淮南張集礦水文地球化學(xué)特征及水源識(shí)別

張 俊，李余生，林曼利，孫林華，杜尊龍，李 俊

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059;2.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州 234000;3.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

隨著煤礦開(kāi)采向深部延伸，一系列煤礦安全問(wèn)題接踵而至，煤礦水害防治工作難度不斷加大。為了減少煤礦水害事故的發(fā)生，首先要對(duì)煤礦突水水源進(jìn)行識(shí)別。目前，國(guó)內(nèi)外用于判別礦井突水水源的方法有多種，如地下水水位動(dòng)態(tài)、水化學(xué)分析法、數(shù)學(xué)理論分析法、GIS理論分析法等［1～2］。這些方法被廣泛用于煤礦水害防治工作，并且取得了較好的效果［3～8］。

但是利用箱線(xiàn)圖對(duì)煤礦突水水源進(jìn)行識(shí)別的報(bào)道較少，如呂純［9］利用箱線(xiàn)圖對(duì)淮南謝一礦的水化學(xué)成分進(jìn)行了分析，未能對(duì)水源進(jìn)行有效識(shí)別。箱線(xiàn)圖是利用數(shù)據(jù)中的五個(gè)統(tǒng)計(jì)量:最大值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)與最小值來(lái)描述數(shù)據(jù)分布的一種統(tǒng)計(jì)圖形，以一個(gè)簡(jiǎn)單的組合圖形將數(shù)據(jù)批的形狀直觀地表現(xiàn)出來(lái)，使人洞悉眼花繚亂的數(shù)據(jù)中隱含的結(jié)構(gòu)信息，在識(shí)別異常值方面有一定的優(yōu)越性［10］。本文在分析安徽淮南張集煤礦地下水常規(guī)水化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，利用箱線(xiàn)圖對(duì)張集礦的水源進(jìn)行識(shí)別并建立相應(yīng)的模型，以期為該地區(qū)煤礦水害防治工作提供參考。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1．1 地質(zhì)概況

張集煤礦位于謝橋向斜北翼，地處陳橋背斜的東南傾伏端，總體形態(tài)呈扇形展布的單斜構(gòu)造，地層走向呈不完整的弧形轉(zhuǎn)折。西段地層走向在北西75°左右，中段急轉(zhuǎn)東西，北東方向，至北段大致向正北延伸。地層傾角平緩穩(wěn)定，中央石門(mén)以西約為10°，以東2～5°，工業(yè)場(chǎng)地以南至向斜軸一般為15°，局部30°，并有明顯的波狀起伏。礦井的南、北邊緣斷裂發(fā)育，井田內(nèi)部的斷裂數(shù)量較多、但規(guī)模較小。區(qū)內(nèi)揭露的地層自下而上依次為:奧陶系中下統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系、三疊系、新近系、古近系、第四系。

1．2 水文地質(zhì)概況

淮南煤田水文地質(zhì)分區(qū)見(jiàn)圖1，張集礦主要充水含水層由新生界松散層砂層孔隙水、二疊系砂巖裂隙水、灰?guī)r巖溶裂隙水3個(gè)部分組成。

新生界松散層砂層孔隙水(簡(jiǎn)稱(chēng)“第四系水”):可分為上部第四系含隔水層、中部新近系上新統(tǒng)含隔水層、下部新近系中新統(tǒng)含隔水層和底部碎石層紫色砂巖含水層四部分。上部第四系含水層以水平運(yùn)動(dòng)為主，屬孔隙承壓水，是本區(qū)良好的供水水源。

二疊系煤系砂巖裂隙水(簡(jiǎn)稱(chēng)“煤系水”):以中細(xì)砂巖為主，局部粗砂巖和石英砂巖，分布于可采煤層及泥巖之間，巖性厚度變化較大，裂隙多發(fā)育在斷層兩側(cè)的破碎帶中。

灰?guī)r巖溶裂隙水(包括太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r，簡(jiǎn)稱(chēng)“灰?guī)r水”):太原組灰?guī)r含水層厚度較大，巖溶裂隙分布不均;井田內(nèi)揭露奧陶系地層的鉆孔有6個(gè)，厚52.06～88.40m，巖性主要為灰—淺灰色白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶在中下部比較發(fā)育，因巖溶裂隙發(fā)育不均一，各處富水性相差懸殊，整體表現(xiàn)為弱—中等程度的富水性。

2 數(shù)據(jù)收集

張集礦經(jīng)過(guò)10多年的生產(chǎn)建設(shè)，已獲得了大量水文地質(zhì)資料，為本次研究提供了基礎(chǔ)。本次共收集45個(gè)地下水樣品的常規(guī)水化學(xué)資料，包括:及 pH 值，共計(jì)9個(gè)指標(biāo)(表1)。其中，第四系水為12個(gè)，砂巖水為27個(gè)，灰?guī)r水為6個(gè)。

圖1 淮南煤田水文地質(zhì)分區(qū)略圖Fig．1 Hydrogeology division sketch of the Huainan coal field

表1 張集礦常規(guī)水化學(xué)特征Table 2 Major ions of groundwater in the Zhangji coal mine

續(xù)表

3 各含水層水文地球化學(xué)特征

圖2是根據(jù)各含水層常規(guī)水化學(xué)分析結(jié)果(平均值)繪制而成，為了更加清晰的描述各組分的含量變化，分為小于100mg/L和大于100mg/L的兩組分別繪制，從總體上反應(yīng)出各組分之間的相對(duì)關(guān)系。另繪制Piper圖、Durov圖，見(jiàn)圖 3。

由表1及圖2可知，地下水水化學(xué)組分含量變化較大，三個(gè)含水層中、TDS 四種組分含量較高，陽(yáng)離子以K++Na+居多，陰離子以為主。常規(guī)水化學(xué)成分的差異，反映了地下水不同的水質(zhì)特征。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，地下水總是處在不斷的循環(huán)之中，而且與周?chē)沫h(huán)境相互作用，地下水動(dòng)力特征、圍巖組成以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等都會(huì)對(duì)地下水的化學(xué)成分產(chǎn)生重要影響。地下水各組分之間的差異，成為水化學(xué)分類(lèi)時(shí)的主要依據(jù)之一。

圖2 張集礦地下水常量元素含量變化圖Fig．2 Concentration of major ions in different aquifers in the Zhangji coal mine

圖3 張集礦地下水水化學(xué)Piper圖和Durov圖Fig．3 Piper and Durov diagrams of groundwater samples in the Zhangji coal mine

第四系含水層中，水化學(xué)成分變化較大，陽(yáng)離子以K++Na+離子為主，陰離子以為主，其他組分相對(duì)較低，雖然Ca2+比其他組分低，但是其含量相對(duì)煤系水、灰?guī)r水較高，pH為 7.64～8.58(平均為8.16)，偏堿性，比煤系水、灰?guī)r水要低，是區(qū)別煤系水、灰?guī)r水的重要指標(biāo)。根據(jù)Piper圖可知，水化學(xué)類(lèi)型主要有:HCO3-Ca·Na·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·CO3-Na·Ca、Cl·HCO3-Na。

煤系含水層中，陽(yáng)離子以K++Na+離子為主，陰離子以為主，且TDS含量相對(duì)第四系水、灰?guī)r水較高。水化學(xué)類(lèi)型主要有:Cl-Na、Cl·HCO3-Na、CO3·SO4-Na、HCO3-Na。

對(duì)于灰?guī)r含水層而言，大部分組分比煤系水含量低，但其pH達(dá)到了9.34，堿性比第四系水、灰?guī)r水均強(qiáng)。水化學(xué)類(lèi)型主要有:Cl·SO4-Na·Ca、Cl-Na、HCO3·Cl-Na、HCO3·Cl·CO3-Na、Cl-Na·Mg。

通過(guò)以上分析可知，張集礦第四系含水層、煤系砂巖含水層、灰?guī)r含水層的常規(guī)水化學(xué)成分存在明顯差異，可以利用其組分的差異對(duì)其水源進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)，各個(gè)含水層之間的水化學(xué)類(lèi)型較為相似，表明各含水層之間存在一定的水力聯(lián)系，它們之間的水力聯(lián)系可能通過(guò)斷層、封閉不良鉆孔、原生節(jié)理和裂隙等進(jìn)行。

4 基于箱線(xiàn)圖的水源識(shí)別

有關(guān)箱線(xiàn)圖的繪制參閱文獻(xiàn)［10～11］，圖4中矩形盒上下分別為上、下四分位數(shù)，中間橫線(xiàn)為中位數(shù)，兩端分別為最大值、最小值。從箱線(xiàn)圖可以形象直觀地觀察到各個(gè)組分在不同含水層中濃度變化情況。

圖4 張集礦各含水層不同組分的箱線(xiàn)圖Fig．4 Box-plot of different compositions in the Zhangji coal mine

Ca2+箱圖上，水樣點(diǎn)值均在3～60mg/L，三個(gè)含水層組間差異較小，難以區(qū)分;Mg2+箱圖中，組間差異較大，煤系水的值比較高(0～35mg/L)，其它層位較低，基本低于20mg/L，第四系水與灰?guī)r水差異較大，完全可以分開(kāi);K++Na+箱圖上，組間差異很大，第四系水樣有一個(gè)極端異常值，煤系水K +Na在500～1200mg/L，而第四系水與灰?guī)r水低于200mg/L，能夠清楚地區(qū)分出煤系水;箱圖中，組間差異較小(0～80mg/L)，較難區(qū)分，第四系水上四分位數(shù)以下的75%的樣品可以和灰?guī)r水區(qū)分開(kāi);箱圖，與Mg2+較為相似，煤系水較高(150～2500mg/L)，其他層位為0～500mg/L，第四系水與灰?guī)r水之間差異較大，

完全可以分開(kāi)，灰?guī)r水中位數(shù)以下的50%水樣能與煤系水分開(kāi);Cl-箱圖中，煤系水為500～900mg/L，其他層位較低(0～300mg/L)，煤系水與其他層位之間差異很大，能明顯區(qū)分，灰?guī)r水中位數(shù)以上的50%樣品能與第四系水分開(kāi);箱圖中，水樣點(diǎn)值較低(0～200mg/L)，第四系水與灰?guī)r水組間差異較小，能在35mg/L左右將兩者區(qū)分開(kāi);pH箱圖，與箱圖形狀倒置，均在7.5～10，偏堿性，第四系水與灰?guī)r水組間差異較小，能在pH=9左右將兩者區(qū)分開(kāi);TDS箱線(xiàn)圖，與 K++Na+相似，煤系水的值很高(1500～2900mg/L)，而第四系水與灰?guī)r水則較低(300～600mg/L)，容易區(qū)分煤系水與第四系水、灰?guī)r水。

綜上可知，當(dāng) K++Na+＞500mg/L、Cl-＞450mg/L、TDS＞1500mg/L時(shí)，能區(qū)分出煤系水，當(dāng)K++Na+＜200mg/L、＜250mg/L、＞35mg/L、pH＞9時(shí)能區(qū)分出灰?guī)r水，剩下的可能就是第四系水。因此，即使不能提取出一種離子能夠獨(dú)立地區(qū)分出各含水層，可以利用多指標(biāo)對(duì)水源進(jìn)行判定，從而達(dá)到水源識(shí)別的目的。

利用箱線(xiàn)圖建立水源識(shí)別模型(圖5)對(duì)張集礦突水水源進(jìn)行判別:煤系水只有ZJMXS05號(hào)樣品未判別出來(lái)，正確率達(dá)96.3%;灰?guī)r水全部判定正確，正確率為100%;對(duì)于第四系水，除ZJDSX04號(hào)樣品被誤判為煤系水，其他樣品均判定正確，正確率達(dá)93.7%。對(duì)于編號(hào)ZJMX05、ZJDSX04的兩個(gè)樣品可以從箱線(xiàn)圖中得到解釋?zhuān)瑑蓚€(gè)樣品的多個(gè)常規(guī)水化學(xué)成分為極端異常值，表明兩個(gè)樣品可能受到了其他含水層或者人為因素的影響。

圖5 基于箱線(xiàn)圖的水源識(shí)別模型圖Fig．5 Source identification model based on the Box-plot

圖6 Q型聚類(lèi)分析結(jié)果Fig．6 Results of Q mode cluster analysis

所有樣品的Q型聚類(lèi)分析見(jiàn)圖6。聚類(lèi)結(jié)果較為理想，對(duì)于煤系水和第四系水可以進(jìn)行很好的區(qū)分，樣品40～45(ZJHY01～ZJHY06)與第四系水歸為一類(lèi)，表明張集礦第四系含水層可能與灰?guī)r含水層存在一定的水力聯(lián)系。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，樣品4(ZJDSX04)被歸到煤系水，而樣品17(ZJMX05)與其他煤系水樣之間的歐式距離較大，說(shuō)明兩個(gè)樣品本身存在一定的異常(如含水層混合的影響等)。聚類(lèi)分析的結(jié)果表明依據(jù)箱線(xiàn)圖建立起來(lái)的水源識(shí)別模型的判別效果還是很理想的。

5 結(jié)論

(1)各組分含量存在明顯差異，反映了地下水不同的水質(zhì)特征，這可能與地下水的水動(dòng)力特征、圍巖組成以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等有關(guān)。借助于Piper圖和Durov圖對(duì)三個(gè)含水層的水質(zhì)類(lèi)型進(jìn)行了劃分。

(2)通過(guò)對(duì)比分析各含水層不同組分的箱線(xiàn)圖，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng) K++Na+＞500mg/L、Cl-＞450mg/L、TDS＞1500mg/L時(shí)，能區(qū)分出煤系水;當(dāng)K++Na+＜200mg/L、時(shí)能區(qū)分出灰?guī)r水，剩下的可能是第四系水。在此基礎(chǔ)上建立起來(lái)的水源識(shí)別模型對(duì)第四系水、煤系水、灰?guī)r水的判別效果較好，其正確率分別為:96.3%、100%、93.7%。

此次工作只是對(duì)水源識(shí)別的方法予以創(chuàng)新和嘗試，由于樣品數(shù)量相對(duì)較少且只是針對(duì)一個(gè)礦井建立起來(lái)的模型，不一定能完全適用于其他煤礦，但為下一步研究提供了思路。

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