峰峰矿区深层奥灰水水化学演化规律研究

2021-05-19郝春明何培雍

中国矿业 2021年5期

郝春明，张伟，孙伟，何培雍

(1.华北科技学院，河北三河 065201；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

奥陶系中统峰峰组灰岩裂隙岩溶含水层(以下简称“奥灰水”)是一套碳酸盐岩海相沉积地层，由角砾状灰岩、厚层花斑灰岩、纯灰岩、薄层灰岩和泥灰岩等组成，局部富含石膏为主要特征的含水层组，因其水量大、水质好，一直是中国北方最主要的饮用含水层组之一。峰峰矿区主要开采岩层为石炭系太原组和二叠系山西组煤层，受复杂的地质条件影响，采煤过程中经常受到奥灰水的制约影响[1]。一方面矿井开采下组煤层受到奥灰水的突水威胁，另一方面矿井开采下组煤层为防止突水安全生产，采取了疏水降压的开采方式，致使奥灰水水位大幅度下降，奥灰水水质逐渐恶化[2]。

1 矿区水文地质条件

峰峰矿区位于华北板块，早期变形表现为宽缓褶皱，后期强烈引张、裂陷，表现为太行山前断裂带，以正断层为主。按其含水层岩性、含水介质特征和埋藏条件划分，矿区主要赋存寒武系鲕状灰岩裂隙岩溶含水层、奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层、石炭系太原统薄层灰岩裂隙含水层组、二叠系山西组砂岩裂隙含水层和第四系洪积-坡积砂土孔隙含水层。

奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层是矿区主要的含水层，以西部山区和中部灰岩裸露区降雨为补给，构造断陷盆地强径流，石炭系中统太原组-二叠系下统山西组煤层阻隔以泉群排泄方式为主的水文地质单元，含水层厚度为470～584 m，裂隙发育，以溶孔和溶隙为主，静态水位标高为125～130 m，现水位标高为105～110 m。峰峰矿区奥灰水2017年样品点位分布图和典型水文地质剖面图如图1所示。

图1 样品点分布和典型水文地质剖面Fig.1 Distribution of sample points and typical hydro-geological profiles

2 数据采集、测试与分析

表1 峰峰矿区不同时期奥灰水水化学离子统计表Table 1 Statistical hydro-chemical data of OL water in different periods of Fengfeng mining area

3 结果与分析

3.1 不同时期的奥灰水水化学演变过程

图2 水化学离子随开采时间演化图Fig.2 Evolution diagram of hydro-chemical ions with mining time

图3 piper三线图Fig.3 piper diagram

图4 不同时期奥灰水TDS与水化学离子之间的关系图Fig.4 Relationship between TDS and hydro-chemical ions in different periods

3.2 不同时期奥灰水水-岩作用过程

图5 不同时期的奥灰水中与关系图 and in different periods

3.3 离子交换作用

图6 不同时期奥灰水中和Na++K+-Cl-关系图 and (Na++K+-Cl-) in different periods

3.4 奥灰水水化学成分主成分分析

由图7可知，1980年奥灰水样品主要分布在第三象限，离子交换、脱硫酸、硅酸盐溶解和硫铁矿氧化作用均较弱，所以矿化度较低，随着煤矿开采时间的延长，奥灰水呈现出不同的水岩作用过程；1996年的奥灰水样品分布位置与1980年毗邻，表明该时期采动活动未对奥灰水水化学成分产生影响；从2007年开始，奥灰水样品位置逐步上移，分布于第二象限，表明奥灰水主要受到了离子交换作用的影响；2012年和2017年奥灰水样品主要分布在第一和第二象限，表明除了离子交换作用外，还受到了硅酸盐溶解或硫铁矿氧化的作用。

图7 不同时期奥灰水水化学成分主成分图Fig.7 Principal composition chart of hydrogen-chemical ions in different periods

在第一象限和第四象限中，奥灰水样品率排序依次为2017年(80%)>2012年(30%)>2007年(16.7%)>1996年(0%)和1980年(0%)；在第一象限和第二象限中，奥灰水样品率排序依次为2007年(83.3%)>2017年的(60%)≥2012年(60%)>1996年(40%)>1980年(22.22%)。表明随着奥灰水水位的降低，硅盐酸溶解和硫铁矿氧化作用过程越来越显著，而离子交换作用则有所降低。