisturbanceinaminingdistrict

YIN Xiaoxi, CHEN Luwang, XIE Wenping, XU Dongqing, ZENG Wen, LIU Yanxian

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui230009,China)

Coal mining is bound to destroy the natural hydrochemical environment. However, hydrochemical studies of a groundwater system of multi-aquifer in the mining district rarely focus on the essence of hydrochemical evolution under the mining-induced disturbance in view of space and time. The Linhuan coal-mining district is taken as an example to reveal the mechanism of water-rock interactions under the mining-induced disturbance by using the principal component analysis based on conventional ions over the years. The result shows that the first principal component represents the dissolution of carbonate and sulfate and oxidation of pyrite and the second principal component represents the exchange and adsorption of cation and desulphidation. Under the mining-induced disturbance, dissolution of carbonate and sulfate and oxidation of pyrite wear off in the main inrush-water aquifers in the mining district, but the change characteristics of exchange and adsorption of cation and desulphidation are insignificant. The research will provide a theoretical support for the identification of water-inrush source and also for the protection and utilization of groundwater in mining districts.

coal mining area; water-rock interaction; hydrochemical evolution; mining-induced disturbance

P641.4

A

1000-3665(2017)05-0033-07

陈陆望(1973-)，男，博士，教授，主要从事水文地球化学方面的研究。E-mail: luwangchen8888@163.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.06

2016-09-04;

2016-11-10

国家自然科学基金项目(41372244、41773100)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(JZ2016HGBZ0802)

殷晓曦(1973-)，女，博士，高级实验师，主要从事水文地球化学方面的研究。E-mail: yinlixixi@163.com