顧橋礦北二采區地下水化學特征分析

湯雙成

(江蘇煤炭地質勘探二隊，江蘇 徐州 221006)

地下水是發達國家和發展中國家家庭、農業和工業的重要資源。中國約有61%的城市使用地下水作為飲用水，但約40%的地下水受到采礦的影響。由于長期的采礦活動，中國許多地區的不同含水層之間形成了不同程度的水力聯系。地下水地球化學變化可大大降低突水源的準確判別，影響礦山安全。因此，在預測潛在的突水源之前，必須查明水文地球化學過程及其因采礦活動而發生的演化[1]。地下水的主要離子化學可以提供水文地球化學信息，因此，可以對地下水水文地球化學演化過程進行評估。

多變量統計方法，如主成分分析(PCA)、聚類分析(CA)和因子分析(FA)被成功地用于識別水文地球化學過程[2-5]。采用水化學分析方法評估了巖溶水系統中煤炭開采活動對巖溶水化學的影響。采用多元統計方法識別丁集煤礦地下水地球化學過程并確定含水層連通性[6]。然而，由于這種方法的多解性，僅選擇一種方法來分析復雜的地下水系統顯得過于簡單和不足。將水化學分析與主成分分析(PCA)等多元統計方法相結合，可以對控制水質變化的水文地球化學機制作出較為合理的解釋。主成分分析(PCA)是將大量復雜的化學數據集降維為由主成分(PC)得分和加載得分組成的小維度的最有效的方法之一[7，8]。近年來，許多研究者發現，負荷分數分析是評價水文地球化學演化的一種可行方法，因為它可以清楚地顯示出PCs負荷分數的空間變化。采用主成分分析和負荷分數分析方法，分析了華北煤田地下水水文地球化學演化及其影響因素。他們發現采礦活動增強了含水層礦物的溶解，但削弱了脫硫作用和陽離子交換作用；水文地球化學演化過程主要受采礦活動、斷層和褶皺構造的影響。因此，將水化學分析、主成分分析(PCA)和負荷分數分析相結合，可以更好地解釋地下水水文地球化學過程和演化。

本文通過研究顧橋煤礦北二采區水文地質條件，收集地下水常規水化學離子樣本，采用水化學分析和主成分分析法，對其水化學特征和水文地球化學性質進行了研究分析，對煤礦區地下水地球化學特征、水文地球化學過程及其演化進行了系統分析和評價，為今后煤礦生產具有一定的理論指導意義。

1 研究區概況

顧橋礦位于安徽省鳳臺縣西北，距縣城約20 km，歸鳳臺縣顧橋鎮管轄。東西寬7～10 km，南北長8～15 km，面積約91.88 km2。地理坐標為東經116°29′18″～116°38＇48″，北緯32°42＇20″～32°52＇16″。其地面標高范圍21～25 m，地勢東南低西北高。本區屬季風暖溫帶半濕潤氣候，季節性明顯，夏季炎熱，冬季寒冷。年平均氣溫為15.1 ℃，極端最高氣溫41.4 ℃(1959年8月24日)，極端最低氣溫-22.8 ℃(1969年1月31日)。年平均降雨量926.30 mm，最大1 723.5 mm(1954年)，最小471.90 mm(1966年)，日最大降雨量320.44 mm,小時最大降雨量75.30 mm。降雨多集中在6、7、8三個月，約占全年的40%。

采區地下含水層依據鉆孔揭露以及賦存介質、富水性、巖性、對煤層威脅程度以及地質年代特征將其從上到下大致分為新生界含水層、煤系砂巖含水層和灰巖含水層。新生界含水層主要由砂、礫組成，底部有片狀分布在基巖面上的巖性為灰白、紫紅色砂巖、礫巖，富水性弱～中等，主要受大氣降水給及層間越流補給。砂巖裂隙含水層巖性以細砂巖為主，局部為中粗砂巖和石英砂巖，多為泥質、鈣質膠結，少量為硅質膠結。含水層的富水性與砂巖裂隙發育程度、裂隙開放程度和大小密切相關，由于區內砂巖裂隙發育的不均一性，導致砂巖含水性有很大差異。采區內水29孔單位涌水量為0.036 L/(s·m)，滲透系數為0.207 m/d，礦化度3.466 g/L，水質類型HCO3·Cl-Na型。抽水試驗表明煤系砂巖裂隙含水層富水性弱，以儲存量為主，補給條件差。石炭系太原組灰巖巖溶裂隙含水層由灰巖、泥巖、粉砂巖以及薄煤層組成，自上而下劃分為C3Ⅰ、C3Ⅱ、C3Ⅲ三個含水層(組)，其中C3Ⅰ是礦井1煤開采底板直接充水含水層，采區內太灰灰巖進行了抽水試驗，單位涌水量0.019 7～0.023 L/(s·m)，為弱富水性，礦化度2.148～2.153 g/L，水質類型為Cl-Na型。奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層厚度在74.85～75.10 m，平均74.98 m，巖性主要為灰～深灰色厚層狀白云質灰巖及少量礫狀灰巖，頂部夾灰綠色鋁土團塊，裂隙多呈閉合狀，局部裂隙面可見泥、鈣質薄膜或方解石脈。中下部為深灰色石灰巖，隱晶質結構，塊狀構造，下部為灰綠色泥質石灰巖。與下伏寒武系石灰巖呈不整合接觸。奧灰水也可因斷層或其他因素導致其直接與太灰含水組發生水力聯系，奧灰水補給太灰含水組，補給水源豐富。

煤系砂巖分布在煤層、泥巖和粉砂巖之間，砂巖層厚度小，分布不穩定，又有煤層和泥巖相隔，斷層帶一般含水性極弱，導水性差，因此砂巖之間一般無水力聯系。北二采區上盤區太原組C31灰巖距1煤層底板相距14.85～40.05 m，平均22.15 m。正常無水力聯系，但1煤層采動后，可成為1煤層礦坑直接充水含水層(組)。尤其是煤層與灰巖對口的斷層帶，是1煤層底板進水的直接通道。

2 數據收集及其分析方法

通過收集顧橋北二采區水文地質鉆孔及其補充勘探孔，一共獲取15地下含水層水樣，其中新生界含水層水樣、太原組灰巖含水層水樣和13煤頂板砂巖水樣均為5個。新生界含水層取樣孔為水2孔、水3孔、水4孔、水5孔、水6孔，太灰水取樣孔為水14孔、水16、水18孔、水20孔、水21孔，13煤頂板砂巖水取樣孔為10-7孔、13-3孔、風檢孔1、副檢孔1、原副檢孔。

本文先通過Excel軟件對收集的原始數據進行統計分析，利用SPSS軟件對各含水層離子進行了主成分分析，采用Aquachem4.0軟件繪制了含水層的Piper三線圖、地下水Stiff圖和地下水Gibbs圖，共同探討分析地下水的水化學特征。

3 水化學組成及類型分析

3.1 水化學組成

表1 不同含水層組分含量值表

3.2 主要化學指標間相互關系

表2 各指標間pearson相關系數表

(1)

3.3 水化學類型

將顧橋北二采區各含水層水樣繪制成Piper三線圖，見圖1，不同常規離子在各含水層中的分布情況均可以從圖中顯示出來，也可以顯示出地下水化學成分的演化特征。

圖1 顧橋北二采區地下水Piper三線圖及其圖解

圖2 顧橋北二采區地下水各含水層Stiff圖

4 離子來源與控制因素分析

為了進一步了解各含水層中指標間的控制關系，對含水層中各指標進行主成分分析，結果見表3和表4所示。

表3 相關矩陣的特征值表

表4 主成分特征值表

5 結語

采用水化學分析、主成分分析、載荷分數分析等方法，對淮南顧橋北二采區地下水地球化學特征、水文地球化學過程進行了研究。從研究分析中可以得出以下結論。

(2)新生界含水層的水化學類型主要Cl-Na或Cl-K型，二疊系煤系含水層的水化學類型主要為Cl-Na或Cl-K型、HCO3-Na或HCO3-K型，太原組灰巖含水層水化學類型為Cl-Na或Cl-K型。

(3)淮南顧橋北二采區多含水層地下水系統水文地球化學過程由溶解、脫硫和陽離子交換三個子過程組成，通過對各指標進行相關性分析，發現K++Na+和Mg2+兩種離子是TDS的主要來源。