羅文駿 郭水濤 李文軍
(1.河南理工大學資源環(huán)境學院,河南 焦作 454100;2.焦作煤業(yè)(集團)有限責任公司古漢山礦,河南 焦作 454002)
古漢山礦位于河南焦作境內(nèi)太行山南麓的山前沖洪積扇前緣,均被第四系及新近系覆蓋。北部邊界以上(淺部)為吳村礦,其老空區(qū)積水沿煤層頂、底板砂巖裂隙以及灰?guī)r裂隙向下滲透至古漢山井田內(nèi),使其水文地質條件等變得復雜。同時井田奧陶系灰?guī)r承壓水含水層為二1煤層開采的間接充水含水層,其含水層厚度大、富水性極強、水頭壓力高。為消除古漢山礦的淺部老空水害和奧灰水害,需要進行水源識別和水質評價。
本文在常用的水質評價方法中[1-4]選用主成分分析法評價分析古漢山礦礦井水樣。
主成分分析法是一種降維的多元統(tǒng)計分析方法,主要目的是用較少的主要幾個水質指標變量去解釋原始數(shù)據(jù)中的大部分信息。計算步驟如下[4]:
第一步:構建觀測矩陣G。根據(jù)已有m個礦井水水樣和n個水質監(jiān)測指標,構成觀測矩陣G:
第二步:歸一化后的觀測矩陣G′。由于各指標量綱及判定標準的不同而不具備關聯(lián)性,為使各指標之間具備可比性,需要將各參數(shù)進行歸一化處理,即:
式中:Xij為實際測量值;Uj、Sj分別為j指標樣本均值和標準差。
第三步:計算相關系數(shù)矩陣R。根據(jù)歸一化觀測矩陣G′ 計算相關系數(shù)矩陣,即:
i,j=1,2,…,n;k=1,2,…m
式中:rij為第i指標和第j指標間的相關度大小。
古漢山礦區(qū)存在淺部老空積水,二1煤層存在奧灰水的補給,這威脅著井下采煤的安全。為消除礦井水害的威脅和礦井水的資源化利用,需要先了解各排水點水質情況,再逐步合理地抽排淺部老空水。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,確定10個取樣點位置及其水源類型如表1和圖1,水質檢測的結果見表2。
表2 古漢山礦井水水質分析結果
圖1 古漢山礦區(qū)取水樣點平面位置分布圖
表1 古漢山礦區(qū)取水樣點位置
由于1、2、3號排水點為老空水,TDS較大且渾濁度達8.8NTU,pH在10.29~12.61之間,為較強堿性;其余水樣點的TDS較小,pH在7.8~8.24范圍內(nèi),呈弱堿性,渾濁度較小。為進一步分析水質,本文運用AquaChem軟件繪制水樣數(shù)據(jù)的piper三線圖,結果如圖2。
圖2 古漢山礦井水樣piper三線圖
由piper三線圖可知,左邊三角形中陽離子主要集中左中部,水樣中陽離子主要為Mg2+、Ca2+、Na+;右邊三角形中陰離子主要集中在左下部,可知陰離子主要為HCO3-、SO42-。結合舒卡列夫分類法可知水樣點的水質類型:5、6、9、10號水樣點水質類型為HCO3-Ca·Mg型;1、2、4號水樣點水質類型為HCO3·SO4-Na型。所取多水源水樣的水質類型主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型。
根據(jù)研究區(qū)礦井水取樣點及其水質特征,本文選 取 總 硬 度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、渾濁度、pH共九項指標,參照《地下水質量標準》(GB14848-2017)的等級閾值進行水質評價。由主成分分析法,運用SPSS25計算的總方差解釋圖可知主成分1、2、3累計方差貢獻率為86.822%,大于85%,且特征值均大于1,可認為前3個主成分包含了水樣的大部分信息,故選擇主成分1、2、3進行水樣水質分析,同時得到主成分得分系數(shù)矩陣,見表3。
表3 主成分分析總方差分布表
從表4可知,主成分1主要影響因素為TDS、pH、Cl-、Na+,主成分2主要影響因素為總硬度、Fe、渾濁度,主成分3主要影響因素為總硬度、NO3-、Fe。評價得到的水質等級見表5。
表4 主成分得分系數(shù)矩陣
由表5可知:主成分1~3得到的水質分析結果水質等級在I~V,大部分水樣點的水質等級在II~IV。水樣1~4水質等級在主成分1~3中的評價都在II~V,1~4號水樣點都是老空水,地下水受煤層中含有黃鐵礦等的污染,水質較差。
表5 水質評價結果表
主成分2和3評價結果與單因子水質評價結果有較大區(qū)別:1、2、3號水樣點未考慮pH項,評價結果偏于樂觀;4、7號水樣點評價結果與傳統(tǒng)評價方法有不同,選取的指標如總硬度、Fe在4和7號水樣點濃度較低,綜合分析結果與實際水質不符。主成分1評價結果與傳統(tǒng)單因子評價結果較接近,1、2、3號水樣點如pH值10.29~12.61為較強堿性,水質較差,評價結果為V級,比較符合水樣實際水質情況。綜合分析可知主成分1評價結果較好。
由表2可知:5、6、9、10號水樣點水質類型為HCO3-Ca·Mg型,7號點為HCO3-Na型,8號點為HCO3·SO4-Ca·Mg型,考慮水樣點平面分布圖和取樣點層位5、6與9、10水樣點水質類型相同,可推知吳村礦32采區(qū)對古漢山礦15采區(qū)有一定的水源補給,但取樣距離相差較大,可知其水力聯(lián)系較弱。水樣點7、8、9、10雖在一個采區(qū),但取樣層位不同,水質類型也有較大差異,故水力聯(lián)系可能較弱。1、2、4號點水質類型為HCO3·SO4-Na型,3號點為SO4·Cl-Na型,水質類型接近,結合水樣點平面分布圖可以推知1、2、3、4號點存在較強水力聯(lián)系。
1~5號水樣分別取自吳村礦35、33和32號排水點、-175泵房和吳村主井排水點,取樣點為淺部老空水聚集的區(qū)域,較少的接收奧灰水的補給,受奧灰水的威脅程度較小。另外經(jīng)過含黃鐵礦煤巖層的淋濾后水樣中含有較高鐵離子濃度和較高的TDS等,較大程度地降低水質等級。取自古漢山礦15采區(qū)井下的水樣點,受一定程度的奧灰水補給,由于礦井正常生產(chǎn),補給排泄正常且連續(xù),其受奧灰水的威脅程度較小且水質較好。
(1)由piper三線圖和舒卡列夫分類法并結合水質資料可知水樣點的水質類型:主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型,35、33和32號排水點和-175泵房水樣點水質類型相近且取樣層位相同,其水樣點存在較強水力聯(lián)系。
(2)本文選取總硬度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、渾濁度、pH共計九項指標,利用主成分分析法得到水質等級集中在II排泄IV級,其中主成分1評價結果與傳統(tǒng)單因子評價結果較接近,評價結果較好。研究結果可為古漢山礦井水害聯(lián)合抽排水治理和礦井水質分類資源化利用提供參考。