潘三矿区地下水化学特征及成因分析

张 妹，刘启蒙，刘凯旋

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

地下水化学成分的形成以及各种化学元素在其内部的迁移规律是地下水化学主要的研究对象[1]。水中所含离子等化合物随地下水的物质能量交换和循环变化而变化，受到周围地质环境的影响[2]。因此研究地下水中的化学特征具有重要意义。

陈陆望等[3]运用多元统计学中的PCA法对淮北任楼井田不同时期的水样数据进行分析，得出地下含水层中水化学性质同时受到地质环境和采动作用的影响，为以后生产中受采动影响的突水工作面水源识别提供一定依据。栾风娇等[4]采用数理统计、Piper三线图、Gibbs图等方法对新疆巴里坤-伊吾盆地地下水水样进行分析研究，揭示了地下水的循环主要受到蒸发浓缩作用、岩石风化溶解作用以及阴阳离子交换作用的影响。孙林华等[5]采用多种数理统计同时结合离子相关性分析，阐明了皖北桃园煤矿地下含水层中化学成分特征以及相关控制因素，为深部水岩作用的研究以及生产过程中水源的识别提供一定的理论依据。除此之外，比如灰色关联度法[6]、Fisher判别法[7-8]、Bayes分析法[9-10]、同位素分析法[11]、质量浓度等值线图[10,12-13]、BP神经网络[14]、Piper三线图[15-16]等多种方法被学者应用于地下水化学分析中，为识别矿井突水水源提供了理论支撑。潘三矿区自生产以来，前人对其水化学成分分析较少，本文在结合潘三矿地下水水质成果资料以及相关水文地质资料的基础上，采用常规数理统计、Piper三线图、相关性分析、TDS与各离子变化曲线图、地下水Gibbs模型以及离子比例系数法对潘三矿区地下水化学特征以及成因进行分析，为快速判断工作面突水水源提供依据。

1 研究区概况

潘三矿地处淮南市西北部，位于东经116°41′45″～116°48′45″，北纬32°47′30″～32°52′30″之间。东西走向长9.6km，南北倾向宽5.8km，面积为56km2。处于淮河冲积平原，地形平坦，标高19.50～23.50m左右。本区属过渡带气候，季节性明显，年平均降雨量为893.74mm，雨季淮河水位上涨易成内涝。

据资料可知，威胁矿井安全生产的含水层主要有3组，首先是新生界松散含水组(主要是下含)，新生界平均厚度为378.93m，其中下含平均厚度为57.65m。下含中以含泥砂砾层为主，其次粉细砂，砾石为石英岩、石英砂岩及岩浆岩，偶见灰岩砾石，结构疏松。补给水源贫乏，以储存量为主。其直接覆盖于煤系地层砂岩露头上，受采动的影响，易形成降落漏斗。其次是煤系砂岩裂隙含水组，砂岩分布于煤层与泥岩、砂质泥岩之间，砂岩裂隙发育较少，补给贫乏，富水性弱。煤系砂岩裂隙水是13-1煤、11-2煤、8煤开采过程中的主要突水水源；最后是灰岩岩溶裂隙含水组，太原组灰岩厚度135.72m，由灰岩、泥岩及砂岩组成，其中含12层灰岩，夹5～10层不稳定薄煤层及炭质泥岩，该组含水层为1煤底板直接充水含水层；奥灰揭露厚度为28.18～109.18m不等，岩性以白云质灰岩为主，次为角砾状灰岩，硅质灰岩，夹泥质灰岩，局部岩溶裂隙发育。太灰与奥灰都以底砾层为导水介质，渗透补给煤系砂岩裂隙含水层。

井田内地势西北高东南略低，新生界浅层地下水受大气降水和地表水的补给，深层承压水与浅层无水力联系，以静储量为主，区内断层褶皱较多以及隐伏陷落柱的作用，其补给方式主要来自侧向。

2 水样的选取与数据分析

2.1 水样选取

结合潘三矿区水文地质资料，从潘三矿区水质分析成果台账中获取2012年前后的19组水样，其中，新生界下含水样5组(X1，X2，X3，X4，X5)，煤系砂岩水样6组(M1，M2，M3，M4，M5，M6)，灰岩岩溶水样8组(H1，H2，H3，H4，H5，H6，H7，H8)。主要采样点分布见图1，矿井水质分析的单位主要为淮南矿业(集团)有限责任公司煤炭中心试验室、安徽理工大学化学工程学院、潘北矿水质化验室。

图1 潘三矿区采样点示意

2.2 数据分析

2.2.1 常规水化学特征值

采用Excel对3个含水层的水样数据进行水化学参数特征分析，结果详见表1。由表1易知，井田内pH值变化范围在8.13～9.04之间，平均值约8.33，变异系数偏小，整个含水层处于弱碱性状态。整个井田内TDS值普遍较高，TDS平均值为2200mg/L，其中新生界下含含水层中TDS值变化较小，煤系砂岩和灰岩岩溶含水层中TDS值变化较大，变化幅度达1832mg/L。

表1 地下水水化学参数统计特征值 (mg/L)

2.2.2 水化学类型

地下水按其化学成分具有不同的分类方法，本文采用Piper三线图来分析该矿区内地下水化学性质的演化规律，该方法最大的优点是不受人为因素的影响。

图2 研究区地下水化学成分Piper三线图

2.2.3 相关性系数矩阵

TDS与各离子之间的联系可以综合反映地下水的成因[4，17]。结合采样点数据利用SPSS软件得到各离子间的相关系数矩阵和用Excel作出TDS和各离子的关系拟合曲线图，见表2和图3。

表2 相关系数矩阵

1-5号为新生界下含水样；6-11号为煤系砂岩水样；12-19号为灰岩水样图3 TDS与各离子的关系

3 水化学成因的讨论

3.1 基于Gibbs图的离子分析

图4 研究区地下水Gibbs

3.2 水中化学成分来源分析

3.2.1 γ(Na++K+)/γ(Cl-)

Na+和K+的来源可以通过γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值来反映。当γ(Na++K+)/γ(Cl-)小于1时，表明地下水中发生硅酸岩的溶解作用，反之是盐岩的溶解。图5(a)中可看出，整个研究区内所取的水样点都位于γ(Na++K+)/γ(Cl-)=1的上方，说明井田内Na+和K+主要来源于盐岩的溶解。

注：y=x表示横、纵坐标两种离子毫克当量数相等图5 离子比值关系

4 结 论

(2)研究区内水化学类型相似，各含水层均受到采动的影响。区内新生界下含和灰岩含水层中的水质类型为Cl-Na型和Cl-Na型、SO4·HCO3·Cl-Ca·Na型，煤系砂岩含水层的水质类型为HCO3·Cl-K+Na型、Cl-Na型和Cl·SO4-Na型。

(3)Gibbs图中得出研究区内地下水水化学特征主要受蒸发作用的影响，其次是岩石风化。离子比例图中可知地下水中Na+和K+主要来源于盐岩的溶解；Ca2+，Mg2+来源于硅酸岩或蒸发岩溶解；蒸发岩溶解作用在地下水化学成分里占主要作用，其次是碳酸盐溶解作用。

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