基于Piper三线图的矿井水化学特征分析

王雅茹 施龙青 邱 梅

(山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

1 引言

鄂庄井田位于莱芜煤田的西南部，总体上为轴向NE的向斜构造[1]，矿井可采煤层为山西组2、4、7煤层及太原组的第11、13、15、19煤层。经过35年的开采，山西组煤层开采殆尽，目前主要开采太原组煤层[2]。矿井开采过程中，主要充水水源为底板奥灰及徐灰岩溶水、煤系地层砂岩水及矿井老空水。

在此次过程中，对采集来的鄂庄矿井水样进行矿化度和主要特征离子含量的测定及分析，进而对矿井涌水类型判断。本文依据矿区水文地质资料及水质化验报告，通过矿井水水样采集、测试，用水化学方法和Piper三线图的方法对水样进行筛选[3]，对矿井水的化学特征进行直观的分析，快速判别水源类型，为矿井水害的防治及综合利用提供指导。

2 Piper三线图

2.1 绘制Piper三线图

Piper三线图旨在利用图示揭露水化学离子的分布特征，通过图示能够直接反映出样本水的一般化学特征及其类型。本文将水样化验结果的常规离子浓度录入Excel，导入AquaChem软件，自动生成离子分布特征图。

2.2 Piper三线图水源判断

Piper三线图由三部分组成。其中左下方的三角形代表阳离子的相对摩尔百分量，右下角的三角形代表阴离子的相对摩尔百分量。向上方菱形延伸所得的交点，代表水样的阴阳离子相对含量。根据2.1的步骤，分别绘制出奥灰水、徐灰水、砂岩水、老空水的Piper三线图，如图1～图4所示。

3 三线图判断水源类型

通过对矿区不同地点的矿井水进行水样采集，从而对矿井水的矿化度、pH值及主要特征离子含量进行测量，制作水质分析成果表，如表1所示。

表1 水质分析成果表

由表1可以看到，不同取样点所采集的矿井水的主要离子含量有所不同，将常规离子浓度导入Piper三线图绘制软件，生成离子分布特征图，对同类型岩层矿井水进行综合分析，进而确定水质类型。

3.1 奥灰水

鄂庄矿井奥灰岩溶水矿化度范围为0.48～1.08g/L，阴离子含量一般为HCO3-＞SO42-＞Cl-，Ca2+浓度一般在4～65mg/L范围，Mg2+浓度范围为0～45mg/L，阴离子浓度远大于阳离子浓度。根据图1可以看出不同取样点的水质类型有一定区别，但奥灰水水质类型主要是重碳酸钙或重碳酸钙镁型水。

3.2 徐灰水

鄂庄矿井徐灰水矿化度范围为0.48～0.64g/L，矿化度变化不大，阴离子浓度远大于阳离子浓度，其中阴离子中CO3-和HCO3-含量是最高的，阳离子中Mg2+含量相对增加，阴离子中Cl-含量最低，阴离子含量一般为HCO3-＞SO42-＞Cl-。根据图 2 可以看出不同取样点的水质类型也有一定区别，但主要是重碳酸钙或重碳酸镁型水。

3.3 砂岩水

鄂庄矿井砂岩水矿化度范围为0.69～1.98g/L，阴离子中Cl-显著增加，甚至超过HCO3-和SO42-的浓度，居于首位，阳离子中Na++K+含量最高，阴离子浓度与阳离子浓度相差不大。根据图3可以看出砂岩水水质类型主要是重碳酸钾钠或重碳酸硫酸钾钠型水。

图1 奥灰水水化学类型图

图2 徐灰水水化学类型图

3.4 老空水

鄂庄矿井老空水矿化度范围为1.07～1.98g/L，阴离子中Cl-显著增加，HCO3-的浓度仍旧居于首位，阳离子中Na++K+含量最高，阴离子浓度与阳离子浓度相差不大[4]。根据图4可以看出老空水水质类型主要是重碳酸钾钠型水。

4 结论

通过Piper三线图对鄂庄井田各水源水质特征分析，结果表明：在鄂庄井田矿井水充水水源中，HCO3-含量普遍很高，其他离子含量因水源不同差异较大。奥灰水为重碳酸钙或重碳酸镁型水，徐灰水为重碳酸钙或重碳酸镁型水，砂岩水为重碳酸钾钠或重碳酸硫酸钾钠型水，老空水主要来自于砂岩水，为重碳酸钾钠型水，除此之外，矿化度范围也存在着差异，且所有水样都是pH范围在7.0～8.7之间呈弱碱性水。

图3 砂岩水水化学类型图

图4 老空水水化学类型图

由图1至图4可以明显看出鄂庄矿井水主要特征离子含量以及各自所占比例，并结合矿化度对矿井水进行水化学特征分析，成功地对鄂庄井田主要的水源类型进行了初步判别，相比于其他方法，更加简便直观，具有可行性。此外，通过Piper三线图的绘制，可以对矿井未来可能发生的涌突水的水源类型进行预判。若矿井水含大量的HCO3-，且阴离子含量明显高于阳离子含量，水质类型重碳酸钙或重碳酸镁型水，则可判断矿井水极可能来自于奥灰水或者徐灰水，进而对可能发生的矿井水害迅速地制定合理且有效的防治措施。最终通过实践证明，基于Piper三线图的矿井水化学特征分析在鄂庄井田为矿井水害的防治及综合利用提供了较好的指导。