潞安矿区地下水地球化学特征及其控制因素

郭瑞强，姜 涛，朱加锋，单 耀

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司，山西 长治 046204；2.华北科技学院，河北 三河 065201)

潞安矿区属于华北型煤田，相比于其它华北型煤田，该区域地下水的水力学与水化学环境简单，对开采的影响较小。随着开采深度的增加，开采区域逐渐处于带压开采的范围，特别是开采15号煤层的时候，奥灰水水头较大，隔水层较薄，具有一定的突水危险性；另一方面，该区域的突水研究相对较少。为应对可能存在的煤矿突水问题，确保安全开采，系统地研究该区域的水文地质与水文地球化学条件，是一件非常重要的工作[1-4]。

随着地球化学技术、测试技术与数据挖掘技术的进步，近年来对煤矿区地下水的水文地球化学特征、水岩相互作用成因，以及水力联系的分析越来越深入与广泛，新的方法或方法组合也不断应用到实际中。研究地下水的水文地球化学性质是一项基础的、根本性的工作[5-9]。通过分析不同含水层的水文地球化学特征，可以分析地下水的形成，同时以部分参数作为已知参数，可以对未知来源的地下水进行判别，为矿井水害的防治提供有力的支持[10-15]。

1 矿区概况

潞安矿区位于山西省东南部、沁水煤田中段东翼，其范围北起襄垣县中南部的西川正断层，南达长治、高平交界处的庄头正断层，东西向为煤层埋深小于1 000 m以内的广大地区，总面积超过1 000 km2。潞安矿区所在的长治盆地东部为潞安断层，边缘洪积扇不太发育，盆地中层位第四纪堆积物，其下有中更新褐红色粘土和亚粘土，夹钙核及下更新统泥河湾层湖相沉积。盆地内河流曲折，地面波状起伏，地下水埋藏较深。由于盆地内地下水系众多，河流纵横交错，因此长治盆地成为华北地区为数不多的富水区之一。

本区主体上为一向西倾斜的单斜构造，新老地层自西向东出露，井田内地层从新至老有第四系(Q)、三叠系下统刘家沟组(T1L)、二叠系上统石千峰组(P2sh)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、二叠系下统下石盒子组(P1x)、二叠系下统山西组(P1S)、石炭系上统太原组(C3t)、石炭系中统本溪组(C2b)、奥陶系中统峰峰组(Q2f)。前震旦系地层在区域东侧有出露，第三系、第四系地层则不整合覆盖于各时代地层之上。井田范围内的煤层主要分布在下二叠统山西组和上石炭统太原组，共含煤19层，煤层总厚度14.62 m，含煤系数9.21%。其中可采煤层5层：3号、9号、12号、15-2、15-3煤层，平均总厚度9.44 m。目前井田主采煤层为3号煤，其余可采煤发育均不稳定。含水层主要有中奥陶统峰峰组O2f石灰岩岩溶裂隙含水层、二叠系下统山西组含水层组、基岩风化带裂隙含水层和第四系孔隙含水层。

2 样品采集测试与分析方法

从潞安集团夏店煤矿等9个煤矿采集并收集了水样41个，包括2个地表水样，3个第四系水样，21个二叠系下统山西组含水层组水样(煤系水)，15个中奥陶统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层水样(灰岩水)。样品进行了水质全分析，测试地点为江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)。

获得的测试数据利用Excel进行初步分析，利用水文地球化学软件GW_Chart进行地球化学分析与绘图。数据的整理、统计分析和相关性分析通过R完成。

3 数据分析

3.1 水文地球化学成分及空间分布规律

利用R(psych包)语言对原始数据进行分析，计算各含水层中主要离子、pH值与TDS的最小值、最大值、均值、标准差与变异系数，结果如表1所示。

表1 潞安矿区不同含水层水文地球化学特征 mg/L

将测试水样绘制成piper图，如图1所示。在图1中，方形代表地表水，三角形代表第四系地下水，圆形代表煤系砂岩含水层水，星形代表灰岩含水层水。

图1 不同含水层样品的piper

图2为用R计算的各常规指标间相关系数图。

图2 各常规指标间的相关系数

3.2 地下水水化学成分组成作用

为进一步分析潞安矿区各含水层水质的控制因素，分别对各类水化学成分的形成作用进行分析。地下水各化学成分的机理主要分成三类，分别是蒸发结晶作用、岩石风化和大气降水。地下水径流过程中与周围岩石发生水岩相互作用，如溶滤作用与浓缩作用等。潞安矿区各含水层(含地表水)水文地球化学Gibbs图如图3所示。其中圆形代表地表水，三角形代表第四系水，正方形代表煤系砂岩裂隙水，十字形代表灰岩水。

图3 潞安集矿区各含水层Gibbs

从图3可以看出，绝大多数的水样，包括地表水，第四系水，煤系水和部分灰岩水，处在岩石风化控制范围，说明该含水层的离子来源主要受岩石风化作用控制。灰岩水的变化较大，处在蒸发结晶控制和岩石风化控制的过渡阶段，说明灰岩水受到岩石风化和蒸发结晶共同控制。没有样品点落在大气降水控制的区域，说明大气降水对地下水的直接影响较小，或说明降水在补给地下含水层经历了明显的水岩相互作用。

图4 潞安矿区离子比值相关图(以毫克当量浓度比例计)

4 结 语

1) 第四系含水层、煤系水和灰岩水的pH值偏弱碱性，煤系水和灰岩水中个别水样的碱性较强；

2) 各主要含水层的TDS处于中等的范围，大多数在1 000 mg/L以下，少数灰岩水的TDS值达到了较高的水平；

4) 矿区地下水化学成分主要受蒸发结晶和岩石风化控制，岩石风化作用占主导作用，其次是蒸发岩的溶解作用。含水层中Ca2+和Mg2+主要来自蒸发岩溶解，HCO-3和K+/Na+主要来自盐类矿物的溶解。