桃园煤矿南三采区水化学特征分析

徐国平

摘 要 为了判别桃园煤矿南三采区主要含水层之间的联系，基于南三采区不同含水系统主要水化学成分差异，选取7种常规水化学成分指标对含水层水源进行分析。利用水化学特征分析与聚类分析的方法，对南三采区15组水样的水化学成分进行对比分析。研究结果表明：南三采区奥灰水和太灰及灰岩水最为相似，通过聚类分析得出，太灰水和奥灰水可以聚为一类，说明南三采区太灰水与奥灰水存在着水源补给关系，具有一定的水力联系。

关键词 水化学成分;水质;聚类分析

引言

水化学特征分析方法是研究矿井地下水最基本的方法之一[1]。地下水中水化学成分的形成与演化受很多条件影响，不同的环境地质和水位地质条件能够反映出不同的地下水化学特征。研究两个含水层之间的水力联系，就是分析其水质是否存在着差异[2]。目前，研究水化学特征确定水化学类型最常见的方法是舒卡列夫分类法，它是根据水中阴阳离子的含量来分析水化学类型[3]。一些学者通过Piper三线图等方法，分析地下水化学特征以及主控离子的来源和形成原因[4-5]。

本文基于桃园煤矿南三采区不同含水层水化学样本的数据差异，选用七种常规离子为基本信息，采用水化学分析和聚类分析相结合的方法，对含水层之间水质的关系进行了对比分析，判定出太灰水与奥灰水是否存在联系。

1采区概况

1.1 地质概况

南三采区主采煤层是10煤，属于二叠系下统山西组，大部分工作面是总体走向近西南，倾向近东南的单斜构造，走向上宽缓起伏，局部发育小的斜歪褶曲。主要工作面发育的断层以逆断层为主，走向在80°～100°，倾向在110°～160°，落差在5米以內，对煤层开采有着一定影响。

1.2 水文地质概况

南三采区10煤层开采主要充水水源：顶底板砂岩裂隙水、太灰和奥灰水。

（1）顶板砂岩水：10煤顶板砂岩较为发育，细粒结构，厚度为10～20m，直接底板以泥岩为主。根据7137工作面补2-5孔抽水试验资料，单位涌水量为0.1046 L/s·m，富水性中。

（2）太灰水：是矿井间接充水含水层，总厚约190m，灰岩单层有11层，其中1-4灰处于浅部露头带，岩溶裂隙发育，含水丰富且水动力条件较好。

（3）奥灰水：是矿井间接充水含水层，区域厚度>500m，矿井内揭露最大厚度为2014-观2孔146.69m。

2水化学特征分析

2.1 Piper三线图分析

为了分析南三采区的各含水层的水力联系，选取15组水样其中：煤系底板水3组，砂岩水3组，奥灰水2组，老空水1组，10煤太灰水3组，采区灰岩是3组。将特征离子信息先存于表格中，利用AquaChem软件，自动生成三线图。

为了直观反映南三采区主要水样的水质变化特征，利用Piper三线图对各个类型水样进行分析。

10煤底板水阳离子中Na+和K+离子富集，占80%左右，而Ca2+与Mg2+各占10%;在阴离子中HCO3-占65%， SO42-和Cl-共计约占35%，水质类型为HCO3--Na+型。矿井砂岩水阳离子中Na+和K+离子富集，占82%左右，而Ca2+与Mg2+共计占10%;阴离子中占HCO3-80%， SO42-和Cl-约占20%，水质类型为HCO3-- Na+型。奥灰水中富集多数Ca2+和Mg2+阳离子，占80%左右，而Na+占20%;阴离子中SO42-占82%，HCO3-和Cl-约占18%，水质类型为SO42-- Ca2+·Mg2+型。10煤太灰水阳离子Na+占40%左右，Ca2+占40%，Mg2+占20%;而阴离子中富集最多的是SO42-，占75%，Cl-约占20%，HCO3-占5%，水质类型为SO42-- Ca2+·Na+型。采区灰岩水阳离子中Ca2+占45%左右，Na+占35%，Mg2+占20%;阴离子中SO42-占55%，Cl-约占20%，HCO3-占25%，水质类型为SO42-·HCO3-- Ca2+·Na+型。

灰岩水、太灰水、10煤底板水和奥灰水基本重合，说明该区域四大类水可能是相通的，而矿井砂岩水很远离上述四类水，表明它们直接联系很少，基本不存在水源之间的补给流通。

2.2 聚类分析

根据南三采区主要水源分析：太灰水、奥灰水、砂岩水、老空水、10煤底板水，选取Ca2+、Na++K+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-等7个指标。在五类水源中共有15组水样。

当聚为5类时，其中有类矿井砂岩水为一类，底板水与老空水为一类，机巷砂岩水与矿井砂岩水为一类，工作面底板水为一类，太灰、奥灰与灰岩水为一大类，说明南三采区的太灰水并不是纯的，可能与奥灰及灰岩水混为一体。当聚为3类时，奥灰、太灰这一大类又与煤层底板水为一类而不是与工作面底板水为一类，说明奥灰、太灰水可能与煤层直接存在水力联系，同时也说明了，南三采区太灰、灰岩水与奥灰亲密程度最高。

3结束语

通过对南三采区主要含水层水样分析，可以看出各类水存在着联系和差别。

采用Piper三线图和聚类分析都可以看出，灰岩水、太灰水、奥灰水、10煤底板水可以归为一类，它们之间相似度很高，而与其他含水层基本不存在什么明显的关系。

从全文分析可以得出，矿井砂岩水与其他含水层水差别很大，所以可以认为此类水源不会与其他水源之间存在补给关系。

参考文献

[1] 胡昌城.淮南顾桂矿区岩溶水水化学成分分布特征研究[D]. 合肥：安徽理工大学，2018.

[2]武佩萍.水化学特征分析法在出水水源判别中的应用[J].江西煤炭科技，2017，（4）：48-53.

[3] 韩蕊，陈兵，曾志华，等.舒卡列夫分类法在突水水源判别中的应用[J].内蒙古煤炭经济，2016，（Z1）：146-147.

[4] 王珺瑜，王家乐，靳孟贵. 济南泉域岩溶水水化学特征及其成因[J]. 地球科学，2017，42（5）：17-24.

[5] 宋晓明，高翠萍，Basher，等.利比亚Wadi Bay地区地下水水化学特征及成因分析（英文）[J].安徽农业科学，2010，38（36）：28-32.