皖北海孜矿10煤顶底板砂岩水化学特征及成因

张 俊，姚多喜，蒋 正

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2. 河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243031)

伴随着国家能源结构调整，煤炭资源在能源结构中所占比重有所下降。但在目前的能源需求形势下，煤炭仍是主要能源资源之一。加之采矿深度的不断增大，以及更加复杂的地质条件，煤矿安全生产的任务依然艰巨。水害作为煤矿五大灾害之一，严重威胁着煤矿安全生产。皖北矿区是我国重要的煤炭产出基地之一，属于华北隐伏型煤矿，水文地质条件极为复杂。根据地层特性、地下水埋藏条件、区域富水条件等，区内各矿井主要有4个含水层，分别为：新生界松散层含水层、煤系砂岩裂隙含水层、太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层。矿区内煤矿开采中普遍受到煤系顶底板砂岩水的影响，砂岩含水层突水对矿井安全生产存在巨大威胁。例如，1994年恒源煤矿4218、4413工作发生顶板砂岩裂隙含水层突水事故，水量分别达108m3/h、137m3/h；1980～2010年海孜矿共发生突水40余次，其中煤层顶底板砂岩裂隙水突水29次，突水量2～211m3/h。

对于矿井水害的防治，国内外众多学者进行了大量研究工作。这些研究中，侧重于对各含水层水化学(常规水化学、微量元素、稀土元素、同位素等)特征分析和突水水源的识别[1-5]，而对于顶底板含水层的差异及成因研究较少[6]，如陈松以皖北任楼煤矿太原组灰岩含水层为例，研究了灰岩含水层中稀土元素在地下水与围岩间的分异[7]。而二叠系主采煤层顶、底板砂岩裂隙含水层(段)，属承压含水层，是矿井充水的直接充水含水层，因此，对于煤系地层顶底板砂岩含水层岩性结构与特征、断裂构造发育情况、富水情况以及地球化学性质等方面的差异进行对比研究具有重要意义。本文以皖北矿区海孜矿10煤层顶底板砂岩裂隙含水层为研究对象，通过对其地质特征及常规水化学组成进行分析，并结合水-岩相互作用关系综合研究其特征差异及形成原因，以期为煤系砂岩裂隙含水层的水源识别及水害防治提供参考。

1 地质概况

1.1 矿区地质概况

海孜煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，属淮北煤田临涣矿区的北部，为典型的隐伏型煤矿，研究区地理位置及构造特征见图1。矿井范围X=33°40′47″～33°43′50″、Y=116°34′31″～116°42′20″，东南以大马家断层与临涣矿毗邻，西以大刘家断层为界，被近东西向的吴坊断层切割成两个区，即西部井(吴坊断层以南三角区)和大井(吴坊断层以北的东西区)。揭露的地层有奥陶系(老虎山组(O2l)～马家沟组(O1m))、石炭系本溪组(C2b)太原组(C2t)、二叠系山西组(P1s)下石盒子组(P1xs)、上石盒子组(P1ss)、石千峰组(P2sh)、第三系上新统(N2)和第四系。主要含煤地层为二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组，含煤地层厚992.1m，煤层总厚14.28m。本区岩浆活动较为强烈，1～10煤层均受到燕山早、中期不同程度的岩浆侵入作用，岩浆岩以闪长玢岩为主，约占90%，次为辉长岩、石英闪长玢岩，主要分布在2-3线以西5煤层位以及2线以东10煤层中。地下水含、隔水层可根据其赋存介质特征划分新生界松散层含、隔水层(组)、二叠系煤系含、隔水层(段)、太原组石灰岩岩溶裂隙含水层(段)、本溪组铝质泥岩隔水层(段)和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层(段)。

图1 研究区地理位置及构造简图

1.2 10煤层概况

10煤层位于二叠系山西组中部，9煤层下63～115m，平均84m。 该煤层发育较好， 为中厚～厚煤层(厚度0～6.49m，平均2.77m)， 结构较简单， 西部有一近南北向的古河流冲刷变薄带， 东部岩浆岩侵蚀区煤层变薄， 局部变质为天然焦。 大井10煤层产状走向50°～300°， 倾向30°～330°，倾角10°～70°(平均18°)；西部井10煤层产状走向0°～50°，倾向270°～320°，倾角5°～46°(平均9°)。10煤层底为浅灰色细砂岩与深灰色灰黑色泥岩、粉砂岩互层(叶片状砂岩)，薄层状波状水平层理、透镜状、混浊层理发育，具底栖动物通道；10煤层顶为浅灰色中细粒长石石英砂岩，有时含深灰色泥质、粉砂质包体，俗称“花砂岩”，是10煤层直接或间接顶板(见图2)。10煤顶底板砂岩裂隙含水层(段)由2～4层中细砂岩组成，厚10～40m(平均20m)，裂隙发育不均一，在钻探揭露时有22B1、4-518、4B1三孔漏水，漏水量6.08～12m3/h。据4-518孔抽水试验资料，水位标高25.87m，q=0.061 3l/s.m，K=0.5m/d，富水性弱，矿化度1.702g/L，为HCO3·Cl-K+Na型水。10煤层至太原组第一层灰岩隔水层(段)厚45～74m，一般厚度55m，由砂泥岩互层、海相泥岩及粉砂岩组成，岩性致密完整，裂隙不发育，特别是底部发育一层厚层状海相泥岩，一般厚度20～30m，隔水性能较好。

图2 10煤层对比示意图

2 数据收集及分析方法

2.1 数据收集

表1 海孜矿10煤层顶底板及其他含水层常规水化学成分统计分析

注：除pH外，其余成分单位均为mg/L

2.2 分析方法

主成分分析是考察多个变量间相关性的一种多元统计方法，主要利用降维的思想，将多个变量转化为少数几个综合变量(即主成分)，每个主成分都是原始变量的线性组合，各主成分之间互不相关，从而使这些主成分能反映原始变量的绝大部分信息，且所含的信息互不重叠[8]。该方法常被用作判断某种事物或现象的综合指标，并给综合指标所包含的信息以适当的解释，从而揭示事物的内在规律。其步骤一般如下：①对原来的p个指标进行标准化，以消除变量在数量级和量纲上的影响；②根据标准化后的数据矩阵求出协方差或相关矩阵；③求出协方差矩阵的特征根和特征向量；④确定主成分，结合实际给各主成分所蕴含的信息给与适当的解释。本次统计分析过程均利用SPSS软件完成。

3 结果与讨论

3.1 水化学特征

图3 海孜矿地下水Piper三线图

图4 海孜矿主要突水水源常规水化学指标含量

因此，在漫长的地质历史过程中，地下水与围岩的长期水——岩相互作用下，受围岩组成、地下水动力特征、构造、采动等因素影响，使得海孜矿10煤层顶底板砂岩水常规水化学特征差异明显。

3.2 成因分析

由前文分析可知，10煤层顶底板砂岩常规水化学特征存在明显差异，为了研究其成因，下文主要利用主成分分析并结合水——岩相互作用关系来进行分析。

表2 海孜矿10煤顶底板砂岩水主成分分析结果

图5 方差最大法进行正交旋转后的因子荷载图

底板水：F1=0.273X1-0.230X2-0.130X3-0.196X4-0.108X5+0.132X6+0.222X7

F2=-0.262X1+0.104X2-0.169X3+0.722X4-0.227X5+0.161X6-0.159X7

顶板水：F1=0.370X1-0.253X2+0.307X3+0.055X4+0.041X5-0.364X6-0.046X7

F2=-0.148X1+0.430X2-0.012X3-0.329X4+0.279X5+0.140X6-0.239X7

图6 主成分1和主成分2 得分图

2) 水-岩相互作用。地下水水化学特征会受到多种因素的影响，常见的因素有地下水的补给、水岩相互作用(主要包括蒸发岩溶解、碳酸盐岩溶解和硅酸盐类矿物的风化等)，或者几种作用共同进行，并且地下水在含水层中滞留时间也起到重要作用，因为它直接决定了水岩作用和离子交换的程度。对于水岩作用类型通常可以用Ca2+、Mg2+和Na+及其相关比值来判定[12]。

图7 海孜矿10煤层顶底板砂岩含水层水化学离子散点图

4 结论

(1)海孜矿10煤层底板岩性为浅灰色细砂岩与深灰色灰黑色泥岩、粉砂岩互层，顶板为浅灰色中细粒长石石英砂岩。

(3)主成分分析表明10煤底板水受到“脱硫酸”作用、硅酸盐矿物的溶解及于地下水径流作用有关，顶板水则主要是钠盐矿物(如芒硝)、苦盐矿物(如苦盐)、硅酸矿物以及石膏的溶解所致。