峰峰矿区深层奥灰水水化学演化规律研究

郝春明，张 伟，孙 伟，何培雍

(1.华北科技学院，河北 三河 065201；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

奥陶系中统峰峰组灰岩裂隙岩溶含水层(以下简称“奥灰水”)是一套碳酸盐岩海相沉积地层，由角砾状灰岩、厚层花斑灰岩、纯灰岩、薄层灰岩和泥灰岩等组成，局部富含石膏为主要特征的含水层组，因其水量大、水质好，一直是中国北方最主要的饮用含水层组之一。峰峰矿区主要开采岩层为石炭系太原组和二叠系山西组煤层，受复杂的地质条件影响，采煤过程中经常受到奥灰水的制约影响[1]。一方面矿井开采下组煤层受到奥灰水的突水威胁，另一方面矿井开采下组煤层为防止突水安全生产，采取了疏水降压的开采方式，致使奥灰水水位大幅度下降，奥灰水水质逐渐恶化[2]。

1 矿区水文地质条件

峰峰矿区位于华北板块，早期变形表现为宽缓褶皱，后期强烈引张、裂陷，表现为太行山前断裂带，以正断层为主。按其含水层岩性、含水介质特征和埋藏条件划分，矿区主要赋存寒武系鲕状灰岩裂隙岩溶含水层、奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层、石炭系太原统薄层灰岩裂隙含水层组、二叠系山西组砂岩裂隙含水层和第四系洪积-坡积砂土孔隙含水层。

奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层是矿区主要的含水层，以西部山区和中部灰岩裸露区降雨为补给，构造断陷盆地强径流，石炭系中统太原组-二叠系下统山西组煤层阻隔以泉群排泄方式为主的水文地质单元，含水层厚度为470～584 m，裂隙发育，以溶孔和溶隙为主，静态水位标高为125～130 m，现水位标高为105～110 m。峰峰矿区奥灰水2017年样品点位分布图和典型水文地质剖面图如图1所示。

图1 样品点分布和典型水文地质剖面Fig.1 Distribution of sample points and typical hydro-geological profiles

2 数据采集、测试与分析

表1 峰峰矿区不同时期奥灰水水化学离子统计表Table 1 Statistical hydro-chemical data of OL water in different periods of Fengfeng mining area

3 结果与分析

3.1 不同时期的奥灰水水化学演变过程

图2 水化学离子随开采时间演化图Fig.2 Evolution diagram of hydro-chemical ions with mining time

图3 piper三线图Fig.3 piper diagram

图4 不同时期奥灰水TDS与水化学离子之间的关系图Fig.4 Relationship between TDS and hydro-chemical ions in different periods

3.2 不同时期奥灰水水-岩作用过程

图5 不同时期的奥灰水中与关系图 and in different periods

3.3 离子交换作用

图6 不同时期奥灰水中和Na++K+-Cl-关系图 and (Na++K+-Cl-) in different periods

3.4 奥灰水水化学成分主成分分析

由图7可知，1980年奥灰水样品主要分布在第三象限，离子交换、脱硫酸、硅酸盐溶解和硫铁矿氧化作用均较弱，所以矿化度较低，随着煤矿开采时间的延长，奥灰水呈现出不同的水岩作用过程；1996年的奥灰水样品分布位置与1980年毗邻，表明该时期采动活动未对奥灰水水化学成分产生影响；从2007年开始，奥灰水样品位置逐步上移，分布于第二象限，表明奥灰水主要受到了离子交换作用的影响；2012年和2017年奥灰水样品主要分布在第一和第二象限，表明除了离子交换作用外，还受到了硅酸盐溶解或硫铁矿氧化的作用。

图7 不同时期奥灰水水化学成分主成分图Fig.7 Principal composition chart of hydrogen-chemical ions in different periods

在第一象限和第四象限中，奥灰水样品率排序依次为2017年(80%)>2012年(30%)>2007年(16.7%)>1996年(0%)和1980年(0%)；在第一象限和第二象限中，奥灰水样品率排序依次为2007年(83.3%)>2017年的(60%)≥2012年(60%)>1996年(40%)>1980年(22.22%)。表明随着奥灰水水位的降低，硅盐酸溶解和硫铁矿氧化作用过程越来越显著，而离子交换作用则有所降低。

4 结 论

2) 不同时期奥灰水中水岩作用存在明显差异。1980—1996年期间，白云岩溶解和岩盐溶解为奥灰水主要的水岩作用；2012—2017年期间，除岩盐的溶解，白云岩和石膏矿物的溶解外，奥灰水中还存有其他的水岩作用过程。

3) 水化学主成分分析结果表明随着煤矿开采时间的延长，水岩作用过程由最初的碳酸盐反应为主导演化成后期的硫酸盐反应为主导，并伴随有强烈的离子交换作用。