宿县矿区主要突水含水层水文地球化学模拟

陈陆望 许冬清 刘延娴 李圣杰 张开弦 殷晓曦

摘 要：为定量地揭示矿区水文地球化学环境演化的本质，更为深入探讨水文地球化学环境演化与人类工程活动和地质背景之间的联系及其联系程度，采用宿县矿区主要突水含水层（四含、煤系、太灰）地下水样的常规离子（K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3）、pH值以及总溶解固体（TDS）数据，确立了地下水流路径以及其中的矿物相。在此基础上，利用PHREEQC软件建立了水文地球化学模拟模型，对矿区地下水流路径中的水文地球化学演化进行了定量模拟。研究结果表明：矿区四含水力联系密切，黄铁矿氧化与阳离子交替吸附是其水文地球化学演化的主要水-岩相互作用；矿区煤系地下水总体径流条件差，黄铁矿氧化与阳离子交替吸附作用趋于稳定；矿区中东部太灰水动力条件较好，碳酸盐溶解沉淀是水文地球化学演化的主要水-岩相互作用，西部水力联系不畅，阳离子交替吸附作用与黄铁矿氧化作用是水文地球化学演化的主要水-岩相互作用。研究成果有望为华北隐伏型煤矿区矿井水害防治及地下水资源开发利用提供理论支持。

关键词：煤矿区；水化学特征；水文地球化学模拟；演化

中图分类号： P6413 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）06-0027-07

Abstract：Conventional ions （K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3）， pH value and TDS of main inrush aquifers including the fourth aquifer of unconsolidated formation， the fissured aquifer of coal measure and the karst aquifer of Taiyuan formation in the Suxian mining area were collected to choose the appropriate groundwater flow path and mineral phase. Based on the groundwater flow path and the mineral phase， the hydrogeochemical model was established to quantitatively simulate the hydrogeochemical evolution in the mining area. From the simulation， the fourth aquifer of unconsolidated formation had a close hydraulic connection and was characterized by the pyrite oxidation and the cation exchange and adsorption in the water-rock interaction. The fissured aquifer of coal measure had poor groundwater runoff condition so that the pyrite oxidation and the cation exchange and adsorption tended to be stable. The east-middle of karst aquifer of Taiyuan formation with good hydrodynamic condition was characterized by the carbonate dissolution-precipitation while the western with bad hydrodynamic condition was characterized by the pyrite oxidation and the cation exchange and adsorption. The research hopefully provides a theoretical support for the prevention and treatment of mine water hazard and also for the exploitation and utilization of groundwater in the concealed coal mining area in North China.

Key words：coal mining area；hydrochemical characteristics；hydrogeochemical simulation；evolution

我國华北隐伏型煤矿区地下水系统往往是由多类含水层构成的，且含水层间普遍存在不同程度的水力联系[1]。在采矿活动等的影响下，地下水系统输入、输出与系统结构势必发生改变，以致水文地质条件复杂化，煤矿突水事故频繁发生。为保证矿井安全生产，必须正确判断突水原因并制定合理、有效的防水措施。以往此类研究多从简单水化学类型对比、标型组分判别、微量元素与同位素示踪以及水化学组分分布等方面着手分析地下水的时空演化[2-8]。这些研究成果往往以定性分析为主，未能定量地揭示研究区水文地球化学环境演化的本质，更未深入探讨水文地球化学环境演化与人类工程活动和地质背景之间的联系及其联系程度等。

近年来迅速发展起来的水文地球化学模拟技术以质量守恒为基础理论，在定量研究地下水演化规律和地下水循环机理上有广泛的应用[9]。文献[10]运用地下水组分平衡模型和运移模型研究了佛罗里达中西部地区某承压含水层的水文地球化学反应差异。文献[11]运用PHREEQC建立反向水流路径模型，对Phantom泉域地下水进行了追踪，结果表明沿地下水流路径，水文地球化学受盐岩、石膏、白云石、CO2的溶解以及方解石的沉淀控制。文献[12]采用PHREEQC的混合模型预测了井水回灌地热水可能发生的水文地球化学作用，得出以1∶1混合主要离子组分含量稳定且未对原地热流体水质造成影响的结论。文献[13]通过模拟冷水和热水中溶解态稀土元素的无机形态解释了珠江口东北部地下水的水-岩相互作用。文献[14]利用PHREEQC建立了3组反向水流路径模型模拟了齐齐哈尔地区潜水水文地球化学成分的空间演化规律，找到了引起水化学类型和水岩环境矿物组成改变的主要原因。

本次研究以安徽淮北煤田宿县矿区为研究示范，根据水文地质和水文地球化学调查，在对该矿区主要突水含水层地下水样常规离子定性分析的基础上，进一步利用反向水文地球化学模拟的方法，定量地阐明了地下水化学成分的形成作用，揭示了不同矿井之间的水力联系。研究成果有望为华北隐伏型煤矿区矿井水害防治及地下水资源开发利用提供理论支持。

1 地质背景

安徽淮北煤田宿县矿区处于华北古大陆板块东南缘，豫淮坳褶带东部，徐宿弧形推覆构造南端，相对处于一个封闭的环境[15]（见图1）。矿区南、北分别以板桥断裂、宿北断裂为界，东、西分别以东三铺断层、固镇-长丰断裂、南坪断层为界。区内褶皱自东向西主要有宿东向斜、宿南向斜、宿南背斜。褶皱构造的陡翼、倒转翼，受水平挤压力塑性变形作用，形成了大大小小的断层，其倾向常与褶皱轴面一致，走向近褶皱轴向。已有研究资料表明宿县矿区周围的断裂构造控制了该区地下水的水循环条件，使其基本上形成了一个封闭、半封闭水文地质单元[16]。根据地层的岩性、厚度、含水空间及埋藏条件，矿区主要突水含水层自上往下分别为：（1）松散层第四含水层（简称“四含”），主要有含泥质中细砂、砂砾、砾石及粘土砾石组成。（2）二叠系煤系砂岩裂隙含水层（简称“煤系”），由一套厚层的陆相杂色粉砂岩，泥岩和砂岩，煤层组成，煤层富水性较弱。（3）石炭系太原组岩溶裂隙含水层（简称“太灰”），岩性为浅色厚层状灰岩、白云质灰岩，局部地区发育白云岩，致密、性脆、质纯、坚硬。地下水主要赋存于石灰岩岩溶裂隙内，富水性大小受岩溶发育程度控制。

2 数据收集与整理

收集与整理了宿县矿区各矿主要突水含水层（四含、煤系、太灰）2010～2014年地下水样品的常规离子以及pH值、矿化度（TDS）等数据，其中常规离子主要包括K++Na+（由于K+含量少且与

Na+化学性质相似，以Na+代替）、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3。水样数据合计174个，其中四含水样48个，煤系水样96个，太灰水样30个。2010～2014年水样点分布如图1所示。结合宿县矿区地质背景条件，将宿县矿区分为矿区东部（朱仙庄矿和芦岭矿）、矿区中部（祁南矿、祁东矿和桃园矿）和矿区西部（钱营孜矿、邹庄矿）。由于收集数据多，为方便后续建立水文地球化学模型，分矿井计算了常规离子及pH值的均值（见表1），并绘制了Piper三线图（见图2）。

矿区东部四含水化学类型主要为SO4-Mg-Ca型、SO4-HCO3-Cl-Na型；中部四含水化学类型主要为SO4-Na-Ca型、SO4-HCO3-Na型；西部四含水化学类型主要为SO4-Na型、SO4-Na-Ca型，可見四含水化学类型空间变化大。矿区煤系水化学类型主要为HCO3-Na型、HCO3-SO4-Na型，其中东部煤系水化学类型主要为HCO3-Na型；中部煤系两种水化学类型均存在；西部煤系水化学类型以SO4-HCO3-Na型为主，可见煤系水化学类型单一，逐渐趋于稳定。矿区东部太灰水化学类型主要为SO4-HCO3-Na-Mg型、HCO3-Na型；中部太灰HCO3-，Ca2+及Mg2+逐渐增加，水化学类型为SO4-Na-Ca-Mg型、SO4-HCO3-Cl-Na型、HCO3-Na型；西部太灰水化学类型主要为SO4-Na型、HCO3-Cl-Na型，可见太灰水化学类型空间分布具有较为明显的分带性特征。研究区主要突水含水层水化学类型的空间分布特征受到水-岩相互作用以及地下水水流路径等因素的影响。

3 水流路径的选取

水流路径的选取是水文地球化学模拟中的关键。对于有完整的补径排系统的地下水，通常选择补给区作为初始溶液，径流区或者排泄区作为终点溶液。宿县矿区主要通过周围边界补给，在煤矿开采的过程中通过“突”、“涌”、“淋”等方式排泄，地下水流表现出流程短，水流紊乱的特征。水质浓度梯度场理论表明：TDS值小的地区，地下水与围岩进行溶蚀、溶滤等水文地球化学作用的时间相对较短，水流补给充分；沿地下水流向，水-岩作用导致的水文地球化学演化过程不断进行，TDS不断增加。因此模拟路径的选取主要依据主要突水含水层TDS空间分布，在研究区选择相邻矿井进行短距离模拟。从图3中可以看出，四含TDS均值较高，从矿区四周向矿区中部逐渐减小，其中芦岭矿和钱营孜矿TDS值最高，分别达到3 14594mg/L和3 57973mg/L。煤系总体而言TDS变化不大，形成了以祁南矿为中心的低值区。太灰TDS分布与宿县矿区地质构造吻合度较高，总体而言自东往西，自南向北逐渐增加，在芦岭矿处为最低值 （75449mg/L）， 在钱营孜矿出现最高值 （3 07703mg/L）。根据TDS等值线最终确定了模拟路径，如表2所示。

4 可能矿物相的选取

矿物相的选取是水文地球化学模拟中的另一关键。离子组合比可用来探究水化学成分形成作用及离子来源。根据宿县矿区地下水样典型离子组合比分析，矿区地下水文地球化学环境相对复杂，受区域地质背景条件与采矿活动影响，矿区主要突水含水层水化学成分的形成作用主要有黄铁矿氧化，碳酸盐、硫酸盐溶解，阳离子交替吸附以及脱硫酸作用等。在模拟的过程中加入了H2S与O2用来表示黄铁矿氧化作用，加入CH2O用来表示脱硫酸作用，加入Na+和Ca2+用来表示阳离子交替吸附作用，加入碳酸盐、硫酸盐以及CO2用来表示碳酸盐、硫酸盐溶解作用。结合宿县矿区地层岩性特征和含水层矿物的鉴定资料，最终选择的矿物相包括：方解石、白云石、盐岩、石膏、H2S、O2、CO2、NaX、CaX2及CH2O，考虑到不同含水层水文地球化学特征的差异性，对不同含水层的可能矿物相进行了适当调整，具体如表3所示。

5 模拟结果分析

本文选用美国地调部门研制的PHREEQC软件进行模拟。模拟的初始与终点溶液采用表1中的水化学数据。根据上述选取的矿物相以及表2中水流路径，最终建立了宿县矿区水文地球化学模型。可能水流路径中矿物相的转移在表4中列出，正值表示迁入溶液，负值表示迁出溶液；对于离子交换，正值表示Na+进入溶液被Ca2+置换，负值表示Na+迁出溶液，置换出了Ca2+。

从表4可以看出，四含在矿区不同矿井之间可以建立的模型数量有限。矿区东部矿井之间以及矿区中部矿井之间均不存在合理模型。矿区中部祁东矿与祁南矿水文地球化学特征相近，虽然存在可能水流路径，但从模拟结果可以看出，水-岩相互作用不甚强烈，石膏微弱溶解，白云石微弱沉淀，阳离子交替吸附作用略强，但也仅有097mmol/L的Na+被置换。矿区西部矿井之间以及矿区中部矿井联系紧密，存在邹庄矿→钱营孜矿、邹庄矿→祁南矿、祁南矿→钱营孜矿的水文地球化学模型。祁南矿→钱营孜矿以方解石、石膏、盐岩溶解以及阳离子交替吸附作用为主，与祁东矿→祁南矿相比，水文地球化学作用明显增强。邹庄矿→钱营孜矿以及祁南矿→钱营孜矿水文地球化学过程类似，水文地球化学作用进一步加强，另有大量黄铁矿的参与构成了钱营孜矿SO2-4的主要来源。水文地球化学模拟定量揭示的地下水流路径表明：采矿活动影响了四含地下水流场，进而影响了水-岩相互作用程度；矿区东部煤层开采时间久远，采矿活动改变了周围环境，破坏了地下水原有的径流模式，直接影响了地下水成分，无法建立模型；而矿区西部为新开采区，又受西部南坪断层影响，地下水在该区水文地球化学作用强烈，交替作用明显，地下水中离子浓度较大，总溶解固体含量高。

从表4可以看出，煤系在矿区不同矿井之间可以建立的模型数量很少，仅存在矿区中部祁南矿向周边其他矿井流动的水流路径，包括祁南矿→祁东矿与祁南矿→桃园矿。从模拟结果可以看出，煤系岩盐、硫酸盐的溶解作用强烈，而碳酸盐的溶解沉淀作用微弱。祁南矿→桃园矿溶解了842mmol/L的CaSO4以及404mmol/L的NaCl。另外，阳离子交替吸附作用增强，祁南矿→祁东矿458mmol/L的Na+与Ca2+发生置换作用；祁南矿→桃园矿194mmol/L的Na+与Ca2+发生置换作用，从而构成了祁东矿、桃园矿Na+的主要来源。在建立模型时考虑了用CH2O代替脱硫酸作用，H2S代替黄铁矿的氧化作用，但在实际模拟结果中并没有显示CH2O、H2S参与。水文地球化學模拟定量揭示的地下水流路径表明：煤系地下水横向径流特征不明显，进而弱化了水-岩相互作用程度，以致煤系水化学类型以HCO3-Na型、HCO3-SO4-Na型为主，水化学类型逐渐趋于稳定；水化学类型的空间分布主要受断层影响，从而控制了含水层的封闭程度，进而决定了水化学类型。

从表4可以看出，太灰在矿区不同矿井之间可以建立的模型最多。从模拟结果可以看出，矿区东部矿井与矿区中部矿井建立了芦岭矿→朱仙庄、朱仙庄矿→桃园矿、芦岭矿→桃园矿、芦岭矿→祁东矿的水文地球化学模型，反映出芦岭矿、朱仙庄矿、桃园矿及祁东矿四者之间形成了一个循环系统。在这些水流路径中，主要有方解石沉淀，白云石溶解，石膏溶解以及CO2的溶解作用，几乎不存在阳离子交替吸附作用。矿区中部存在祁东矿→桃园矿的水流路径，其水文地球化学过程与前述矿区东部矿井与矿区中部矿井之间过程类似。从模拟结果可以看出，矿区中部桃园矿、祁南矿均能发生向矿区西部钱营孜矿流动的水文地球化学模型，祁南矿→钱营孜矿和桃园矿→钱营孜矿的水文地球化学模型相近，地下水流路径上发生了方解石、白云石溶解作用以及阳离子交替吸附作用，同时也存在黄铁矿的氧化作用，其中祁南矿→钱营孜矿除了黄铁矿氧化作用给钱营孜矿带来了丰富的SO2-4，石膏溶解也是重要的SO2-4来源。矿区西部钱营孜矿与邹庄矿之间并不存在合理模型。水文地球化学模拟定量揭示的地下水流路径表明：太灰含水层除受采矿活动影响外，还受断裂（层）与褶皱控制，进而影响了水-岩相互作用程度，水化学类型空间分布具有较为明显的分带性。

5 结论

本文选取典型地下水流路径建立了地球化学模型，开展了水文地球化学演化定量模拟，探讨了水文地球化学演化的主要因素，得出了如下主要结论：

1）应用传统水文地球化学理论和方法对矿区主要突水含水层水-岩相互作用及地下水流场特征进行了定性分析，基于该分析结果建立的水文地球化学模型是合理的。

2）应用地球化学模拟方法对矿区地下水流路径及水文地球化学演化进行了定量分析可知，矿区四含水力联系紧密，黄铁矿的氧化与阳离子交替吸附作用是四含水文地球化学演化的主要水-岩相互作用。煤系地下水总体径流条件差，水-岩相互作用趋于稳定。太灰中东部水动力条件较好，碳酸盐的溶解沉淀是水文地球化学演化的主要水-岩相互作用；西部水力联系较小，阳离子交替吸附作用与黄铁矿的氧化作用是水文地球化学演化的主要水-岩相互作用。

3）应用地球化学模拟方法对于识别地下水演化及控制因素具有可行性，矿区地球化学模拟结果揭示了地质、水文地质条件以及人类活动控制了地下水流场，进而影响了水-岩相互作用程度，对认识矿区水文地球化学演化机制，地下水循环具有一定的意义。

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（责任编辑：李 丽，范 君）