安徽淮南礦業(yè)集團新莊孜煤礦 黨保全

安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院 姚多喜 王 俊

地下水化學(xué)特征在新莊孜涌水水源判別模式中的應(yīng)用

安徽淮南礦業(yè)集團新莊孜煤礦 黨保全

安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院 姚多喜 王 俊

新莊孜煤礦位于淮南市西部，八公山東麓，蔡家洼與畢家崗一帶，西北延續(xù)至山王集大斷層，與二道河勘探區(qū)遙望。井田橫跨淮河南北兩岸，井田范圍為寬廣的山前平原，西北與李咀孜礦接界，東南與謝一礦毗鄰，為八公山煤田組成部分之一。井田南北走向長5.40km，東西傾斜寬3.75km，面積17.786 1km2。礦井主要可采煤層有C13，C11b，B10，B8，B7a，B6， B4，A1。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

一、新莊孜礦區(qū)地下水系統(tǒng)

礦區(qū)地下水系統(tǒng)包括新生界第四系中部砂層含水層（組）、煤系砂巖含水層（組）和灰?guī)r巖溶裂隙含水層等三個子系統(tǒng)，其特征如下。

1. 第四系中部砂層含水層組合系統(tǒng)。組厚12.2～63.6m，平均厚29.05m，其中流砂層厚0～29.72m，平均16.18m，主要分布在淮河以北的二道河區(qū)。含水層底板為黏土、亞黏土，底部為0～40m的泥灰?guī)r，砂層局部直接覆蓋在煤系地層之上，因而產(chǎn)生淮河與砂層、砂層與淺部煤系水直接水力聯(lián)系的“天窗”。

含水層以粉砂為主，細砂次之，層厚變化明顯，且?guī)r性不均一。單位涌水量q=0.172～0.826L/s·m，中等富水性，水質(zhì)類型為HCO3-·Ca2+·Mg2+，淮河切割砂層，淮河水與砂層水有直接補給關(guān)系，畢井存在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三個“天窗”，因而形成砂層水對淺層煤系地層的直接補給區(qū)。

2. 煤系砂巖裂隙含水層組合系統(tǒng)。這一子系統(tǒng)包括自新生界第界面至太原群頂界面范圍內(nèi)的所有巖組，補給水源貧乏，以靜儲量為主，但砂巖裂隙發(fā)育的不均衡性，同時局部的構(gòu)造裂隙往往會切穿數(shù)個巖層，導(dǎo)通厚層砂礫間的層間裂隙，而成為主要的儲、導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)。

3. 石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層組合系統(tǒng)。本含水層通常簡稱“太灰”， 共分為三組，組厚約120m，13含灰?guī)r層，巖性以碎屑、粉晶質(zhì)石灰?guī)r或含生物微晶質(zhì)石灰?guī)r為主。

第一組灰?guī)r（C31～C33下）。組厚36.07m，含灰?guī)r3～4層，其中C33層富水，C31、C32兩層一般水量較小，此組是影響A組煤開采的直接充水含水層（組），距A1煤層17m，根據(jù)放水試驗結(jié)果：Q=1.34～1.56m3/min，q=0.14～0.212L/s·m，中等富水性，T=3.6m2/d，S=96～126m，水質(zhì)類型為HCO3-·Ca2+·Mg2+或HCO3-·K+·Na+。

第二組灰?guī)r（C34～C39）。組厚39.15m，含薄灰?guī)r6層，鉆探時僅C34有少量出水，此組灰?guī)r富水性中等偏弱，且灰?guī)r中下部含生物碎屑達40%，裂隙不發(fā)育，起隔水作用，故而與其他含水層（組）無水力聯(lián)系。

二、礦井水化學(xué)特征

1. 水化學(xué)分析。地下水在地殼巖石中賦存和運移過程中，不斷與其周圍介質(zhì)相互作用。由于所處地段的地質(zhì)、水文地質(zhì)、地球化學(xué)環(huán)境的不同，形成地下水的化學(xué)成分也有所區(qū)別。因此地下水化學(xué)成分反映了其所處地段的水文地質(zhì)條件。研究地下水的化學(xué)特征、分布規(guī)律，利用先進的測試手段可分析地下水的補給、徑流、排泄條件，進而達到預(yù)測水害的目的。本區(qū)歷經(jīng)多次勘探，并進行了多次抽（放）水試驗，均取樣作了全面分析，取得了陰陽離子含量、硬度、pH、固形物、耗氧量、CO2含量等多項指標（表1）。

表1 新莊孜礦地下含水層組中水質(zhì)分析

通過水化學(xué)成分分析，揭示了本區(qū)地下水化學(xué)特征。本區(qū)地下水化學(xué)成分主要由溶濾作用和離子交替吸附作用形成。水化學(xué)成分的變化不僅受水動力條件的控制，而且還受原始沉積條件等地質(zhì)因素作用。研究表明，隨著地下水的徑流、溶濾作用的不斷進行，地下水礦化度、各項離子含量呈有規(guī)律變化。如，在水交替條件較好的徑流帶上，礦化度相對較低、水質(zhì)類型為HCO3型。在水交替較緩慢的滯流區(qū)，礦化度升高，水化學(xué)類型變?yōu)镾O4Cl型水。

2. 水質(zhì)變化規(guī)律。礦區(qū)地下水組成復(fù)雜，礦化度、各種離子含量以及水化學(xué)類型變化較大，不同含水層之間有所區(qū)別，存在著明顯的垂直分帶現(xiàn)象。下面從地下水的礦化度、離子含量、水質(zhì)類型三方面來探討礦區(qū)的水質(zhì)變化規(guī)律。

（1）礦化度的變化。礦區(qū)地下水的礦化度在不同含水層之間以及同一含水層不同點是不相同的。一般來說，水的循環(huán)深度越大，它與圍巖接觸時間越長，則礦化度越大。因此，通過研究礦化度變化規(guī)律，可從另一個角度分析地下水的補給、排泄規(guī)律。具體見表1。

新生界第四系中部砂層含水層礦化度1.36 g/L，二疊系砂巖含水層礦化度為5.21g/L，太原組灰?guī)r含水層礦化度為4.32 g/L，奧陶系灰?guī)r含水層礦化度4.41 g/L。

由此可見，本礦井含水層越深，礦化度越高，呈現(xiàn)出“上淡下咸”的分帶特征，這意味著含水層埋藏越深，水的徑流條件越差。也就是說，本礦井的地下水以淺部循環(huán)為主，下部含水層很高的礦化度說明其水流交換弱。

（3）離子含量變化特點。本礦含水層離子含量也有一定的變化規(guī)律。從陽離子piper三線圖中（圖1）以及表1可以看出，本區(qū)煤系砂巖水外，地下水中Ca2+、Mg2+離子的含量都相對較高，其毫克當(dāng)量百分數(shù)多數(shù)都達到20%。Ca2+的含量中只有中含水層較高，達到48.95%，這主要是中含水層直接接受淮河水補給后很快溶濾，徑流速度較快，使得易遷移的Na+、Cl-離子大量流失。砂巖水以下含水層地下水中K+、Na+的含量較高，都超過50%，最高達59.83%。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)這類地區(qū)時，由于溶濾作用及陽離子交替吸附作用（圍巖中的K+、Na+與水中Ca2+、Mg2+交換），使水中K+、Na+含量升高，同時表明本區(qū)自然條件下水交替較緩慢。

從圖1中可以看出，太灰含水層HCO3-含量最高，在75%左右，向淺部和向深部HCO3-含量都減少，Cl-含量增加，礦化度增高，從而進一步說明礦區(qū)深部地下水徑流相對較弱。

三、礦井涌水水源的水化學(xué)特征判別模式

1. 各含水層水質(zhì)比較。

（1）新生界中部含水層水與煤系砂巖水比較：前者的礦化度與三大陽離子含量都較高，兩者的礦化度和三大陽離子含量以及Cl-都較高，而且中含水水層中Cl-及SO42-離子含量高，煤系砂巖水中僅以HCO3-離子含量高為特征。

（2）煤系砂巖水與太原群太灰水的比較。煤系砂巖水的礦化度大于太灰水中，但三大陽離子含量都小于下部的太灰含水層，Cl-離子明顯大于煤系砂巖水從而造成總硬度上的差別。

（3）奧灰水與煤系砂巖水的比較。兩者相比，煤系砂巖水的Cl-離子含量明顯低于奧灰水，礦化度也有所降低，造成地下水徑流條件的差異。

2. 涌水水源的水質(zhì)模型。新莊孜井田內(nèi)可能成為礦井充水水源的含水層系統(tǒng)都有各自的水質(zhì)特征，在陰陽離子含量及礦化度上存在比較明顯的差異。判別井田涌水水源，主要是識別涌水是來自底含還是來自太灰水，或煤系水本身。由于礦井涌水時水源水質(zhì)一般是混合的，所以用水化學(xué)分析方法判別礦井涌水水源時，必須了解水質(zhì)模型。

（1）中含水的水質(zhì)模型Ⅰ，涌水應(yīng)具有的特點是：礦化度大于1.3g/L；主要陰離子SO42－的當(dāng)量百分數(shù)20.25%；Cl-在10.97%左右，K++Na+離子當(dāng)量百分數(shù)大于30%，Ca2+在45%左右。

（2）太灰水的水質(zhì)模型Ⅱ，涌水應(yīng)具有的特點是礦化度在4g/ L左右；Ca2+在19%左右，SO42-離子在5%左右?？傆捕仍?0德國度左右。

3. 礦井涌水水源的判別模式。基于上述的水質(zhì)模型，建立下面的新莊孜礦礦井涌水判別模式（圖2）。

四、結(jié)論

1. 通過礦井水化學(xué)特征分析，建立了新莊孜礦礦井水源判別模式。

2. 通過建立礦井涌水判別模式，了解了礦井水的來源，掌握了礦區(qū)各含水層組合系統(tǒng)中地下水流動條件，以便預(yù)測礦井涌水量，同時為有效防治礦井突水提供了理論依據(jù)。

3. 對地下水水化學(xué)特征的分析，有助于獲得深層地下水的流動條件及巖、水作用程度等方面信息，為今后新莊孜礦區(qū)更深層次地分析地下水化學(xué)特征以及多指標的水溶成分分析奠定了基礎(chǔ)，解決更多水文、工程地質(zhì)問題。