潘集矿区太灰水水化学特征及成因分析

祝绍猛 姚多喜 刘阳 陈小艳

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

中国是煤炭生产和消费大国。2019年，全国煤炭消费总量达到了22.2亿t，占当年全国原煤产量的57.7%［1］。2020年9月以来，习近平总书记多次在重大国际会议上宣布中国将力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”，虽然煤炭能源消费产生的碳是我国碳排放的重要来源，但是在相当一段时间内煤炭都将是我国的主体能源［2］。然而，我国煤矿地质条件复杂，且随着浅部能源的减少，采煤活动逐渐向深部延伸，淮南潘集矿区太原组灰岩（简称“太灰”）含水层是主要突水含水层之一，其富水性强和裂隙发育丰富，突水事故严重威胁到煤矿开采。一方面，高压岩溶水影响煤矿开采的安全和效率；另一方面，煤矿开采破坏地下水系统，影响地下水的水质和储量，并造成深部地下水化学异常［3］。2017年5月下旬，潘二煤矿12123采煤区的底抽联络巷出现突水问题，刚开始突水量约为14.9 m3/h；随着出水范围的扩大，至24日增大到90 m3/h；后仍呈增大趋势，至25日22：46突增到3 024 m3/h，后经测算突水量达14 500 m3/h［4］。孙鹏飞等［5］采用Gibbs图及因子分析法，发现淮南矿区沉陷积水区地下水化学特征与该区域浅层地下水化学特征相同，其主要补给水源为浅层地下水及地表径流。朱乐章［6］利用离子含量对比、Piper三线图、Gibbs图3种方法直观、有效地识别出了朱庄煤矿突水水源；武亚遵等［7］采用离子相关性分析、Piper三线图、Gibbs图和主成分分析相结合的方法，揭示了鹤壁矿区主要充水含水层水化学特征及控制因素，为矿井突水水源的识别与预测、水资源的开发、保护与利用提供了理论依据。

因此，深入了解太灰组灰岩水的水文地球化学形成对采煤安全和水资源管理具有重要意义。上述都从采煤活动对含水层的影响方面分析了突水问题，并且进行了简单的水化学分析，在一定程度上，水化学成分组成确定了地下水补给源、迁移路径和循环的过程，而水岩相互作用对地下水化学成分存在重要影响［8］。本研究收集了潘集矿区矿井水质数据，从地下水化学成分形成的角度，综合运用水化学含量指标分析、Piper三线图、离子组合比分析及相关性分析对潘集矿区石炭系太灰地下水进行水文地球化学类型分析。目的是揭示潘集矿区太灰地下水的水文地球化学形成作用及控制因素，充分了解地下水的水化学环境。其研究成果可为地下水资源保护和开采管理提供参考。

1 研究区概况

1.1 地质概况

潘集矿区位于安徽省淮南市潘集区和凤台县，东北部边缘位于蚌埠市怀远县。研究区位于淮南煤田复向斜轴部偏北，整体呈不对宽缓略不对称形态。主要构造为潘集—丁集背斜，其轴向为NWW，背斜西部隆起较高，东部隆起较低，呈现马鞍形。背斜南翼倾角较缓，倾角为20°~7°；北翼倾角较陡，倾角一般为20°~30°。绝大部分地层被第四系覆盖，地层沉积特征属典型的华北地台型，全区构造中等至复杂，局部地区有岩浆岩侵入。

1.2 水文地质概况

研究区主要煤层存在于二叠系山西组和上、下石盒子组，含可采煤层10～12层，煤层平均厚度为0.9～5.0 m，可采煤层总厚度为25.5～27.9 m，含煤地层平均总厚为864 m［9］。

按埋藏条件自上而下区分，研究区中主要含水层有新生界松散层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组灰岩裂隙岩溶含水层、奧陶系灰岩裂隙岩溶含水层等组成。其中直接充水含水层为二叠系砂岩裂隙含水层（组），以静储存量为主分布非均匀的弱含水层。其余3个均为间接含水层，新生界松散层孔隙含水层一般覆盖在基岩含水层之上，与二叠系煤系砂岩裂隙含水层和岩溶水之间有一定联系；太原组灰岩裂隙岩溶含水层中裂隙溶洞较为发育，第三、第四层灰岩富水性较强。奥陶系灰岩含水层以网状裂隙为主，局部裂隙发育，具有水蚀现象，多为方解石充填，富水性不均一。区内太灰含水层岩溶裂隙发育、富水性强，是影响采煤安全的主要灰岩含水层，因此，选取石炭系太灰地下水为研究对象。

2 水化学特征

2.1 常规水化学特征研究

收集研究区太灰水化学数据240份，采样测试4份。统计分析水样TDS、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl−、SO42−、HCO3−、pH等8个指标含量的最大值、最小值、平均值及四分位数值，如表1所示。

太灰水中数值的箱式图如图1所示。从图1可以看出，TDS的箱式图最为离散，TDS的箱式图具1个极端异常值和20个温和异常值。K++Na+的数据有5个温和异常值，无极端异常值；Mg2+、SO42−、HCO3−和Cl−的数据具温和异常值，无极端异常值；Ca2+的数据无异常值。

2.2 水化学类型特征

太灰水Piper三线图如图2。由图2可知，该含水层水中阴、阳离子含量均相对较为分散，水样点在阴、阳离子三角形中较为分散。在菱形区域，水样点分布也较为分散，由此可以知道太灰水水化学特征变化较大。图2中，Na+在阳离子中为主体，其毫克当量百分数为45%~100%，阴离子中以Cl−为主［10］。水化学类型主要为Cl−HCO3−Na和Cl−Na型。

3 成因分析

3.1 离子比例系数

由于不确定矿区地下水化学成分的来源和形成过程，因此采用各组分之间含量的组合比系数的大小关系来判断地下水物质成分的来源及形成过程［11］。

3.1.1 γNa+/γCl−、γNa+/γ（Na++Cl−）、γCa2+/γNa+、γMg2+/γNa+。γNa+/γCl−系数是地下水的成因系数，其大小情况在一定程度上可以反映水岩作用中硅铝酸盐岩溶解与积累强度的情况［12］。由于Cl−化学性质稳定，很难与其他阴离子发生吸附、沉淀和交换反应，而Na+的数值减小则可能是因为吸附、沉淀等化学反应，因此该系数在一定程度上可以辨别Na+离子富集程度。当含岩盐地层的溶滤在地下水起主导作用，γNa+/γCl−系数靠近1，在自然状态下，地下水中的Na+和Cl−的主要来源是岩盐，理论上岩盐溶解常造成地下水中的Cl∶−Na+比为1∶1。水体在进行流动时，Cl−离子通常来源于细粒沉积物中的侵染状盐岩，岩土物质由于水体流动时的动力影响出现岩盐溶解以及风化溶解，促使Na+与K+进入地下水，并发生Ca2+、Mg2+与Na+等阳离子间的交换，从而使Na+含量大于Cl−含量。主要阳离子交换反应方程式如式（1）、式（2）。

从图3可以看出，大多数水样的Na∶+Cl−在直线1∶1和直线2∶1之间，少部分水样在直线2∶1之上，即［Na+］毫克当量浓度大于［Cl−］浓度。

结合γNa+/γ（Na++Cl−）系数可以更好地说明离子交换反应发生的可能性，当比值大于0.5时，发生阳离子交替吸附作用。太灰水水样γNa+/γ（Na++Cl−）系数平均值为0.62。含水层γNa+/γ（Na++Cl−）系数均大于0.5，表明阳离子交替吸附作用是研究区地下水中各含水层中Na+离子含量的来源之一。

γCa2+/γNa+和γMg2+/γNa+的比值反映了水质的演化过程和地下水的矿化程度，并可用来判断水化学作用中是否发生离子交替吸附作用。一般来说低矿化度水中Ca2+占优势，随着TDS的增大，水中Mg2+的含量相应升高，当TDS进一步加强，含水层中的Na+与水体中的Ca2+、Mg2+发生阳离子交替吸附作用，最终演化为Na+在水中处于优势地位。同时该系数常用来判断水化学作用中发生离子交换反应的方向，若其减小，则说明Ca2+、Mg2+进入固相，而Na+进入液相；若其增加，则说明Ca2+、Mg2+进入液相，而Na+进入固相。太灰水水样γCa2+/γNa+系数平均值为0.10；γMg2+/γNa+系数平均值为0.09，比值都小于1，且数值较小，表明太灰水中存在Ca2+、Mg2+与岩土体中的Na+存在阳离子交替吸附作用，且由于γCa2+/γNa+大于γMg2+/γNa+，故Ca2+与Na+的阳离子交换作用占主要地位。

3.1.2 γCl−/γCa2+。γHCO3−/γCl−系数可作为反映阴离子演化过程及组分分配比变化的水文地球化学参数。γHCO3−/γCl−越小，地层水矿化度越大，浓缩程度越高。太灰水水样γHCO3−/γCl−系数平均值为0.61，小于1，说明水质总体向咸化的方向发展且浓缩程度较高。

3.1.3 γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3−、γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3−+SO42−）、γCa2+/γMg2+。在煤炭矿井的地下水循环系统中，岩溶动力系统的碳、水和钙（镁）等循环决定了基本的水文地球化学特征，也决定了碳酸盐岩溶解沉淀过程中钙镁等离子的释放［13］。根据这一理论，碳酸盐岩的溶解产物应该满足式（3）。

从图4可以看出，太灰水除部分水样分布在1∶1线附近，还有较多的水样分布在1∶1线之下，表明含水层中除碳酸盐岩溶解外，硅酸盐溶解也提供了相当一部分HCO3−。

地下水中碳酸盐、硅酸岩和蒸发岩的溶解均可提供Ca2+和Mg2+。因此，Ca2+和Mg2+的来源可通过γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3−+SO42−）值来判断。当γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3−+SO42−）小于1时，含水层中Ca2+和Mg2+的含量主要来自硅酸岩和蒸发岩的溶解，反之，来自碳酸盐溶解。如图5所示，水样点主要分布在1∶1线右侧，表明Ca2+和Mg2+主要来源于硅酸盐和蒸发岩的溶解。

3.2 水化学成因的因子分析

选取太灰水样240个，计算得到的太灰水化学特征各指标间的相关系数见表2，因子累计方差贡献率见表3，采用最大方差旋转法得到因子荷载矩阵［14］，即表4。从表4可以分析，因子1和因子2的特征值均大于1，其中因子1的特征值达到了3.240；因子1、2的方差贡献率都在30%以上，因子2的累计方差贡献率达到了79.044%，前2个因子可以诠释太灰水中的7个变量的大部分水化学信息，因此选取前2个因子作为代表太灰的主因子进行分析。

表2 新集太灰水各指标间的相关系数

由表3和表4可知，前三个因子的累计方差贡献率分别为46.285%、79.044%、88.762%。因子1的方差贡献率为46.285%，与HCO3−、Ca2+、TDS有很高的正相关关系，可以理解为硫酸盐岩溶解作用的结果。因子2的方差贡献率为32.795%，与HCO3−、Mg2+、Na+有正相关关系，显示了溶滤作用对太灰水化学作用的影响［15］。

表3 太灰水化学成分因子特征值、贡献率及累计的方差贡献率

表4 运用最大方差旋转法的太灰水化学成分旋转荷载矩阵

4 结论

①潘集矿区太原组岩性主要为灰、深灰色灰岩、生物碎屑灰岩与深灰色砂质泥岩、页岩互层，夹薄层砂岩、泥岩及薄层煤。

②潘集矿区太灰水水质类型主要为Cl−HCO3−Na和Cl−Na型，且水化学特征变化较大。太灰水中存在Ca2+、Mg2+与岩土体中的Na+存在阳离子交替吸附作用，且Ca2+与Na+的交换作用更占主要地位。因子分析结果表明：太灰水存在溶滤溶解作用，也显示溶滤作用对太灰水水化学的影响。