顾桥矿北二采区地下水化学特征分析

汤双成

(江苏煤炭地质勘探二队，江苏 徐州 221006)

地下水是发达国家和发展中国家家庭、农业和工业的重要资源。中国约有61%的城市使用地下水作为饮用水，但约40%的地下水受到采矿的影响。由于长期的采矿活动，中国许多地区的不同含水层之间形成了不同程度的水力联系。地下水地球化学变化可大大降低突水源的准确判别，影响矿山安全。因此，在预测潜在的突水源之前，必须查明水文地球化学过程及其因采矿活动而发生的演化[1]。地下水的主要离子化学可以提供水文地球化学信息，因此，可以对地下水水文地球化学演化过程进行评估。

多变量统计方法，如主成分分析(PCA)、聚类分析(CA)和因子分析(FA)被成功地用于识别水文地球化学过程[2-5]。采用水化学分析方法评估了岩溶水系统中煤炭开采活动对岩溶水化学的影响。采用多元统计方法识别丁集煤矿地下水地球化学过程并确定含水层连通性[6]。然而，由于这种方法的多解性，仅选择一种方法来分析复杂的地下水系统显得过于简单和不足。将水化学分析与主成分分析(PCA)等多元统计方法相结合，可以对控制水质变化的水文地球化学机制作出较为合理的解释。主成分分析(PCA)是将大量复杂的化学数据集降维为由主成分(PC)得分和加载得分组成的小维度的最有效的方法之一[7，8]。近年来，许多研究者发现，负荷分数分析是评价水文地球化学演化的一种可行方法，因为它可以清楚地显示出PCs负荷分数的空间变化。采用主成分分析和负荷分数分析方法，分析了华北煤田地下水水文地球化学演化及其影响因素。他们发现采矿活动增强了含水层矿物的溶解，但削弱了脱硫作用和阳离子交换作用；水文地球化学演化过程主要受采矿活动、断层和褶皱构造的影响。因此，将水化学分析、主成分分析(PCA)和负荷分数分析相结合，可以更好地解释地下水水文地球化学过程和演化。

本文通过研究顾桥煤矿北二采区水文地质条件，收集地下水常规水化学离子样本，采用水化学分析和主成分分析法，对其水化学特征和水文地球化学性质进行了研究分析，对煤矿区地下水地球化学特征、水文地球化学过程及其演化进行了系统分析和评价，为今后煤矿生产具有一定的理论指导意义。

1 研究区概况

顾桥矿位于安徽省凤台县西北，距县城约20 km，归凤台县顾桥镇管辖。东西宽7～10 km，南北长8～15 km，面积约91.88 km2。地理坐标为东经116°29′18″～116°38＇48″，北纬32°42＇20″～32°52＇16″。其地面标高范围21～25 m，地势东南低西北高。本区属季风暖温带半湿润气候，季节性明显，夏季炎热，冬季寒冷。年平均气温为15.1 ℃，极端最高气温41.4 ℃(1959年8月24日)，极端最低气温-22.8 ℃(1969年1月31日)。年平均降雨量926.30 mm，最大1 723.5 mm(1954年)，最小471.90 mm(1966年)，日最大降雨量320.44 mm,小时最大降雨量75.30 mm。降雨多集中在6、7、8三个月，约占全年的40%。

采区地下含水层依据钻孔揭露以及赋存介质、富水性、岩性、对煤层威胁程度以及地质年代特征将其从上到下大致分为新生界含水层、煤系砂岩含水层和灰岩含水层。新生界含水层主要由砂、砾组成，底部有片状分布在基岩面上的岩性为灰白、紫红色砂岩、砾岩，富水性弱～中等，主要受大气降水给及层间越流补给。砂岩裂隙含水层岩性以细砂岩为主，局部为中粗砂岩和石英砂岩，多为泥质、钙质胶结，少量为硅质胶结。含水层的富水性与砂岩裂隙发育程度、裂隙开放程度和大小密切相关，由于区内砂岩裂隙发育的不均一性，导致砂岩含水性有很大差异。采区内水29孔单位涌水量为0.036 L/(s·m)，渗透系数为0.207 m/d，矿化度3.466 g/L，水质类型HCO3·Cl-Na型。抽水试验表明煤系砂岩裂隙含水层富水性弱，以储存量为主，补给条件差。石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层由灰岩、泥岩、粉砂岩以及薄煤层组成，自上而下划分为C3Ⅰ、C3Ⅱ、C3Ⅲ三个含水层(组)，其中C3Ⅰ是矿井1煤开采底板直接充水含水层，采区内太灰灰岩进行了抽水试验，单位涌水量0.019 7～0.023 L/(s·m)，为弱富水性，矿化度2.148～2.153 g/L，水质类型为Cl-Na型。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层厚度在74.85～75.10 m，平均74.98 m，岩性主要为灰～深灰色厚层状白云质灰岩及少量砾状灰岩，顶部夹灰绿色铝土团块，裂隙多呈闭合状，局部裂隙面可见泥、钙质薄膜或方解石脉。中下部为深灰色石灰岩，隐晶质结构，块状构造，下部为灰绿色泥质石灰岩。与下伏寒武系石灰岩呈不整合接触。奥灰水也可因断层或其他因素导致其直接与太灰含水组发生水力联系，奥灰水补给太灰含水组，补给水源丰富。

煤系砂岩分布在煤层、泥岩和粉砂岩之间，砂岩层厚度小，分布不稳定，又有煤层和泥岩相隔，断层带一般含水性极弱，导水性差，因此砂岩之间一般无水力联系。北二采区上盘区太原组C31灰岩距1煤层底板相距14.85～40.05 m，平均22.15 m。正常无水力联系，但1煤层采动后，可成为1煤层矿坑直接充水含水层(组)。尤其是煤层与灰岩对口的断层带，是1煤层底板进水的直接通道。

2 数据收集及其分析方法

通过收集顾桥北二采区水文地质钻孔及其补充勘探孔，一共获取15地下含水层水样，其中新生界含水层水样、太原组灰岩含水层水样和13煤顶板砂岩水样均为5个。新生界含水层取样孔为水2孔、水3孔、水4孔、水5孔、水6孔，太灰水取样孔为水14孔、水16、水18孔、水20孔、水21孔，13煤顶板砂岩水取样孔为10-7孔、13-3孔、风检孔1、副检孔1、原副检孔。

本文先通过Excel软件对收集的原始数据进行统计分析，利用SPSS软件对各含水层离子进行了主成分分析，采用Aquachem4.0软件绘制了含水层的Piper三线图、地下水Stiff图和地下水Gibbs图，共同探讨分析地下水的水化学特征。

3 水化学组成及类型分析

3.1 水化学组成

表1 不同含水层组分含量值表

3.2 主要化学指标间相互关系

表2 各指标间pearson相关系数表

(1)

3.3 水化学类型

将顾桥北二采区各含水层水样绘制成Piper三线图，见图1，不同常规离子在各含水层中的分布情况均可以从图中显示出来，也可以显示出地下水化学成分的演化特征。

图1 顾桥北二采区地下水Piper三线图及其图解

图2 顾桥北二采区地下水各含水层Stiff图

4 离子来源与控制因素分析

为了进一步了解各含水层中指标间的控制关系，对含水层中各指标进行主成分分析，结果见表3和表4所示。

表3 相关矩阵的特征值表

表4 主成分特征值表

5 结语

采用水化学分析、主成分分析、载荷分数分析等方法，对淮南顾桥北二采区地下水地球化学特征、水文地球化学过程进行了研究。从研究分析中可以得出以下结论。

(2)新生界含水层的水化学类型主要Cl-Na或Cl-K型，二叠系煤系含水层的水化学类型主要为Cl-Na或Cl-K型、HCO3-Na或HCO3-K型，太原组灰岩含水层水化学类型为Cl-Na或Cl-K型。

(3)淮南顾桥北二采区多含水层地下水系统水文地球化学过程由溶解、脱硫和阳离子交换三个子过程组成，通过对各指标进行相关性分析，发现K++Na+和Mg2+两种离子是TDS的主要来源。