基于Piper三線圖的礦井水化學(xué)特征分析

王雅茹 施龍青 邱 梅

(山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

1 引言

鄂莊井田位于萊蕪煤田的西南部，總體上為軸向NE的向斜構(gòu)造[1]，礦井可采煤層為山西組2、4、7煤層及太原組的第11、13、15、19煤層。經(jīng)過(guò)35年的開(kāi)采，山西組煤層開(kāi)采殆盡，目前主要開(kāi)采太原組煤層[2]。礦井開(kāi)采過(guò)程中，主要充水水源為底板奧灰及徐灰?guī)r溶水、煤系地層砂巖水及礦井老空水。

在此次過(guò)程中，對(duì)采集來(lái)的鄂莊礦井水樣進(jìn)行礦化度和主要特征離子含量的測(cè)定及分析，進(jìn)而對(duì)礦井涌水類型判斷。本文依據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料及水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告，通過(guò)礦井水水樣采集、測(cè)試，用水化學(xué)方法和Piper三線圖的方法對(duì)水樣進(jìn)行篩選[3]，對(duì)礦井水的化學(xué)特征進(jìn)行直觀的分析，快速判別水源類型，為礦井水害的防治及綜合利用提供指導(dǎo)。

2 Piper三線圖

2.1 繪制Piper三線圖

Piper三線圖旨在利用圖示揭露水化學(xué)離子的分布特征，通過(guò)圖示能夠直接反映出樣本水的一般化學(xué)特征及其類型。本文將水樣化驗(yàn)結(jié)果的常規(guī)離子濃度錄入Excel，導(dǎo)入AquaChem軟件，自動(dòng)生成離子分布特征圖。

2.2 Piper三線圖水源判斷

Piper三線圖由三部分組成。其中左下方的三角形代表陽(yáng)離子的相對(duì)摩爾百分量，右下角的三角形代表陰離子的相對(duì)摩爾百分量。向上方菱形延伸所得的交點(diǎn)，代表水樣的陰陽(yáng)離子相對(duì)含量。根據(jù)2.1的步驟，分別繪制出奧灰水、徐灰水、砂巖水、老空水的Piper三線圖，如圖1～圖4所示。

3 三線圖判斷水源類型

通過(guò)對(duì)礦區(qū)不同地點(diǎn)的礦井水進(jìn)行水樣采集，從而對(duì)礦井水的礦化度、pH值及主要特征離子含量進(jìn)行測(cè)量，制作水質(zhì)分析成果表，如表1所示。

表1 水質(zhì)分析成果表

由表1可以看到，不同取樣點(diǎn)所采集的礦井水的主要離子含量有所不同，將常規(guī)離子濃度導(dǎo)入Piper三線圖繪制軟件，生成離子分布特征圖，對(duì)同類型巖層礦井水進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而確定水質(zhì)類型。

3.1 奧灰水

鄂莊礦井奧灰?guī)r溶水礦化度范圍為0.48～1.08g/L，陰離子含量一般為HCO3-＞SO42-＞Cl-，Ca2+濃度一般在4～65mg/L范圍，Mg2+濃度范圍為0～45mg/L，陰離子濃度遠(yuǎn)大于陽(yáng)離子濃度。根據(jù)圖1可以看出不同取樣點(diǎn)的水質(zhì)類型有一定區(qū)別，但奧灰水水質(zhì)類型主要是重碳酸鈣或重碳酸鈣鎂型水。

3.2 徐灰水

鄂莊礦井徐灰水礦化度范圍為0.48～0.64g/L，礦化度變化不大，陰離子濃度遠(yuǎn)大于陽(yáng)離子濃度，其中陰離子中CO3-和HCO3-含量是最高的，陽(yáng)離子中Mg2+含量相對(duì)增加，陰離子中Cl-含量最低，陰離子含量一般為HCO3-＞SO42-＞Cl-。根據(jù)圖 2 可以看出不同取樣點(diǎn)的水質(zhì)類型也有一定區(qū)別，但主要是重碳酸鈣或重碳酸鎂型水。

3.3 砂巖水

鄂莊礦井砂巖水礦化度范圍為0.69～1.98g/L，陰離子中Cl-顯著增加，甚至超過(guò)HCO3-和SO42-的濃度，居于首位，陽(yáng)離子中Na++K+含量最高，陰離子濃度與陽(yáng)離子濃度相差不大。根據(jù)圖3可以看出砂巖水水質(zhì)類型主要是重碳酸鉀鈉或重碳酸硫酸鉀鈉型水。

圖1 奧灰水水化學(xué)類型圖

圖2 徐灰水水化學(xué)類型圖

3.4 老空水

鄂莊礦井老空水礦化度范圍為1.07～1.98g/L，陰離子中Cl-顯著增加，HCO3-的濃度仍舊居于首位，陽(yáng)離子中Na++K+含量最高，陰離子濃度與陽(yáng)離子濃度相差不大[4]。根據(jù)圖4可以看出老空水水質(zhì)類型主要是重碳酸鉀鈉型水。

4 結(jié)論

通過(guò)Piper三線圖對(duì)鄂莊井田各水源水質(zhì)特征分析，結(jié)果表明：在鄂莊井田礦井水充水水源中，HCO3-含量普遍很高，其他離子含量因水源不同差異較大。奧灰水為重碳酸鈣或重碳酸鎂型水，徐灰水為重碳酸鈣或重碳酸鎂型水，砂巖水為重碳酸鉀鈉或重碳酸硫酸鉀鈉型水，老空水主要來(lái)自于砂巖水，為重碳酸鉀鈉型水，除此之外，礦化度范圍也存在著差異，且所有水樣都是pH范圍在7.0～8.7之間呈弱堿性水。

圖3 砂巖水水化學(xué)類型圖

圖4 老空水水化學(xué)類型圖

由圖1至圖4可以明顯看出鄂莊礦井水主要特征離子含量以及各自所占比例，并結(jié)合礦化度對(duì)礦井水進(jìn)行水化學(xué)特征分析，成功地對(duì)鄂莊井田主要的水源類型進(jìn)行了初步判別，相比于其他方法，更加簡(jiǎn)便直觀，具有可行性。此外，通過(guò)Piper三線圖的繪制，可以對(duì)礦井未來(lái)可能發(fā)生的涌突水的水源類型進(jìn)行預(yù)判。若礦井水含大量的HCO3-，且陰離子含量明顯高于陽(yáng)離子含量，水質(zhì)類型重碳酸鈣或重碳酸鎂型水，則可判斷礦井水極可能來(lái)自于奧灰水或者徐灰水，進(jìn)而對(duì)可能發(fā)生的礦井水害迅速地制定合理且有效的防治措施。最終通過(guò)實(shí)踐證明，基于Piper三線圖的礦井水化學(xué)特征分析在鄂莊井田為礦井水害的防治及綜合利用提供了較好的指導(dǎo)。