麻家梁矿奥陶系灰岩地下水水化学特征与成因

杜 亮，高 兰，刘永芳

（晋能控股煤业集团浙能麻家梁煤业有限公司 山西 朔州 036002）

0 引言

华北型煤田主采煤层沉积于岩溶较发育和水量丰富的奥陶系灰岩之上，随着开采深度的不断加深，隔水层的厚度也随着变小，对所采煤层的压力也越来越大，发生突水的可能性也增大，成为威胁矿井生产的重要水害之一。侯俊华等采用不同的方法研究了奥灰水水化学特征及其成因[1-5]。

麻家梁矿主采煤层为4#和9#煤层，随着时间的推移4#煤层的开采已经步入后期，9#煤层的开采刻不容缓。4#煤层距奥灰含水层距离较远，在底板完整情况下奥灰水对其不会造成威胁，但是当延伸进入9#煤层后离奥灰水较近，奥灰水是其开采过程中重要的水害之一。因此研究麻家梁矿区奥陶系灰岩地下水的水化学特征及成因，为其制定防治水安全技术措施提供一定的水文地质资料。

1 研究区概况

麻家梁井田位于山西省朔州市的南部，隶属朔州市朔城区管辖。地理坐标为东经112°22＇00″～112°29＇30″，北纬39°08＇00″～39°14＇30″。井田南北长约12.2 km，东西宽约7.2 km～9.4 km，面积约104.292 4 km2。本矿井范围内经钻孔揭露，自下而上分别为奥陶系马家沟组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、石盒子组，新近系、第四系。麻家梁井田地处神头泉域奥灰水的径流区，属强含水层。奥灰水（奥陶系马家沟组）水位标高在+1 055 m～+1 060 m 之间，奥陶系岩性以石灰岩、白云质灰岩为主，石灰岩主要由砾屑和亮晶方解石组成。

2 水样检测与分析

2.1 水样主要检测指标

在做抽水试验的同时收集水样进行化验，奥灰水取样地点分布见图1。本文主要收集检测了麻家梁矿奥陶系灰岩含水层（以下简称奥灰水）水样的常规数据，其中有Ca2+、Mg2+、Na++K+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS、矿化度、PH 等，检测数据见表1。将检测的数据利用Origin 软件绘制Piper 三线图、离子比例系数图；利用SPSS软件对数据进行数理统计分析。

表1 奥灰水水样常规指标

图1 奥灰水取样地点分布图

2.2 水样检测仪器

依据DZ/T0064-2021检测奥灰水水样水质常规指标，主要检测仪器有：PHS-3C酸度仪、TU-1901紫外可见分光光度计、BSA224S电子天平、101-3型恒温干燥箱、GGX-900原子吸收分光光度计、6400火焰光度计。

3 结果与分析

3.1 奥灰水水化学类型特征

对麻家梁矿奥灰水11个水样用SPSS 软件进行数理统计分析，分析结果见表2。奥灰水中阳离子的平均浓度值由高到底分别为Ca2+＞Mg2+＞Na++K+；其阴离子的平均浓度值由高到底分别为HCO3-＞SO42-＞Cl-。由于奥灰水的水流流速较快，水岩交互作用时间较短，因此TDS 含量较低且变化范围较小，平均含量为347.82 mg/L，属于低矿化度型水。其中Mg2+的变异系数较大，为0.52，其他几种离子的变异系数都小于0.5，说明Mg2+与其他离子相比，稳定性较差，受地形地貌、水文条件和构造等外界环境的影响更为强烈。

表2 奥灰水水化学指标统计表（mg/L）

由表3绘制Piper三线图可知，奥灰水离子成分以HCO3-、Ca2+、Mg2+为主，水质类型呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型；由以往水文地质资料可知其上覆含水层水的水质类型呈HCO3-(K+Na)。由此可推断麻家梁矿区奥灰水在溶滤过程中主要是方解石和白云石的溶解。

表3 各离子百分比浓度统计表（%）

图2 奥灰水水化学成分三线图

3.2 离子比例系数分析

通过表4 计算奥灰水中的不同离子的比值，可进一步研究麻家梁矿奥灰水中主要离子的来源。由图1可知，麻家梁矿区奥灰水的水质类型呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型，故对HCO3-、Ca2+、Mg2+和K++Na+等几中离子的来源进行探讨。

表4 各离子毫克当量统计表（%）

通过研究γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)的比值，来确定奥灰水中Ca2+和Mg2+的主要来源，由图3（a）和化学公式（1）和（2）可知，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)的比值接近于1，可以判断奥灰水中Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐岩的溶解。

通过研究γ(Na++K+)/γ(Cl-)的比值，来确定奥灰水中Na+和K+的主要来源，由图3（b）和公式（3）可知，γ(Na++K+)/γ(Cl-)的比值接近于2，其比值大于1，说明麻家梁矿奥灰水中Na+离子不仅来源于盐岩，还来源于浓缩蒸发作用及与阳离子交换作用。

通过研究γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)的比值，来确定奥灰水中是发生蒸发岩还是发生碳酸盐溶解，其比值小于1 时，主要是发生碳酸盐的溶解，反之，主要是发生蒸发岩的溶解。由图3（c）可知，γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)的比值小于1，因此，麻家梁奥灰水中主要发生碳酸盐的溶解。

图3 奥灰水离子比例关系图

4 结论

麻家梁矿奥灰水中阳离子的平均浓度由高到低为Ca2+＞Mg2+＞Na++K+，阴离子的平均浓度由高到低为HCO3-＞SO42-＞Cl-；其水化学类型主要呈HCO3-Ca·Mg型，少量呈HCO3-Ca·Mg（K+Na）型。麻家梁奥灰水中出现HCO3-Ca·Mg 型水，主要是由于碳酸盐岩的溶解作用；其次，出现少量HCO3-Ca·Mg（K+Na）型水，是盐岩的溶解、浓缩蒸发作用及发生的阳离子交换作用所形成的。研究麻家梁矿区奥灰水为其治理奥灰水和为制定探放水设计提供一定的理论依据。