基于水化学和氯同位素的煤矿矿井水来源识别与解析

张胜军，丁亚恒，姜春露，李 明，郑刘根

(1.河南能源化工集团永煤公司，河南 永城 476600；2.安徽大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601)

突(涌)水是影响矿井安全高效生产的关键因素之一。水源识别是矿井防治水工作的重要基础工作[1-3]。从目前突(涌)水水源识别研究现状来看，识别方法大多针对突(涌)水水源为单一来源情况[4]。国内外专家和学者开展了大量的研究，目前常采用的突水水源的判别方法主要有水化学特征法[5]、距离判别法[6]、模糊综合评价法[7]和Fisher判别法[8]等，这些方法对单一水源能够做出较为准确地判别。但矿井突(涌)水往往是两个或多个含水层地下水以不同比例混合后突涌而出，在突水水源的实际识别中，不考虑混合水的情况会造成识别结果不全面等问题，甚至导致误判。因此，部分学者开展了矿井混合水源识别与计算。李燕等[9]采用水化学离子成分守恒方法对矿井涌水构成进行定量分析。Liu、Duan等[10，11]以中国三山岛金矿为例，采用主成分分析法和层次聚类分析法，再利用最大似然估计法估算出矿井各水源的混合比例。Laura Scheiber等[12]针对欧洲某露天铜矿提出一种基于多元统计分析方法解决存在两个以上的水源在质量平衡应用中产生的不确定性。陈建平等[13]利用不同含水层中环境同位素δ13C的差异和水化学特征对隆德矿进行矿井水源识别，结果表明利用环境同位素结合水化学分析能够精准地识别矿井突水来源，并能估算出各水源的混合比例。以往研究结果表明，随着开采活动的进行，矿井地下水主要水文地球化学作用可能发生变化，导致水化学特征与初始情况产生差异[14]。利用环境同位素结合水化学方法进行矿井水源识别与贡献比例评估可以获得更加准确的结果。因水文地球化学环境改变，地下水中碳硫等物质可能以不同形式存在，这给水源识别带来了一定的困难。Cl-因溶解度大，不易沉淀析出，又不为植物或细菌吸收、不被岩石颗粒吸附，故成为地下水中最稳定的离子。氯同位素在地下水方面的研究可适用于示踪地下水的来源和演化路径、示踪污染物源区和量化生物修复等[15]。

我国煤矿床水文地质条件复杂多样，水文地球化学环境差异较大。因此，矿井水源识别需结合矿井具体水文地质条件进行，并计算各水源的混合情况。本文以某华北型煤矿矿井涌水为研究对象，在主要充水含水层水文地球化学特征研究基础上，结合聚类分析识别了矿井涌水来源，采用Cl-和δ37Cl质量守恒关系解析出矿井涌水组成比例，为矿井防治水工作提供技术支撑[16-18]。

1 样品与方法

城郊煤矿位于淮北平原，区内地势较为平坦，地面标高一般在+22～+26m，属于温带季风气候，四季分明，年平均气温为15.1℃，年平均降水量约890mm。研究矿井在构造上位于华北板块南部，属于典型的华北型矿井，主采煤层赋存于二叠系，奥陶纪灰岩为煤系地层沉积基底。多年开采实践表明，影响矿井安全生产的水源类型主要为新生界松散层水、煤系砂岩水、太灰水和奥灰水。

2 水化学特征

表1 主要水源类型与矿井涌水化学指标

图1 Piper三线图

3 矿井涌水来源识别

Piper三线图从电荷平衡的角度反映了水样中各离子的相对含量。由以上分析可知，矿井涌水与砂岩水、太灰水在TDS和水化学类型两方面均比较相近，与松散层水和奥灰水在TDS和水化学类型两方面均差异较大。由此可以反映出矿井涌水主要由砂岩水和太灰水混合而成，这主要由于煤系砂岩和太灰是矿井直接充水含水层，二者通过煤层顶底板三带中采动裂隙涌入矿井。松散层水可能通过隐伏露头补充煤系砂岩和太灰，间接涌入矿坑，但涌入量较小，否则矿井涌水化学特征将与松散层水相近。根据表1可知奥灰水中Cl-含量超过了2000mg/L，其含量远远高于矿井涌水，可以推测奥灰水不是矿井水的来源。

为进一步识别矿井水来源，对所有水样进行了聚类分析[20]。聚类分析的算法种类众多，其中系统聚类分析是应用于矿井水源分析较为成功的方法之一[21]。其操作步骤为：首先确定原始数据，将要进行聚类分析的对象的各项指标及相应的测量值进行数据变化处理，使其变成相对一致的数据；然后根据变化处理后的数据进行计算，可以判断出各个样本之间的亲密程度，确定分类的原则与方法，将亲密程度较高的样本聚为一类，最终可以得到样本的分类结果[22]。

假设有n个水样样本，每个样本测得m项指标，那么第i个样本的的第j个指标记为Xij。聚类统计量反映了各个样本之间亲密程度的指标，主要分为距离和相似系数两大类。选择欧氏距离作为聚类统计量，用dij表示，那么相似关系矩阵为：

图2 水样聚类图

4 矿井涌水组成计算

从表1可知Cl-是多个含水层离子含量较高的离子，通过所测得的氯同位素δ37Cl与Cl-进行质量平衡计算，可以得出矿井涌水中各个来源的贡献比例。

从上述分析可知，矿井涌水主要由砂岩水和太灰水混合而成，可将它们作为矿井涌水的两个主要端元，将其它可能混入的水源作为一个其它端元。矿井涌水的Cl-来源可分为三个端元，分别为砂岩水端元、太灰水端元和其它端元。矿井涌水是研究区相应含水层水源混合而成，由于Cl-一般不发生化学反应，Cl-与δ37Cl-值应在各含水层的值之间。

研究区含水层的δ37Cl与Cl-关系如图3所示。根据水化学端元模型原理，如采用稳定好的元素进行混合比例计算，一般混合水源的指标含量应在各端元确定的线段或多边形范围内[13，21]。因此，在本研究中矿井涌水的δ37Cl与Cl-值要在三个端元值之间，在图3中则表现为矿井涌水的点要被各端元包含在其中，则可取A、B两点分别为砂岩水和太灰水的端元值。其中A点代表可能的高Cl-和低37Cl含量的砂岩水，B点代表低Cl-和高37Cl含量的太灰水。C点由A和B两点结合AC和BC包含所有矿井涌水的最小范围来确定。由表1可知A点的Cl-浓度为1592.18mg/L，δ37Cl值-0.39‰，B点的Cl-浓度为550.90mg/L，δ37Cl值0.30‰。由于其它端元不是矿井涌水的主要端元，可取C点作为其他端元，从图中可以看出其它端元(C)的Cl-浓度约为75mg/L，δ37Cl的值约为-0.54‰。由表1得知松散层水的Cl-含量均低于100mg/L，与其它端元(C)的Cl-含量低相一致，可推测其它端元中可能包含松散层水的入渗，但其他端元(C)不是矿井涌水的主要端元。

图3 δ37Cl与Cl-关系图

通过利用Cl-与δ37Cl值所组成的三元混合模型可以计算出各个端元对矿井水的Cl-和δ37Cl所贡献的比例[21]，计算公式如下：

δ37ClA×FA+δ37ClB×FB+δ37ClC×FC=δ37Cl样品

[Cl-]A×fA+[Cl-]B×fB+[Cl-]C×fC=[Cl-]样品

FA=[Cl-]A×fA/[Cl-]样品

FB=[Cl-]B×fB/[Cl-]样品

FC=[Cl-]C×fC/[Cl-]样品

FA+FB+FC=1；fA+fB+fC=1

式中，fA、fB、fC分别代表研究区砂岩水、太灰水和其他端元(C)所占矿井涌水的体积分数；FA、FB、FC分别代表研究区砂岩水、太灰水和其他端元(C)所占矿井涌水的贡献比例；[Cl-]样品、δ37Cl样品分别代表矿井涌水某一水样的Cl-浓度和δ37Cl值。

将研究区矿井涌水的五个水样的Cl-浓度和δ37Cl值以及三个端元对应的数值带入上述公式中可以计算出相应的贡献比例值，其结果见表2。

表2 矿井涌水组成计算结果 %

Cl-因溶解度大，氯化物不容易形成难溶的矿物，不易沉淀析出，又不为植物或细菌吸收、不被岩石颗粒吸附，故成为地下水中最稳定的离子。所以对于研究区矿井涌水的Cl-的含量只会来自于混合水中Cl-含量的叠加。从表2中可以看出，矿井涌水中砂岩水的贡献比例在23.7%～94%之间。太灰水除了在第一个矿井水样(编号为M1)里的贡献比例为0以外，在其他4个矿井水样中的贡献比例在10.5%～74.4%之间。未知端元在上述5个矿井水样中的贡献比例均在20%以下。解析计算结果与前述水化学特征和聚类分析结果一致。

5 结 论

1)研究区矿井涌水化学指标含量和水化学类型均与煤系砂岩水和太灰水相似，聚类分析结果也反映出砂岩水、太灰水和矿井涌水样本距离较近，表明矿井涌水的主要来源为砂岩水和太灰水。

2)结合Cl-和δ37Cl质量守恒，经端元法计算得出砂岩水和太灰水占矿井涌水的比例在80.8%以上，未知端元水源贡献比例小于19.2%。