峰峰礦區深層奧灰水水化學演化規律研究

郝春明，張 偉，孫 偉，何培雍

(1.華北科技學院，河北 三河 065201；2.中國地質環境監測院，北京 100081)

奧陶系中統峰峰組灰巖裂隙巖溶含水層(以下簡稱“奧灰水”)是一套碳酸鹽巖海相沉積地層，由角礫狀灰巖、厚層花斑灰巖、純灰巖、薄層灰巖和泥灰巖等組成，局部富含石膏為主要特征的含水層組，因其水量大、水質好，一直是中國北方最主要的飲用含水層組之一。峰峰礦區主要開采巖層為石炭系太原組和二疊系山西組煤層，受復雜的地質條件影響，采煤過程中經常受到奧灰水的制約影響[1]。一方面礦井開采下組煤層受到奧灰水的突水威脅，另一方面礦井開采下組煤層為防止突水安全生產，采取了疏水降壓的開采方式，致使奧灰水水位大幅度下降，奧灰水水質逐漸惡化[2]。

1 礦區水文地質條件

峰峰礦區位于華北板塊，早期變形表現為寬緩褶皺，后期強烈引張、裂陷，表現為太行山前斷裂帶，以正斷層為主。按其含水層巖性、含水介質特征和埋藏條件劃分，礦區主要賦存寒武系鮞狀灰巖裂隙巖溶含水層、奧陶系灰巖裂隙巖溶含水層、石炭系太原統薄層灰巖裂隙含水層組、二疊系山西組砂巖裂隙含水層和第四系洪積-坡積砂土孔隙含水層。

奧陶系灰巖裂隙巖溶含水層是礦區主要的含水層，以西部山區和中部灰巖裸露區降雨為補給，構造斷陷盆地強徑流，石炭系中統太原組-二疊系下統山西組煤層阻隔以泉群排泄方式為主的水文地質單元，含水層厚度為470～584 m，裂隙發育，以溶孔和溶隙為主，靜態水位標高為125～130 m，現水位標高為105～110 m。峰峰礦區奧灰水2017年樣品點位分布圖和典型水文地質剖面圖如圖1所示。

圖1 樣品點分布和典型水文地質剖面Fig.1 Distribution of sample points and typical hydro-geological profiles

2 數據采集、測試與分析

表1 峰峰礦區不同時期奧灰水水化學離子統計表Table 1 Statistical hydro-chemical data of OL water in different periods of Fengfeng mining area

3 結果與分析

3.1 不同時期的奧灰水水化學演變過程

圖2 水化學離子隨開采時間演化圖Fig.2 Evolution diagram of hydro-chemical ions with mining time

圖3 piper三線圖Fig.3 piper diagram

圖4 不同時期奧灰水TDS與水化學離子之間的關系圖Fig.4 Relationship between TDS and hydro-chemical ions in different periods

3.2 不同時期奧灰水水-巖作用過程

圖5 不同時期的奧灰水中與關系圖 and in different periods

3.3 離子交換作用

圖6 不同時期奧灰水中和Na++K+-Cl-關系圖 and (Na++K+-Cl-) in different periods

3.4 奧灰水水化學成分主成分分析

由圖7可知，1980年奧灰水樣品主要分布在第三象限，離子交換、脫硫酸、硅酸鹽溶解和硫鐵礦氧化作用均較弱，所以礦化度較低，隨著煤礦開采時間的延長，奧灰水呈現出不同的水巖作用過程；1996年的奧灰水樣品分布位置與1980年毗鄰，表明該時期采動活動未對奧灰水水化學成分產生影響；從2007年開始，奧灰水樣品位置逐步上移，分布于第二象限，表明奧灰水主要受到了離子交換作用的影響；2012年和2017年奧灰水樣品主要分布在第一和第二象限，表明除了離子交換作用外，還受到了硅酸鹽溶解或硫鐵礦氧化的作用。

圖7 不同時期奧灰水水化學成分主成分圖Fig.7 Principal composition chart of hydrogen-chemical ions in different periods

在第一象限和第四象限中，奧灰水樣品率排序依次為2017年(80%)>2012年(30%)>2007年(16.7%)>1996年(0%)和1980年(0%)；在第一象限和第二象限中，奧灰水樣品率排序依次為2007年(83.3%)>2017年的(60%)≥2012年(60%)>1996年(40%)>1980年(22.22%)。表明隨著奧灰水水位的降低，硅鹽酸溶解和硫鐵礦氧化作用過程越來越顯著，而離子交換作用則有所降低。

4 結 論

2) 不同時期奧灰水中水巖作用存在明顯差異。1980—1996年期間，白云巖溶解和巖鹽溶解為奧灰水主要的水巖作用；2012—2017年期間，除巖鹽的溶解，白云巖和石膏礦物的溶解外，奧灰水中還存有其他的水巖作用過程。

3) 水化學主成分分析結果表明隨著煤礦開采時間的延長，水巖作用過程由最初的碳酸鹽反應為主導演化成后期的硫酸鹽反應為主導，并伴隨有強烈的離子交換作用。