顧北煤礦煤系砂巖裂隙水水文地球化學特征及其成因分析

蘇 悅，許光泉，魏 健 ，楊婷婷 ，丁永俊

(1.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001; 2.淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦,安徽 鳳臺 232088)

近年來隨著淺部煤炭資源日益枯竭，我國東部隱伏礦區(qū)向深部大規(guī)模開采已成為必然趨勢。由于受多期構(gòu)造地質(zhì)作用，深部礦井開采水文地質(zhì)條件復雜多樣，各種水害防治形勢日趨嚴峻。其中，煤系砂巖水為煤層開采最直接充水水源，對其進行科學防治是確保煤層安全開采的重要前提。為此，我國水文地質(zhì)工作者提出了“上三帶”理論[1]、三圖-雙預測法[2]、基于GIS復合分析方法[3]、數(shù)值模擬計算[4]，并開展了斷裂帶發(fā)育高度試驗研究[5]等，為揭示煤層頂板砂巖裂隙形成機理及富水特征提供了依據(jù)。相關(guān)人員日益關(guān)注對砂巖裂隙水的水文地球化學特征研究，試圖從砂巖的水質(zhì)上探討其形成機制，主要通過對各含水層常規(guī)離子水化學特征進行分析，研究水化學特征和突水水源識別的關(guān)系[6-9]，而針對各含水層結(jié)構(gòu)、砂巖水形成的化學環(huán)境特征及其成因的研究較少。針對淮南礦區(qū)，有人采用Piper三線圖、因子分析與主成分分析等方法分析得出礦區(qū)各含水層水化學特征[10-12]，但對煤系砂巖裂隙水成因分析較少。為此，筆者以安徽淮南顧北煤礦煤系砂巖水化學組分為研究對象，分析其形成作用，探討其形成原因，從而為礦井充水水源判定提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)處于淮南煤田中部，位于陳橋背斜東翼與潘集背斜西部的銜接帶，總體構(gòu)造形態(tài)為走向南北、向東傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾斜平緩，傾角5°～15°，并發(fā)育有不均的次級寬緩褶曲和斷層，煤系砂巖裂隙發(fā)育不均，井下采掘時發(fā)現(xiàn)，煤層頂板砂巖出水點多分布在擠壓裂隙帶和拉張裂隙帶處，如圖1所示。

(a)地質(zhì)平面圖及采樣點分布

(b)水文地質(zhì)剖面圖

研究區(qū)為全隱伏煤田，據(jù)鉆孔揭露，地層從老至新依次為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、古近系、新近系、第四系等，如圖2所示。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系山西組和石盒子組，其中，太原組含煤極不穩(wěn)定，無開采價值；山西組和石盒子組為主要含煤地層，其在顧北煤礦區(qū)總厚506.70 m，含煤20余層，煤層總厚28.44 m，含煤系數(shù)為5.61%，含煤段巖性主要由灰—黑灰色泥巖、淺灰—灰白及灰綠色砂巖組成。煤巖類型以半暗—半亮型為主，煤質(zhì)多為中灰煤。

圖2 煤系地層柱狀圖

與華北型煤田一樣，該礦的含水層自上而下由新生界松散層孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系和奧陶系的碳酸巖巖溶含水層等組成。由于被厚度371.00～512.60 m的新生界松散層所覆蓋，大氣降水和地表水對煤系砂巖水無補給，砂巖裂隙含水層之間，由泥質(zhì)巖類隔斷，無密切水力聯(lián)系。礦井直接充水含水層為煤系砂巖裂隙含水層，目前實際出水量：正常涌水量為100.1 m3/h，最大涌水量為109.1 m3/h。

2 煤系砂巖出水情況調(diào)查

2.1 煤系砂巖及含隔水性

通過185個鉆孔揭露，主采煤層為13-1、11-2、6-2、1煤層等，煤層頂板巖性多為泥巖，其次為砂質(zhì)泥巖和砂巖，上述各煤層頂板砂巖厚度分別為0.95～7.65、0.56～6.95、0.30～41.90、0.25～21.35 m，砂巖含水層厚度變化較大，巖性以細砂巖為主，其次為中粗石英砂巖，多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，少量為硅質(zhì)膠結(jié)。砂巖含水層之間由泥巖及砂質(zhì)泥巖阻隔，一般情況下無水力聯(lián)系。當采掘經(jīng)過砂巖裂隙發(fā)育帶時，出現(xiàn)連續(xù)或短暫出、涌水現(xiàn)象，導致砂巖含水層之間發(fā)生一定的水力聯(lián)系。以往抽水試驗結(jié)果表明：砂巖裂隙含水層單位涌水量為0.000 44～0.001 63 L/(s·m)，為弱富水性，以靜儲量為主，補給條件差，滲透系數(shù)為0.000 44～1.277 00 m/d，水質(zhì)類型為Cl-Na和Cl·SO4-Na型等。

2.2 煤系砂巖出水點調(diào)查

在巷道掘進和工作面回采過程中所揭露的砂巖出水點有20處，發(fā)生出水的有9處，出、涌水點位置均與斷層及裂隙相關(guān)，出水點分布具有不均勻性，各點水量大小差異懸殊。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，出水點多集中在13-1煤層頂板和11-2煤層頂板砂巖層，最大出水量達60 m3/h，而其他煤層頂板出水點相對較少，且水量較小。

2.3 煤系砂巖水樣采集

利用不同水平、不同階段巷道及工作面分別在 1煤層、6-2煤層、11-2煤層和13-1煤層等頂板砂巖出水點，共采集76個水樣。其中1煤層頂板砂巖水樣點16個，6-2煤層17個，11-2煤層15個，13-1煤層 28個，采樣點分布位置見圖1(a)。

3 煤系砂巖水的化學組分特征

表1 顧北煤礦各煤系頂板砂巖水水化學組分統(tǒng)計

圖3 煤系砂巖水的Piper三線圖

4 煤系砂巖水中各化學組分空間分布特征

4.1 13-1煤層頂板砂巖含水層

(a)陽離子

(b)陰離子

4.2 11-2煤層頂板砂巖含水層

(a)陽離子

(b)陰離子

4.3 6-2煤層頂板砂巖含水層

(a)陽離子

(b)陰離子

4.4 1煤層頂板砂巖含水層

(a)陽離子

(b)陰離子

5 煤系砂巖水化學形成作用及其成因分析

5.1 水化學形成作用

5.1.1 溶濾作用

鉆孔揭露表明，各煤層頂板主要由泥巖、粉砂巖和砂巖等組成。經(jīng)過測試分析，泥巖類成分以高嶺石、蒙脫石和伊利石等黏土礦物為主；砂巖成分主要為石英，其次為鈉鈣長石及巖屑等，其分選性及磨圓度中等，膠結(jié)物為硅質(zhì)、鈣質(zhì)和泥質(zhì)等物質(zhì)。該區(qū)受印支擠壓和燕山拉張運動影響，煤層頂板砂巖中裂隙網(wǎng)絡(luò)較發(fā)育，從基巖風化帶向下發(fā)生徑流作用，其中Cl-在地下水中相對較為穩(wěn)定,常用離子交換濃度γ(Na+)與γ(Cl-)的比值來揭示Na+的來源[15]，如圖8所示。

圖8 各煤層頂板砂巖水中γ(Na+)與γ(Cl-)比值圖

如果γ(Na+)/γ(Cl-)等于1，說明地下水中的Na+、Cl-主要來源于巖鹽溶解。由圖8可知，γ(Na+)/γ(Cl-)遠大于1，說明頂板砂巖水中的Na+主要來源于砂巖含水層的溶濾作用，可用式(1)～(4)表示[16]：

2NaAlSi3O8(鈉長石)+2CO2+11H2O=

(1)

2CaAl2SiO8+4CO2+6H2O=Al4O10(OH)8+

(2)

AlSi2O5(OH)4+5H2O=2Al(OH)3+2H4SiO4

(3)

2KMg3AlSiO10(OH)2+28CO2+30H2O=

(4)

圖9 各煤層頂板砂巖水中γ(Ca2++Mg2+)與

5.1.2 陽離子吸附作用

圖10 各煤層頂板砂巖水中γ(Na+-Cl-)與比值圖

通常采用氯堿指數(shù)(CAI-1和CAI-2)表征離子交換的方向和強度[19]，見式(5)和(6)。其值若為負值，說明地下水水樣發(fā)生正向的離子交換，反應(yīng)機理見式(7)；若氯堿指數(shù)均為正值，則地下水水樣發(fā)生反向離子交換，反應(yīng)機理見式(8)[20]：

CAI-1=[γ(Cl-)-γ(Na+)]/γ(Cl-)

(5)

(6)

(Na+)(黏土)+(Ca2++Mg2+)(水)=(Ca2++

Mg2+)(黏土)+(Na+)(水)

(7)

(Na+)(水)+(Ca2++Mg2+)(黏土)=(Ca2++

Mg2+)(水)+(Na+)(黏土)

(8)

顧北煤礦各主采煤層中的氯堿指數(shù)皆小于0，如圖11所示。說明研究區(qū)主要發(fā)生正向的離子交換作用，將煤系砂巖水中的Ca2+、Mg2+與黏土礦物中的Na+進行交換，使砂巖水中的Na+含量增加。

圖11 各煤層砂巖水氯堿指數(shù)

5.1.3 脫硫酸作用

(9)

圖12 各煤層砂巖水中隨Cl-變化關(guān)系曲線

5.2 水化學成因分析

研究區(qū)煤系砂巖裂隙水的水流方向為自西向東，主采煤層煤系砂巖裂隙含水層之間，因有泥質(zhì)巖類相隔，通常情況下無密切水力聯(lián)系，只有在裂隙或斷層發(fā)育位置存在水力聯(lián)系，總體上為弱富水性，地下水以靜儲量為主，補給條件差，徑流速度緩慢，如圖13所示，可以看出，各煤層煤系砂巖裂隙水主要沿著各自含水層中發(fā)生順層滲流運動[23 - 24]。但由于研究區(qū)內(nèi)部幾條主要斷層，如F92、F94、F104-1、F109等均有巷道穿過，經(jīng)實際揭露：斷層帶兩側(cè)的裂隙非常發(fā)育，巷道穿過時均無明顯的淋、滴水現(xiàn)象。說明井下巷道穿過的斷層帶是不導水的，相互之間無水力聯(lián)系。據(jù)煤礦井下實際巷道揭露斷層水文地質(zhì)調(diào)查可知圖13中的F104、FD4和Fs16均為阻水斷層，使得斷層上下兩盤分成為2個相對獨立的水文地質(zhì)單元。

(a)煤系砂巖水水化學類型分布

(b)水化學剖面圖

6 結(jié)論

2)在垂向分布上，Na+與Ca2+、Mg2+呈現(xiàn)負相關(guān)性，Na+濃度隨深度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。1煤層、6-2煤層總體處于封閉的還原環(huán)境中，11-2煤層處于一個弱還原環(huán)境中，而13-1煤層處于弱氧化環(huán)境之中。

3)13-1煤層頂板砂巖水以溶濾作用和陽離子交替吸附作用為主；11-2煤層以溶濾作用為主，以陽離子交替吸附作用為輔，同時存在脫硫酸作用；6-2煤層以脫硫酸作用和陽離子交替吸附作用為主，同時存在溶濾作用；1煤層以溶濾溶解作用為主，也存在陽離子交替吸附作用和脫硫酸作用。

4)從淺部至深部，存在地下水垂直分帶現(xiàn)象，1煤層中砂巖裂隙水類型以HCO3·Cl·SO4-Na為主，6-2煤層中以SO4·HCO3-Na為主，11-2煤層中以HCO3·Cl-Na為主，13-1煤層中以Cl-Na為主。