华北隐伏型煤矿主要充水含水层水化学组分来源及演化机制分析

蒋孝峰,刘少羽,吴宇罡

(华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050000)

华北型煤矿区区域构造及水文地质条件复杂多样,整个地下水系统是由不同程度水力联系的若干充水含水层组成[1]。区域内构造的变化、不同含水层水位的变化及采动过程中的生产、生活等都会导致水化学场要素发生改变,从而导致水文地质条件更加复杂,矿井突水事件频繁发生。诸如:平禹一矿“10.19”寒灰特大突水[2]以及德胜煤矿8号煤层1841工作面特大突水[3]等事件造成了巨大的经济损失,严重威胁了华北型煤矿的生产安全。为了“预测预报”突水,国内外学者做了大量研究工作,为了更快更准确的捕捉突水预兆期内的水化学信息,从水质类型对比、非线性分析方法[4]及多元统计学方法[5]逐渐深入到建立突水水源判别模型[6]等方法来评价矿井突水的可能性。以上类似的成果未能够将区域地质条件和水文地质条件充分的考虑进去,仅仅将各个主要突水含水层看作孤立含水层的简单组合,很少去探讨煤层采动影响下地下水化学组分的水-岩作用及形成机理。此外平顶山地区奥陶系地层的缺失,以寒武系灰岩岩溶裂隙水作为主要充水水源。因此,研究该区域主要充水含水层水化学特征及水-岩相互作用的形成机理对矿井突水的研究具有重大的意义。

本文以河南平顶山矿区为例,在利用多元统计法对研究区主要充水含水层地下水样分析的基础上,结合Piper三线图、Gibbs图、离子组合比分析以及主成分分析,分析和讨论了平顶山矿区主要充水含水层的水化学特征、水化学组分的主要来源及演化机制。

1 研究区概况

平顶山矿区区内地层与我国华北多数煤田基本一致,除缺失奥陶、志留、泥盆系及中生界外,其余均有沉积。区内现有矿井由东向西为平煤神马集团所属的八矿、十二矿、十矿、一矿、二矿、三矿、五矿、四矿、六矿、七矿、九矿、十一矿及香山矿,在矿区北部还有十三矿和首山一矿,是我国主要煤炭生产基地之一。矿区内主要充水含水层从下到上包括:寒武系灰岩岩溶裂隙含水层(简称“寒灰”)在研究区岩溶裂隙较发育,富水性中等,不均匀性强;石炭系太原组底部(L7-L11)灰岩岩溶裂隙含水层(简称“七灰”)位于太原组底部,在开采庚组煤层过程中,太原组底部七灰水同寒武系灰岩水沟通,其涌水量较大;石炭系太原组上部(L1-L4)灰岩岩溶裂隙含水层(简称“二灰”)位于太原组上部,浅部岩溶裂隙较发育,富水性好,深部岩溶裂隙发育程度与富水性减弱,层位稳定,是己组煤底板直接充水含水层;二叠系煤层顶板砂岩裂隙含水层(简称“砂岩”)节理裂隙发育,含水性弱～中等富水含水层,属煤层开采时直接充水含水层,对煤层开采的影响最大。

2 水化学特组分及演化分析

为了确定平顶山矿区主要充水含水层(寒灰、七灰、二灰和砂岩)的水化学组分的来源及演化机理,收集并整理了1970-2018年间平顶山神马集团地测处、河南理工大学、西安煤科院及平顶山各矿井在勘探及生产过程中化验的水质资料,经过筛选及计算,1970-2018年有285个水质指标阴阳离子平衡误差在±5%以内符合标准。其中砂岩水样53个,二灰水样64个,七灰水样22个,寒灰水样146个。1970-2018年间水样点分布图如图1所示。

图1 平顶山矿区区域地质、地下水流向及采样点分布

2.1 主要离子分布特征及水化学类型

采用基本统计学方法对平顶山矿区1970-2018年间285个水样数据常规离子进行分析(表1)。Piper三线图能够直观反映不同含水层主要常规离子分布特征和相对丰度[7],由此绘制Piper三线图(5-b):

表1 平顶山矿区1970-2018年地下水样水化学指标分析

平顶山矿区4个主要充水含水层pH值均大于7,总体呈现为碱性;TDS的均值分别为626.39,527.08,538.50,513.57 mg/L,变异系数均小于0.5,矿化度整体偏差不大。平顶山矿区砂岩、二灰、七灰中阳离子均以Na+为主,而寒灰以Ca2+为主;阴离子均以HCO3-为主,其中砂岩水更为富集。平顶山矿区4个主要充水含水层阴离子质量浓度关系均为HCO3->SO42->Cl-,砂岩、二灰、七灰阳离子质量浓度关系为Na+>Ca2+>Mg2+,寒灰阳离子质量浓度关系为Ca2+>Na+>Mg2+。变异系数又称“标准差率”,是衡量资料中各观测值变异程度的另一个统计量[8]。常规离子变异系数大于0.5的,砂岩有Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-,二灰有Na+、Mg2+、Cl-、SO42-,七灰有Na+,寒灰有Na+、Mg2+、Cl-、SO42-。常规离子的变异系数越大,在水化学组成成分中表现越不稳定,越能体现不同含水层水化学成分形成作用。平顶山矿区主要充水含水层中寒灰主要水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,还有少部分HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型,七灰主要水化学类型为HCO3-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg,还有少部分HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型;二灰主要水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca型,还有少部分HCO3-Na、HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Na、HCO3·SO4-Na·Mg型;砂岩主要水化学类型为HCO3-Na型,还有少部分HCO3·Cl-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Ca·Na·Mg型。

2.2 水化学成分控制作用

Gibbs图能够清晰地展现自然界水体的水化学组成及其变化规律[9],主要是利用地下水不同水体中TDS与Na+/(Na++Ca2+)及Cl-/(Cl-+HCO3-)的比值关系,判断研究区内主要离子的来源受岩石风化作用、大气降水作用及蒸发-浓缩作用中哪一种或哪几种作用控制。水样数据中TDS含量基本上都大于100 mg/L,说明矿区主要充水含水层中水化学成分受大气降水影响微弱。阳离子Gibbs图中(图2-a)寒灰、七灰、二灰分布位置少部分位于Na+/(Na++Ca2+)上部,大部分比值低于0.5,表明这三个含水层中的水化学离子组成主要受岩石风化溶滤的影响;砂岩水样分布位置与其他3个含水层水样位置恰好相反,主要受到蒸发-浓缩作用影响较大。然而,阴离子Gibbs图(图2-b)中4个主要充水含水层的水化学离子组成主要受岩石风化溶滤作用影响。在地下水中Cl-有两点特性,一是不被土壤颗粒表面吸附,二是很少与矿物中的其他离子发生反应,是作为地下水离子来源的参考依据。因此以TDS与Cl-/(Cl-+HCO3-)阴离子Gibbs图(图2-b)中所反映信息作为主要参考依据。阴离子Gibbs图显示,除二灰有2个水样点分布位置大于0.5,其他所有水样点分布位置均小于0.5。因此,研究区主要充水含水层水化学主要离子的来源主要受岩石风化溶滤作用。

(a) (b)

2.3 离子组和比分析

地下主要充水含水层的水化学组分及形成作用,可以通过阴阳离子间的比值关系进行探究[10]。地下水中Cl-含量相比其他离子来说较为稳定,α(Na+)/α(Cl-)的比值通常用来揭示Na+的来源。图3-a能够看出平顶山矿区寒灰、二灰和部分七灰的水样点主要分布在α(Na+)/α(Cl-)=1比例线附近,说明岩盐溶解是这些充水含水层Na+的主要来源;另一部分寒灰、七灰α(Na+)/α(Cl-)>1,是由于寒灰顶部及七灰底部可能存在一层铝土质泥岩,粘土含量高,水流动的速率慢,阳离子的交替吸附作用增强,有利于Na+的充分交换和聚集。而且水化学α(Na+-Cl-)/(α(Ca2++Mg2+)-α(SO42-+HCO3-))比值关系可以反映阳离子交替吸附作用强度。由图3-b可以看出主要充水含水层的水样点均分布在斜率为-1的直线附近,故阳离子交替吸附作用导致Na+升高,Ca2+、Mg2+减少,方程式(2)、(3)如下:

图3 平顶山矿区地下水主要离子相关关系图

(2)

(3)

2NaAlSi3O8+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

(4)

一般来说,地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-的来源与碳酸盐岩(方解石、白云石)、硫酸盐岩(石膏)的溶解相关,溶解方程式如下:

CaCO3+H2CO3→Ca2++2HCO3-

(5)

CaMg(CO3)2+2H2CO3→Ca2++Mg2++4HCO3-

(6)

CaSO4·2H2O→Ca2++SO42-+2H2O

(7)

2.4 主成分分析

利用SPSS软件中相应的主成分分析原理,将平顶山矿区主要充水含水层285个水样数据中具有相关性的分析变量Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、及TDS重新组合成新的少数几种相互无关的综合变量称为主成分我们将其定义(F1,F2,…,Fn),此外主成分载荷值是主成分分析中原始变量与主成分之间的相关系数,而荷载值与相应分析变量乘积的累加值可以得到每个充水含水层水样点对应的主成分荷载得分将其定义为(SF1,SF2,…,SFn)。通过主成分荷载值及荷载得分值[11],能够解释主要充水含水层中主要离子成分的水-岩相互作用及其演化机制。

对平顶山矿区主要充水含水层的285个水样数据进行主成分分析,从表2中能够看出主成分F1的方差贡献率为48.058%,主成分F2的贡献率为28.145%,二者累计贡献率为76.203%,基本上涵盖了整个矿区主要充水含水层的地下水化学信息[12]。图4是利用方差最大旋转法得到的各分析变量在主成分F1为横坐标、主成分F2为众坐标的荷载分布图。由图4看出在主成分F1上HCO3-、Na+、Cl-和TDS具有较高的正荷载值,Na+的高荷载值主要是由于硅酸盐矿物的风化作用及阳离子的交替吸附作用所导致;HCO3-荷载值高是因为硅酸盐矿物的溶解及在封闭环境中氧气耗尽SO42-在脱氧菌的作用下发生还原作用;Na+和Cl-的荷载值高(即主要充水含水层中高Na+、Cl-),通常情况下高矿化度地下水以Na+、Cl-为主。在主成分F2上Ca2+、Mg2+和SO42-具有较高的正荷载值,根据已经收集的平顶山矿区资料显示,各个充水含水层与矿区煤层都有着直接或间接的关系,煤层的采动生产活动或多或少的影响着地下水的运移及地下水化学的形成。

表2 应用方差最大旋转法得主成分的荷载值、特征值及贡献率

图4 平顶山矿区地下水各变量在F1和F2上的荷载分布

由于煤层中含有一定成分的硫,这种硫经常以硫化物和有机硫的形式存在,因此煤矿区的地下水常常因硫的氧化而具弱酸性,氧化生成的酸性水,和各个充水含水层周围含钙的岩石(碳酸盐岩、硫酸盐岩等)发生化学反应,经过一系列连续地反应,地下水中HCO3-含量逐渐增加,pH值也随之增大,将弱酸性水变为弱碱性水,使得碳酸盐岩及硫酸盐岩加速溶解,从而导致Ca2+、Mg2+及SO42-的正荷载值较高,故主成分F2轴可用于解释黄铁矿的氧化作用和碳酸盐岩、硫酸盐岩的溶解作用。相关的反应化学方程式如下:

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4

(8)

4FeSO4+2H2SO4+O2→2Fe(SO4)3+2H2O

(9)

Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3↓+3H2SO4

(10)

H2SO4+CaCO3→CaSO4+CO2+H2O

(11)

CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2

(12)

将平顶山矿区285个水样点数据的主成分F1-主成分F2荷载得分结果SF1-SF2绘制成散点图5-a,结合水化学类型Piper三线图5-b可知:

(a) (b)

(1)由图5-a可以看出寒灰水样点主要位于主成分荷载得分SF2坐标轴零线附近及上方,说明寒灰受到黄铁矿氧化作用微弱,但受碳酸盐岩、硫酸盐岩的溶解作用,并伴随着一定程度着脱氧酸作用及阳离子的交替吸附作用。对比2010前与2010-2018年水样点数据,能够看出寒灰受采矿活动的影响较大,水样点的位置明显向右上移动,说明地下水径流条件的变化导致碳酸盐岩(白云石)、硫酸盐岩的风化溶解作用增强。根据Piper三线图(图5-b)分析结果,2010前寒灰以HCO3-、Ca2+、Mg2+为主,而2010-2018寒灰以HCO3-、Na+、Ca2+、SO42-为主,2010前盐岩溶解为寒灰水中Na+的主要来源,2010-2018由于阳离子的负交替吸附作用导致Na+增多,Ca2+、Mg2+减少,而寒灰中HCO3-、Ca2+、Mg2+、SO42-主要来自碳酸盐岩(白云岩)与硫酸盐岩的溶解作用,此外SO42-的增多,可能是因为后期采矿扰动的影响下部分黄铁矿发生氧化作用或石膏溶解的增强。

(2)图5-a中砂岩主要位于主成分荷载得分SF1轴线下方,说明主要受硅酸盐岩的风化作用影响;少部分砂岩的水样点位于主成分荷载得分SF2轴零线附近,说明碳酸盐岩与石膏的溶解作用对砂岩水化学形成组分影响微弱。对比2010年前与2010-2018年间的的水样点分布,砂岩沿着SF2轴向上移动,说明后期砂岩受采矿扰动,地下水径流条件的变化,导致硅酸盐岩风化溶蚀作用增强,水化学成分发生改变。由图5-b可以看出2010年前主要以HCO3-、Na+为主,Ca2+、Mg2+相对较少;然而2010-2018年间主要以HCO3-、Na+、Ca2+、SO42-为主,进一步验证了水样点分布位置改变的合理性。

(3)图5-a中七灰主要位于主成分荷载得分SF1轴线上方,而且大部分位于右侧,说明七灰主要受黄铁矿氧化作用与碳酸盐岩(方解石)溶解作用的影响。对比2010年与2010-2018年间的的水样点分布,七灰沿着SF2略向右上移动,说明采矿扰动下,地下水径流条件的变化,黄铁矿氧化作用增强,碳酸盐岩风化溶蚀增强。由图5-b可以看出2010年前和2010-2018年七灰水化学主要以HCO3-、Ca2+、SO42-为主,离子组分变化不大。

(4)图5-a中二灰部分分布在砂岩水的聚集区,主要是由于两个充水含水层距离较近,采矿影响下砂岩混合的结果,而另一部分二灰分布点位置与七灰位置类似,这与灰岩成分的相似性相关。对比两个时间段的分布,二灰分布位置向上移动,说明采矿扰动下,地下水径流条件的变化,存在着黄铁矿氧化作用导致碳酸盐岩的加速溶解。由图5-b可以看出2010前主要以HCO3-、Ca2+、Na+为主,然而2010-2018改变为主要以HCO3-、Ca2+、SO42-,同样证明黄铁矿的氧化作用对离子组分有较大的影响。

3 结语

(1)平顶山矿区主要充水含水层pH值均大于7,总体呈弱碱性。寒灰主要水化学类型HCO3-Ca·Mg和HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型,其中Na+、Mg2+、Cl-、SO42-变异系数大;七灰水主要水化学类型为HCO3-Ca及HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,其中Na+的变异系数大;砂岩水的主要水化学类型为HCO3-Na型,其中Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-变异系数大;二灰水主要水化学类型为HCO3-Ca及HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型,也有部分HCO3-Na型,其中Na+、Mg2+、Cl-、SO42-变异系数大。水化学的离子组分变异系数越大,越能够深层次反映不同地下水水化学成分的形成作用。

(2)对平顶山矿区285个地下水水样的常规离子分析结果表明,平顶山矿区主要充水含水层水化学组分的形成作用主要受岩石风化溶滤作用的影响,大气降水及蒸发-浓缩作用影响相对较微弱。平顶山矿区地下水化学常规离子的来源主要有阳离子交替吸附作用,盐岩、硅酸盐岩、碳酸盐岩及硫酸盐岩的溶解,黄铁矿的氧化及脱氧酸作用。其中寒灰、二灰、七灰中Na+、Cl-主要来自盐岩溶解;砂岩中Na+主要来自硅酸盐矿物及盐岩的溶解,Cl-主要来自盐岩溶解;七灰与寒灰Ca2+、Mg2+、HCO3-及SO42-主要来自碳酸盐岩与硫酸盐岩的溶解;砂岩中Ca2+、Mg2+及SO42-主要来自碳酸盐岩和硫酸盐岩的溶解,HCO3-主要来自硅酸盐岩及碳酸盐岩的溶解;二灰的Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、HCO3-及SO42-的主要来源一部分与七灰相同,一部分与砂岩相同,这主要跟砂岩的混入有关。

(3)采煤扰动下,地下水径流条件的变化导致平顶山矿区主要充水含水层地下水与围岩的接触的水动力发生改变,寒灰水与白云石、石膏的溶解作用增强;砂岩水与硅酸盐岩的溶蚀作用增强;二灰和七灰水黄铁矿氧化作用及方解石溶解作用增强。各主要充水含水层水化学组分的形成作用及演化机制发生改变,这对后期的平顶山煤矿区突水判别具有重大的意义。