顾北煤矿煤系砂岩裂隙水水文地球化学特征及其成因分析

苏 悦，许光泉，魏 健 ，杨婷婷 ，丁永俊

(1.安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南 232001; 2.淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿,安徽 凤台 232088)

近年来随着浅部煤炭资源日益枯竭，我国东部隐伏矿区向深部大规模开采已成为必然趋势。由于受多期构造地质作用，深部矿井开采水文地质条件复杂多样，各种水害防治形势日趋严峻。其中，煤系砂岩水为煤层开采最直接充水水源，对其进行科学防治是确保煤层安全开采的重要前提。为此，我国水文地质工作者提出了“上三带”理论[1]、三图-双预测法[2]、基于GIS复合分析方法[3]、数值模拟计算[4]，并开展了断裂带发育高度试验研究[5]等，为揭示煤层顶板砂岩裂隙形成机理及富水特征提供了依据。相关人员日益关注对砂岩裂隙水的水文地球化学特征研究，试图从砂岩的水质上探讨其形成机制，主要通过对各含水层常规离子水化学特征进行分析，研究水化学特征和突水水源识别的关系[6-9]，而针对各含水层结构、砂岩水形成的化学环境特征及其成因的研究较少。针对淮南矿区，有人采用Piper三线图、因子分析与主成分分析等方法分析得出矿区各含水层水化学特征[10-12]，但对煤系砂岩裂隙水成因分析较少。为此，笔者以安徽淮南顾北煤矿煤系砂岩水化学组分为研究对象，分析其形成作用，探讨其形成原因，从而为矿井充水水源判定提供依据。

1 研究区地质背景

研究区处于淮南煤田中部，位于陈桥背斜东翼与潘集背斜西部的衔接带，总体构造形态为走向南北、向东倾斜的单斜构造，地层倾斜平缓，倾角5°～15°，并发育有不均的次级宽缓褶曲和断层，煤系砂岩裂隙发育不均，井下采掘时发现，煤层顶板砂岩出水点多分布在挤压裂隙带和拉张裂隙带处，如图1所示。

(a)地质平面图及采样点分布

(b)水文地质剖面图

研究区为全隐伏煤田，据钻孔揭露，地层从老至新依次为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系、新近系、第四系等，如图2所示。含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系山西组和石盒子组，其中，太原组含煤极不稳定，无开采价值；山西组和石盒子组为主要含煤地层，其在顾北煤矿区总厚506.70 m，含煤20余层，煤层总厚28.44 m，含煤系数为5.61%，含煤段岩性主要由灰—黑灰色泥岩、浅灰—灰白及灰绿色砂岩组成。煤岩类型以半暗—半亮型为主，煤质多为中灰煤。

图2 煤系地层柱状图

与华北型煤田一样，该矿的含水层自上而下由新生界松散层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系和奥陶系的碳酸岩岩溶含水层等组成。由于被厚度371.00～512.60 m的新生界松散层所覆盖，大气降水和地表水对煤系砂岩水无补给，砂岩裂隙含水层之间，由泥质岩类隔断，无密切水力联系。矿井直接充水含水层为煤系砂岩裂隙含水层，目前实际出水量：正常涌水量为100.1 m3/h，最大涌水量为109.1 m3/h。

2 煤系砂岩出水情况调查

2.1 煤系砂岩及含隔水性

通过185个钻孔揭露，主采煤层为13-1、11-2、6-2、1煤层等，煤层顶板岩性多为泥岩，其次为砂质泥岩和砂岩，上述各煤层顶板砂岩厚度分别为0.95～7.65、0.56～6.95、0.30～41.90、0.25～21.35 m，砂岩含水层厚度变化较大，岩性以细砂岩为主，其次为中粗石英砂岩，多为泥质、钙质胶结，少量为硅质胶结。砂岩含水层之间由泥岩及砂质泥岩阻隔，一般情况下无水力联系。当采掘经过砂岩裂隙发育带时，出现连续或短暂出、涌水现象，导致砂岩含水层之间发生一定的水力联系。以往抽水试验结果表明：砂岩裂隙含水层单位涌水量为0.000 44～0.001 63 L/(s·m)，为弱富水性，以静储量为主，补给条件差，渗透系数为0.000 44～1.277 00 m/d，水质类型为Cl-Na和Cl·SO4-Na型等。

2.2 煤系砂岩出水点调查

在巷道掘进和工作面回采过程中所揭露的砂岩出水点有20处，发生出水的有9处，出、涌水点位置均与断层及裂隙相关，出水点分布具有不均匀性，各点水量大小差异悬殊。通过调查发现，出水点多集中在13-1煤层顶板和11-2煤层顶板砂岩层，最大出水量达60 m3/h，而其他煤层顶板出水点相对较少，且水量较小。

2.3 煤系砂岩水样采集

利用不同水平、不同阶段巷道及工作面分别在 1煤层、6-2煤层、11-2煤层和13-1煤层等顶板砂岩出水点，共采集76个水样。其中1煤层顶板砂岩水样点16个，6-2煤层17个，11-2煤层15个，13-1煤层 28个，采样点分布位置见图1(a)。

3 煤系砂岩水的化学组分特征

表1 顾北煤矿各煤系顶板砂岩水水化学组分统计

图3 煤系砂岩水的Piper三线图

4 煤系砂岩水中各化学组分空间分布特征

4.1 13-1煤层顶板砂岩含水层

(a)阳离子

(b)阴离子

4.2 11-2煤层顶板砂岩含水层

(a)阳离子

(b)阴离子

4.3 6-2煤层顶板砂岩含水层

(a)阳离子

(b)阴离子

4.4 1煤层顶板砂岩含水层

(a)阳离子

(b)阴离子

5 煤系砂岩水化学形成作用及其成因分析

5.1 水化学形成作用

5.1.1 溶滤作用

钻孔揭露表明，各煤层顶板主要由泥岩、粉砂岩和砂岩等组成。经过测试分析，泥岩类成分以高岭石、蒙脱石和伊利石等黏土矿物为主；砂岩成分主要为石英，其次为钠钙长石及岩屑等，其分选性及磨圆度中等，胶结物为硅质、钙质和泥质等物质。该区受印支挤压和燕山拉张运动影响，煤层顶板砂岩中裂隙网络较发育，从基岩风化带向下发生径流作用，其中Cl-在地下水中相对较为稳定,常用离子交换浓度γ(Na+)与γ(Cl-)的比值来揭示Na+的来源[15]，如图8所示。

图8 各煤层顶板砂岩水中γ(Na+)与γ(Cl-)比值图

如果γ(Na+)/γ(Cl-)等于1，说明地下水中的Na+、Cl-主要来源于岩盐溶解。由图8可知，γ(Na+)/γ(Cl-)远大于1，说明顶板砂岩水中的Na+主要来源于砂岩含水层的溶滤作用，可用式(1)～(4)表示[16]：

2NaAlSi3O8(钠长石)+2CO2+11H2O=

(1)

2CaAl2SiO8+4CO2+6H2O=Al4O10(OH)8+

(2)

AlSi2O5(OH)4+5H2O=2Al(OH)3+2H4SiO4

(3)

2KMg3AlSiO10(OH)2+28CO2+30H2O=

(4)

图9 各煤层顶板砂岩水中γ(Ca2++Mg2+)与

5.1.2 阳离子吸附作用

图10 各煤层顶板砂岩水中γ(Na+-Cl-)与比值图

通常采用氯碱指数(CAI-1和CAI-2)表征离子交换的方向和强度[19]，见式(5)和(6)。其值若为负值，说明地下水水样发生正向的离子交换，反应机理见式(7)；若氯碱指数均为正值，则地下水水样发生反向离子交换，反应机理见式(8)[20]：

CAI-1=[γ(Cl-)-γ(Na+)]/γ(Cl-)

(5)

(6)

(Na+)(黏土)+(Ca2++Mg2+)(水)=(Ca2++

Mg2+)(黏土)+(Na+)(水)

(7)

(Na+)(水)+(Ca2++Mg2+)(黏土)=(Ca2++

Mg2+)(水)+(Na+)(黏土)

(8)

顾北煤矿各主采煤层中的氯碱指数皆小于0，如图11所示。说明研究区主要发生正向的离子交换作用，将煤系砂岩水中的Ca2+、Mg2+与黏土矿物中的Na+进行交换，使砂岩水中的Na+含量增加。

图11 各煤层砂岩水氯碱指数

5.1.3 脱硫酸作用

(9)

图12 各煤层砂岩水中随Cl-变化关系曲线

5.2 水化学成因分析

研究区煤系砂岩裂隙水的水流方向为自西向东，主采煤层煤系砂岩裂隙含水层之间，因有泥质岩类相隔，通常情况下无密切水力联系，只有在裂隙或断层发育位置存在水力联系，总体上为弱富水性，地下水以静储量为主，补给条件差，径流速度缓慢，如图13所示，可以看出，各煤层煤系砂岩裂隙水主要沿着各自含水层中发生顺层渗流运动[23 - 24]。但由于研究区内部几条主要断层，如F92、F94、F104-1、F109等均有巷道穿过，经实际揭露：断层带两侧的裂隙非常发育，巷道穿过时均无明显的淋、滴水现象。说明井下巷道穿过的断层带是不导水的，相互之间无水力联系。据煤矿井下实际巷道揭露断层水文地质调查可知图13中的F104、FD4和Fs16均为阻水断层，使得断层上下两盘分成为2个相对独立的水文地质单元。

(a)煤系砂岩水水化学类型分布

(b)水化学剖面图

6 结论

2)在垂向分布上，Na+与Ca2+、Mg2+呈现负相关性，Na+浓度随深度的增加呈现增加的趋势。1煤层、6-2煤层总体处于封闭的还原环境中，11-2煤层处于一个弱还原环境中，而13-1煤层处于弱氧化环境之中。

3)13-1煤层顶板砂岩水以溶滤作用和阳离子交替吸附作用为主；11-2煤层以溶滤作用为主，以阳离子交替吸附作用为辅，同时存在脱硫酸作用；6-2煤层以脱硫酸作用和阳离子交替吸附作用为主，同时存在溶滤作用；1煤层以溶滤溶解作用为主，也存在阳离子交替吸附作用和脱硫酸作用。

4)从浅部至深部，存在地下水垂直分带现象，1煤层中砂岩裂隙水类型以HCO3·Cl·SO4-Na为主，6-2煤层中以SO4·HCO3-Na为主，11-2煤层中以HCO3·Cl-Na为主，13-1煤层中以Cl-Na为主。