不同采区地下水化学控制因素及水力联系探讨与分析

薛峰峰

（郑州煤炭工业（集团）杨河煤业有限公司，河南 新密 452382）

裴沟煤矿位于河南省新密市来集镇，为水文地质条件复杂矿井。对于水文地质条件复杂的区域，提前揭示采区间水力联系能对矿井水害防治起到很好的防范作用。随着近些年来水文地球化学的快速发展，水文地球化学以其快速、经济的优势逐渐用于判断不同区域水力联系的强弱，通过比较不同区域的地下水水岩相互作用机理比较出不同区域水力联系的强弱[1-8]。

1 概况

裴沟煤矿属于水文地质条件复杂矿井，矿井自上而下可划分为三个主要含水岩组：二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组（L7-8+L5-6）含水层和奥灰含水层（包括太原组L1-4）。裴沟矿井田内断裂构造较发育，特别是近东西向的走向构造发育。目前主要采区为31采区、32采区和42采区。其中31采区和42采区中间隔了浮山寨断层。浮山寨断层位于井田南部，走向近东西，落差50～360 m，倾角70°。该断层对该区域煤层的开采影响比较大。

2 水化学特征分析

经统计，31采区K++Na+平均含量2011—2013年中有过快速的上升，2013—2014年后快速下降，2013年最大值为152.41 mg/L。K++Na+变化与地下水流动性有关，水体流动性增强则含量低，水体流动性减弱则含量高。Mg2+平均含量2011年开始急速下降至最低点8.75 mg/L，2014年含量再回升。Ca2+与Mg2+变化相似，都是2014年含量最低。32采区K++Na+平均含量变化不大，2012年短暂的增加至最高点142.43 mg/L之后下降。Mg2+和Ca2+含量2010年之前变化幅度不大，2011年都快速下降。42采区K++Na+平均含量2005年最小，2013年最大，Mg2+和Ca2+表现出与K++Na+完全相反的趋势，由此推测42采区存在阳离子交替吸附作用。31采区2013—2014年Mg2+和Ca2+下降而42采区Mg2+和Ca2+上升，反映了两个采区发生了类似混合水的变化，导致这两个采区的水力联系增强。

通过对比分析可较明显得出裴沟矿区地下水总体呈碱性，但各采区TDS、pH相差不大。从主要离子浓度对比来看，31采区和42采区主要阴阳离子含量具有较好的一致性，32采区的K++Na+和HCO3-浓度与其他两个采区相差较大。且31采区的水化学类型主要为Ca-Mg-HCO3型、Na-K-HCO3-Cl型和Na-HCO3型；32采区的水化学类型主要是Ca-Mg-HCO3型；42采区的水化学类型主要是Ca-Mg-HCO3型、Na-K-HCO3-Cl型和Na-HCO3型。综上所述，31采区和42采区具有较好的相似性。

3 水岩相互作用分析

（1） Gibbs图离子分析

Gibbs（1970）通过对全球地表水体的水化学组分分析，把控制水体水化学组分形成的机制划分为3种：蒸发结晶主导型、岩石风化主导型和大气降水主导型。Gibbs图已被广泛用于天然地表水的研究，但是其也应用到地下水化学组分形成机制的研究中。将研究区内三个采区地下水化学数据绘制于Gibbs图中，水样几乎都落于Gibbs图中的“岩石风化主导型”区域，说明岩石风化是这三个采区水化学组分形成的主导作用。

（2）因子分析

在地球化学研究中，长期以来一直采用因子分析用于某些特定污染物的来源，现将其用于探究离子来源。然后分别对三个采区进行因子分析在特征值大于1，且提取因子的个数累计解释率超75%的原则下，最终31、32和42采区的化学特征都用2个因子表示，正交旋转后的因子其累积贡献率分别为91.081%、75.544%和90.577%。31采区和42采区Ca2+、Mg2+和SO42-在FA1上具有较高的正荷载，推测是硫酸盐和碳酸盐溶解。31采区和42采区K++Na+、HCO3-和Cl-在FA2上也具有正荷载，推测是石盐溶解和硅酸盐风化的影响。32采区K++Na+和Cl-在FA1上具有较强的正荷载，推测是石盐溶解的结果。32采区K++Na+和HCO3-在FA2上也具有正荷载，且SO42-显示较强的负荷载，推测是碳酸盐溶解、硅酸盐风化和脱硫酸作用的影响。

（3）聚类分析

系统聚类是根据样本间的亲疏关系将样本进行分类，相近的归为一类，差别较大的归为另一类。聚类分析方法可以简化对大规模样品之间关系的识别。将裴沟矿区水样分为2大类：C1、C2。C2中除了一个32采区的水样，其他的都是31采区和42采区的水样。表明31采区和42采区可能存在着水力联系。该聚类分析结果又证明了之前提到的31采区和42采区之间的相似性。

（4）综合分析

通过水化学特征、Gibbs图离子分析、因子分析、聚类分析发现31采区和42采区水力联系比31采区和32采区强。且通过2013—2014年两采区一次类似混合水的变化，也反映了两个采区之间存在水力通道。31采区和32采区距离较近，而31采区与42采区之间存在浮山寨断层。断层隔开的采区区域岩性较相邻采区区域岩性差异更大。但是以上研究却发现断层隔开的采区具有很大程度的相似性，相邻采区却存在较大不同。由此推测，浮山寨断层中存在一条水力通道连通了31采区和42采区，但是浮山寨断层之间存在连接31采区和42采区的通道，通道的具体位置还需未来进一步研究。推测31采区随着煤矿开采的进行，高承压奥灰水作用于隔水层导致其裂隙不断增容并向上扩展，由于水压和矿山压力的长期作用导致奥灰水通过裂隙通道由浮山寨断层进入42采区。

4 结论

在系统地测试裴沟矿区水样的基础上，进行了多种数理统计分析，并取得了如下结果：

（1）系统分析了三个采区水样的检测结果，发现31采区与42采区水力联系强于31采区和32采区。

（2）通过因子分析表明，受矿区地质背景条件和采矿活动影响，3个采区水化学成分的形成作用主要包括离子交换、石盐、硫酸盐、碳酸盐溶解、硅酸盐风化和脱硫酸作用，其中32采区硫酸盐溶解和脱硫酸作用较为明显。

（3）根据矿区地质背景条件和水化学特征推测31采区与42采区之间可能存在一条隐蔽的通道，通过浮山寨断层相互连通。

通过探讨3个采区水化学成分的形成机制及控制因素，最终判断3个采区之间的水力联系，对于有效指导水害防治工作具有重要意义。