逆冲推覆体下煤系砂岩和太灰含水层水化学特征

2019-01-22傅先杰高生保郑刘根姜春露安艳晴

安徽理工大学学报（自然科学版） 2018年6期

傅先杰，高生保，郑刘根，姜春露，安艳晴

(1.中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南 232170；2.安徽大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230601)

逆冲推覆构造是地质构造中较为复杂的一种构造形式。自20世纪70年代中期以来，国际地质学界掀起了研究逆冲推覆构造的高潮[1]。我国对推覆体下的煤炭开采研究起步于20世纪90年代，主要集中在淮南煤田，尤其是新集矿区[2](新集一矿、新集二矿以及新集三矿)。在淮南复向斜南北两翼，由于受南北压应力作用，发育了一系列走向压扭性逆冲断层，其中阜凤(阜阳-凤台)逆冲断层使寒武系地层自南向北推覆于二叠系煤系地层之上[3](见图1)。

在矿井采煤领域，许多学者通过矿井水化学资料对含水层水化学已经进行了相关研究。文献[4]利用含水层水化学特征离子来判断主要突水含水层。文献[5]采用水文地球化学方法，系统探讨了矿区含水层水化学特征及成因。文献[6-7]分析了隐伏型煤矿含水层的水化学形成及其控制因素。文献[8]研究了煤系砂岩裂隙含水层所处的水化学环境。文献[9-10]分析煤系砂岩和太灰充水含水层及其他含水层水样的常规水化学特征，为水源识别提供信息。与以往正常地层层序条件下矿井水文地球化学研究相比，目前对推覆构造下的矿井含水层水化学特征的研究较少。新集矿区是勘查与开采大型推覆体掩盖下煤层取得成功的典范[11]。由于推覆体形成的挤压作用，使原地系统二叠系软弱的含煤地层破坏严重，尤其是靠推覆面附近破坏更甚[10]。矿区内二叠系煤系砂岩水含水层位于可采煤层与泥岩之间，是矿井生产过程常见的主要水害类型。太原组主要以灰岩为主，导水能力较强，对生产构成威胁[12]，且矿区部分主采煤层不同程度的隐伏于推覆体地层之下[13]。因此，对阜凤推覆体影响下的新集矿区(新集一矿、二矿和三矿)煤系砂岩以及太灰含水层进行取样和测试分析，采用Piper三线图、相关性分析及离子比例系数讨论水化学特征及其成因，以期为推覆体下安全开采提供依据。

2 样品采集与测试

2.1 研究区概况

新集矿区位于安徽省北部的淮河北岸，淮南煤田南缘中部，地处淮河冲积平原上，地表平坦，海拔高度多在22～26m之间，地势西高东低。矿区构造上属华北板块东南缘[14]，豫淮坳陷南部、淮南复向斜谢桥向斜的南翼、阜凤推覆构造中段，主体构造线呈北西西向展布(见图2)。矿区地层可分为推覆体外来系统和原地系统。外来系统主要由下元古界片麻岩和寒武系灰岩等组成，原地系统包含奥陶系灰岩、太原组灰岩地层及煤系地层等。矿区水文地质条件复杂，主要受推覆体水、煤系砂岩水、太灰水、奥灰水、老空水等多种类型水害影响。尤其是煤系砂岩水和太灰水是煤层开采的直接充水水源，对煤层的开采影响很大，是工作面开采最主要的水害威胁。

本文以离新集矿区较近但又不受逆冲推覆体的影响的张集矿做对比矿井，分析推覆体对水化学特征的影响。张集位于谢桥向斜北翼，地处陈桥背斜的东南倾伏端，总体形态呈扇形展布的单斜构造，地层走向呈不完整的弧形转折。张集矿主要充水含水层也是煤系砂岩裂隙水、灰岩岩溶裂隙水为主。

图2 淮南煤田构造示意图及采样点分布图

2.2 样品采集与测试

表1 样品采集信息

3 结果与讨论

3.1 常规水化学特征

新集矿区和张集矿煤系砂岩水和太灰水常规离子含量如表2所示。新集一矿和二矿砂岩水TDS较高，分布范围分别为1 322.0～6 348.2mg/L和2 203.7～6 864.1mg/L，平均值分别为2 929.0mg/L和4 014.7mg/L，新集三矿砂岩水TDS相对较低，最大值为2 076.1 mg/L，平均值为1 471.5 mg/L。矿区太灰水TDS差异相对较小，三个矿井平均值分别为1 443.1mg/L、1 709.3mg/L、1 138.6mg/L。砂岩水阳离子中Na+占绝对优势，当量浓度占比52.8%～98.7%；阴离子以Cl-为主，当量浓度占比29.7%～92.4%，水化学类型以Cl-Na、Cl·HCO3-Na为主。太灰水阳离子以Na+为主，当量浓度占比7.0%～98.6%，平均值为69.3%，Ca2+次之；阴离子以Cl-为主，当量浓度占比60%～80.1%，平均值为52.8%，HCO3-含量次之，水化学类型以Cl·HCO3-Na、Cl-Na、Cl·HCO3-Na·Ca为主。

非推覆体下的张集矿和处于推覆体前缘、离推覆体较远的新集三矿砂岩水的TDS含量类似，均值在1 500mg/L左右，水化学类型也类似，均是以Cl·HCO3-Na型为主，可能是受推覆体影响较小的原因；而张集矿太灰水TDS含量比新集矿区高，阴离子以Cl-为主，阳离子均是Na+离子为主，水质类型以Cl-Na型为主，这可能是张集矿处于谢桥向斜深部，太原组灰岩含水层水流滞缓造成的。

表2 煤系砂岩水和太灰水水化学特征表

(a)砂岩水 (b)太灰水图3 煤系砂岩水和太灰水Piper三线图

由水化学Piper图可知，新集矿区砂岩水中阳离子和阴离子在左右三角形中分别相对均较集中，尤其是阳离子，主要分布在三角形中的右下角，表明Na+占绝对优势；新集一矿和三矿阴离子分别相对较为集中，由一矿到二矿再到三矿，阴离子中HCO3-离子含量逐渐增加，水化学类型也由Cl-Na型为主变为Cl·HCO3-Na型为主。太灰水中阳离子和阴离子在左右三角形中分布均较分散，表明太灰水水化学类型多样。根据矿区地质报告，钻孔揭露新集二矿太原组灰岩的钻孔有88个，一般岩溶裂隙不发育，富水性弱，大多数钻孔未发现漏水，单位涌水量q=0.000 014 7～0.009L/(s·m)；新集一矿太灰含水层q=0.000 041 9～0.034L/(s·m)。表明新集矿区太灰含水层岩溶裂隙发育不均一，非均质性明显，连通性和水动力条件较差。这是造成太灰水化学类型多样的重要原因。

3.2 相关性分析

地下水中离子特征可以通过TDS的浓度的变化来表述。利用SPSS软件可得到各离子与TDS的相关性系数矩阵(见表3)。

表3 砂岩水和太灰水的各水化学组分间的相关系数

注：大于0.05表示通过显著检验。

(a)煤系砂岩水 (b)太灰水图4 TDS与关系变化图

3.3 离子比例系数分析

分析地下水中主要离子成分和离子比例特征，可以判断地下水的成因和地下水化学成分的来源及其形成过程[16]。

1)γNa+/γCl-系数

γNa+/γCl-系数是表征水岩作用中矿物质盐分淋溶与积累强度的标志，此系数又称为地下水的成因系数[17]。由于Cl-化学性质稳定，很少产生吸附、沉淀和交换反应，而Na+则可能由于吸附、沉淀等化学反应而减少，所以该系数对判断地下水中Na+离子富集程度有重要意义。自然条件下，由于岩盐的溶解会释放出等量的Na+和Cl-进入溶液[18]，因此，当γNa+/γCl-接近于1时，表明含岩盐地层的溶滤在地下水中起主导作用。由图5可以看出，新集一矿、二矿以及三矿，太灰水和砂岩水的水样点多数位于1∶1和1.5∶1之间。张集矿区砂岩水γNa+/γCl-系数值为1.51，太灰水为1.36，与新集矿区该系数值大体一致。表明张集以及新集矿区煤系砂岩和太灰含水层中的Na+来源主要为岩盐溶解，同时，钠长石的溶解及Ca2+、Mg2+和Na+之间的阳离子交替吸附也提供了一定的Na+。

(a)新集一矿 (b)新集二矿 (c)新集三矿图5 γNa+/γCl-比值相关图

2)γHCO3-/γCl-系数

(a)新集一矿 (b)新集二矿 (c)新集三矿图6 γHCO3-/γCl-比值相关图

图7 TDS-γHCO3-/γCl-图

γCl-/γCa2+是用来描述水动力特征的参数。Cl-通常在水动力条件滞缓的区域富集，而Ca2+是低矿化度水中的主要离子，所以通常γCl-/γCa2+值越大，表明该区域水动力条件越差[21]，地下水流动滞缓，水流交替作用弱，溶滤作用不充分，岩层中易保留易溶盐。新集一矿、二矿和三矿砂岩水γCl-/γCa2+系数均值分别为11.59，19.71，4.66；太灰水该系数的均值分别为21.09，23.01，2.36，表明新集矿区砂岩水和太灰水的水动力条件三矿优于一矿优于二矿。新集一矿和新集二矿砂岩水的γCl-/γCa2+系数小于太灰水，说明砂岩水的水动力条件和流通性较好，灰岩水水动力条件较差；新集三矿的砂岩水的水动力条件较差，相对滞缓，灰岩水水动力条件相对较好。