基于水化学特征的顺和煤矿太灰水动力条件分析

张成行，郑洁铭，徐智敏，骆俊峰

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

随着矿井开采水平向深部拓进，水文地质条件明显发生变化，深部太原组灰岩含水层对矿井安全开采的影响日益严重[1-3]。目前，对于深部底板太灰水富水性和水动力条件的认识，是在放水试验[4，5]的基础上，求得水文地质参数[6]。通过稳定流、非稳定流的解析公式或借助如GMS、MODFLOW、FEFLOW等数值模拟软件进行分析研究[7，8]。开展上述工作的需要消耗大量的人力、物力，并且，太灰含水层为承压岩溶裂隙含水层，裂隙发育具有不均一性，一般的解析计算和数值模拟软件是将其视为均质含水层，其计算和数值模拟结果会产生一定的误差。另外，数值模拟软件的使用较为复杂，难以实现煤矿单位的全面普及。

由于地下水在循环过程中，水化学特征与水动力条件息息相关，其溶解的化学组分会随着地下水的运动而运移[9-11]。因此，本文根据顺和煤矿西翼地区煤层底板太灰含水层水质资料，运用Piper三线图解法、Gibbs图解法、离子比值法等特征进行分析、评价，获取研究区地下水的赋存状态及水动力条件。不仅创新了矿井评价分析的手段，而且分析结果对矿井的安全生产具有重要的指导意义。

1 研究区概况

顺和煤矿位于河南省永城市城关镇北20km，研究区位于顺和煤矿西翼东部，北部边界为F8正断层，东南部为DF8正断层、DF7正断层和F40逆断层等以及其他伴生构造发育，主采煤层为二2煤。随着开采深度的加深，开采工作面标高在-500m以下。由于底部太原组灰岩含水层距离工作面的有效隔水层厚度约为34m，含水层水压可达5MPa以上，受底板太灰高承压底板水威胁较大。同时，采区断层及其伴生小构造发育，以及开采活动对太灰含水层的干扰等的影响，导致研究区底板太灰的边界条件、补径排条件趋于复杂，区域构造分布如图1所示。

2 水化学特征分析

2.1 水化学成分分析

图1 区域构造分布

根据表1可知放水试验前各离子变异系数均小于15%，表明采集的水样离散程度较小，地下水水化学成分较为稳定。为分析研究区水质变化情况，根据水质资料绘制太灰含水层放水试验前期、中期和后期的地下水Piper三线图，如图2所示。

表1 放水试验前地下水水化学参数统计特征值 mg/L

图2 Piper三线图

2.2 水化学演化分析

图3 研究区地下水相关离子比值关系

1)从图3(a)中看出，Na+与Cl-的比值在2左右，明显大于1，表明该区域深层的太原组灰岩含水层中的Na+除了盐岩溶解以外还可能存在其他的来源，如硅酸盐、芒硝等矿物的溶解或阳离子交换作用等来源。

2)根据图3(e)中相关系数相对于-1更接近于0，表明该区域的阳离子交换作用相对较弱。因此，Na+可能主要来源于硅酸盐或者芒硝等矿物的溶解，阳离子交换作用占比较小。

3 水动力因素分析

根据图4可知，所有水样点基本全部落于水消极交替作用带，且太灰水化学组分中盐类的含量较高，且高度富集。一方面，反映了研究区深层地下水溶滤作用较强，能够较大程度的溶解盐岩、碳酸盐和硫酸盐类等矿物。另一方面，水交替作用的强弱反映了地下水动力条件，水交替作用越强，地下水运动越快，反之则变慢。因此，受水消极交替作用以及溶滤作用的影响研究区太灰含水层地下水化学组分中的盐分大量累积，矿化度随之增加。综上，表明研究区水动力条件较差，处于水文地质单元相对封闭的区域。

另外，分析放水试验资料，放水量在50m3/h左右，并根据放水试验数据绘制研究区太灰含水层水位—时间关系曲线，如图5所示。从图5中可以看出，研究区水位在50m3/h左右疏放强度下，2d左右就形成了150m的降深，水位下降较快，证明其补给条件较差，水文地质条件相对封闭。

图4 研究区水样Gibbs图

图5 太灰水水位—时间曲线

4 结 论

1)根据Piper三线图，分析了研究区太灰水在放水试验前、中、后期水质资料，发现水质在图中落点较为集中，没有发生明显的变化，表明研究区太灰水受其他水源的补给较差。

2)从离子比值关系图中，分析了太灰水组分的主要来源及其成因，得到研究区太灰水的赋存演化环境较为封闭；且根据Gibbs原理结合水动力因素分析，进一步表明研究区太灰水的水动力条件较差，水文地质环境相对封闭。

3)通过放水试验验证，分析结果与实际情况吻合。因此，利用常规的地下水化学特征来判断煤层底板太灰含水层的水动力条件是可行的。对分析研究区水文地质条件具有重要的实际意义。