煤层下部太原组岩溶水化学组分特征及其成因分析

杨婷婷，许光泉，余世滔，苏 悦，郑竹艳,黎志豪

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

煤炭资源是我国能源结构中不可或缺的一部分，占一次性能源的70%左右[1]，资源的需求使得矿井开采不断向深部延展，煤田深部开采属于高地应力、高地温、高岩溶水压和开采扰动的“三高一扰动”环境[2]，深部的A组煤开采面临下部岩溶水害的影响。近10年来，我国发生的特大型岩溶水突水事故52起，直接损失32亿元，底板岩溶突水问题成为煤矿安全开采的重大隐患。在此情况下，前人从不同角度对岩溶水害进行了研究[3-7]，其中水化学方法是目前应用最多也是最有效的一种方法。

淮南矿区A组煤储量丰富，煤质较好，目前已有潘二、潘北，张集等矿实施开采，但由于淮南矿区水文地质条件复杂，底板突水事故频发，给A组煤的开采带来较大影响，据统计近年来先后在淮南矿区5个矿发生过19次灰岩突水事故[8]。前人利用水化学方法对淮南矿区岩溶水进行研究，研究的方向主要是将岩溶水化学特征与水源判别、水流渗透途径、水动力特征联系起来，用于提出岩溶水害防治措施[9-13]，但解释岩溶水化学特征成因方面的资料较少。为此，本文以顾北矿井2008年开采至今的40个岩溶水样数据为例，综合运用多元统计(主成分分析)与水化学(piper三线图、离子比例系数)方法，分析顾北矿A组煤层下部岩溶水化学特征，探讨不同水质及其影响因素，研究结果可为矿区A组煤层下部岩溶水害防治提供理论依据。

1 研究区概况

顾北井田位于陈桥背斜东翼与潘集背斜西部的衔接带，地层总体为南北走向、向东倾斜的单斜结构，倾角5°～15°，分布不均的次级宽缓褶曲和断层。根据次级褶曲和断层的发育特征，可划分为3个区：北部简单单斜区、中南部“X”共轭剪切区、南部单斜构造区。F86断层为矿井北部边界断层，走向北东东，倾向南东，倾角30°～55°，落差0～76 m，走向长度在矿井内1.8 km，向东延入顾桥煤矿。F211断层为矿井南部边界断层，走向北西，倾向南西，倾角50°～70°，落差8～63 m，走向长度在矿井内6 km。其中F104断层将矿区分为南北两个部分。

顾北井田具有淮南典型的沉积地层，分别为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系以及第四系松散层。二叠系上统以细至粗砂岩为主，含煤层；二叠系下统以粗砂岩与泥岩为主，含煤层；石炭系太原组以灰岩为主，夹泥岩、砂岩和盐岩，含薄煤层；石炭系本溪组主要以浅灰绿色铝铁质泥岩及泥岩为主，含较多黄铁矿；奥陶系中以厚层白云岩，白云质灰岩为主，夹灰岩与盐岩；寒武系岩性主要为灰岩、白云岩与页岩。主要开采煤层为13-1、11-2、8、6-2、1(A组)煤。依据地质条件、岩性、埋藏条件以及含水空间，其中对A组煤开采有影响的岩溶充水含水层有：太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层以及寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层。由于太原组灰岩直接与A组煤层下部接触，所以对采掘工程影响较大的为底部太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层(图1)。

顾北煤矿在2008年8月正式投产以来，积累了大量的地质、水文地质资料，且于2013年在勘探范围内发现两个疑似陷落柱，因此研究岩溶水化学组分及其成因对于岩溶水的防治具有实用价值。

2 取样与分析

3 岩溶水水化学特征

3.1 不同组分统计特征

3.2 不同组分在垂向深度上变化特征

研究区岩溶水的TDS含量值为950 ～3 871.5 mg/L，TDS含量随深度的变化见图3(a)。随

目前电解铝行业有应用实例的是石灰石-石膏湿法脱硫工艺。该工艺以石灰石浆液作为吸收剂，在吸收塔内对烟气进行洗涤，以去除烟气中的 SO2，反应产生的亚硫酸钙通过强制氧化生成硫酸钙(石膏)。该工艺主要优点是技术成熟、脱硫剂相对容易获取；缺点是初始投资大、占地面积大、耗水量大、副产物产量大且需要外运处置。

着深度的增加，TDS呈现线性上升，离子含量多集中于2 000～3 000 mg/L，TDS含量(y)随深度(x)变化的拟合公式为：

y=-5.28x+1 054.29 (1)

式(1)表明TDS含量在垂向上随着深度不断增加，水质进一步发生变化。随着开采深度的增加，Cl-含量呈线性增长趋势(图3b)，离子含量多集中于500～1 250 mg/L，拟合公式为：

y=-1.88x-308.89 (2)

图1 研究区基岩地质图与采样点分布Fig.1 Study geological maps of bedrock and sampling points

/(mg·L-1)

表2 顾北矿岩溶水水化学分析结果Table 2 Result of the hydrochemical analysis of karst water in Gu Bei mine

图2 顾北矿岩溶水piper图Fig.2 Piper diagram of karst water in Gu Bei mine

图3 离子含量与深度的变化关系图Fig.3 Relationship between ion content and depth

4 成因作用与控制因素分析

4.1 成因作用

4.1.1溶滤作用

4.1.2脱硫酸作用

图4 顾北矿区岩溶水主要离子比值图Fig.4 Main ion ratio map of karst water in Gu Bei mine

4.1.3离子交换作用

图5 顾北矿岩溶水分析变量投影荷载分布图Fig.5 Loading distribution of analysis variables in the karst water from the Gu Bei mine

F1=0.58x1-0.06x2-0.16x3+0.39x4-0.41x5+0.48x6+0.30x7

F2=0.02x1+0.49x2-0.62x3-0.16x4+0.11x5-0.27x6+0.52x7

图6 顾北矿主成分荷载投影图Fig.6 Diagram of the principal component loading scores from the Gu Bei mine

4.2 控制因素分析

研究区岩溶水的水流方向为自西向东，其中中部采样地区为矿井南一采区开采时放水试验巷道，为排泄点，同一层位其他方向岩溶水向其进行补给。依据断层F104与SF28将研究区分为南北两个构造单元，两个区块经过前期井下放水试验验证均为中等—弱富水性，其中F104断层以北区块部分为中等富水性，且岩溶地下水径流速度缓慢 ，围岩发生水-岩作用的时间长，溶解性总固体高，两个区块上方均覆盖有较厚的下部隔水层，与上方无直接水力联系，岩溶水主要在各自的含水层中做顺层运动。

如图7(a)所示，在F104断层以北，岩溶水水化学类型由Cl·SO4—Na+K，HCO3·SO4—Na+K型转化为Cl—Na+K型，F104断层以南，岩溶水水化学类型由SO4—Na+K型转化为Cl·HCO3—Na+K型。由此可以得知F104断层的阻水性对水化学组分与类型有重要的控制作用。

式中：T——地温；

x——沿水流方向的增温率(2.8～3.4)；

H——深度(H取深度绝对值)。

图7 顾北矿岩溶地下水径流模式Fig.7 Runoff model of karst groundwater from Gu Bei mine

顾北煤矿位于淮南煤田中部水文地质单元，且属于顾北-张集-谢桥次一级水文地质单元[16]。在这次一级单元中，该矿位于F211和F86之间，石炭系太原组含水层通过该断层与相邻矿井之间发生一定水力联系，且其上部为煤系弱含水层，而下部与奥陶系灰岩之间通过断层或陷落柱发生水力联系。因此，研究区为一个相对独立裂隙含水系统，但受F104断层影响，又分为南北两个独立亚构造单元，平面上形成两个相对独立含水系统，由于受A组煤层采动和井下放水试验的影响，太原组含水层形成局部地下水流系统，而相对较深的下部奥陶系含水层为中间含水层系统[17]，它通过构造与上部太原组含水层发生水力联系。这种不同深度含水层系统决定了地下水径流深度、水动力条件和氧化与环境、地下水温度变化以及单斜径流方向上水-岩作用程度。因此，地下含水系统从宏观上控制着研究区岩溶水水文地球水化学组分在空间上的分布特征。

5 结论

(2)根据离子比值关系可知含水层离子主要来源盐岩溶解，伴随有碳酸盐岩的溶解，黄铁矿的氧化；根据主成分分析可知，岩溶水主要发生阳离子交换作用与脱硫酸作用，并伴随有“咸化”与“硬化”特征。

(3)依据A组煤底板岩溶水水质在矿井的分布情况可知，顾北矿井A组煤底板岩溶水化学特征主要受到构造分区、埋藏深度、不同水环境(氧化-还原)变化以及径流路径上的水-岩相互作用等因素的影响，使得水质更加多元化。