利用水文地球化学方法分析朝川矿水文地质规律

刘守仁刘虎豹

中图分类号：TD821文献标识码：A文章编号：41-1413（2012）02-0000-01

摘要：本文综合利用了水文地球化学方法中的数理统计、Piper图和Q型聚类模糊分析，对朝川矿水文地质规律进行了分析。研究结果表明：河水，水库水，第四系孔隙水与岩溶水有密切的水力联系，岩溶水为矿井的主要充水含水层。砂岩裂隙水与其他含水层基本没有水力联系，补给源少，对矿井充水意义不大。并为矿井能制定有效的防治水措施提供了科学依据。

关键词：水文地球化学水化学特征Q型聚类模糊分析水力联系

煤矿水害做为矿上几大灾害之一，一直是制约我国煤炭开采活动和煤矿可持续发展的重要因素。在治理水害中，我国形成了许多行之有效的方法、理论和技术，但矿区地下水的补给，径流和排泄条件是一切研究的重要基础。只有充分认识和了解矿区的水文地质条件，才能制定合理有效的矿井防治水措施。本文即采用水文地球化学方法中的Piper三线图和Q型聚类模糊分析来分析朝川矿的水文地质规律，为矿井防治水提供科学依据。

一、矿区水文地质概况

朝川矿区位于临汝煤田的东南部，属构造剥蚀低山丘陵及河流冲积平原，中部平顶山砂岩构成丘陵，煤系地层则形成狭长形沟谷，南部寒武系石灰岩组成低山丘陵，呈现岩溶地貌景观。矿区属暖温带大陆性季风气候，多年平均降水量668.1mm，年最大降水量为1170.9mm，年最小降水量为332.8mm，蒸发量为降水量的三倍。矿区为弧形单斜构造，区内构造复杂，主要断裂有北西向与北东向两组，多构成矿区或井田边界，在不同程度地控制着矿区水文地质条件，使朝川矿区成为一个独立的水文地质单元。第四系砂、砾岩孔隙含水层，石炭—二叠灰岩岩溶裂隙和砂岩裂隙含水层，中上寒武系灰岩岩溶裂隙含水层为矿区主要含水层。其中，中上寒武统白云岩含水层在西南部出露，裸露带宽度0.65km，走向延伸长23km，出露面积为15km2。

二、取样与分析

为了解朝川矿区的水化学特征及时间上的演化规律，确定地下水的补给、径流和排泄条件，根据研究目的并结合水化学采样方法，制定了底板灰岩含水层、顶板砂岩含水层等五个深度层面的分层采样的方案，本次工作采集两批矿区水化学样，2004年采集14组，2008年采集26组。其中地表水共10组，第四系孔隙水共14组，砂岩水3组，石炭系岩溶水6组个，寒武系岩溶水3组，混合水样共4组。对其进行了水化学分析，分析项目主要包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、硬度、碱度、固形物、pH值等。

（一）数理统计

朝川矿区采集的不同时间和不同含水层的水样的水化学特征分析结果表明：（1）河水水化学特征：由于矿区排水主要通过朝川河流走，水化学类型由2004年的HCO3.SO4—Ca型水转变为2008年的HCO3.SO4—Ca.Na型水，TDS也有0.57134g/L增大到0.78803g/L；（2）孔隙水水化学特征：孔隙水的水化学类型由2004年的HCO3.SO4—Ca型水转变为2008年的SO4.HCO3—Ca型水，可见孔隙水的水质已经变坏，矿化度变化较小；（3）砂岩水水化学类型：砂岩水的水化学类型没有发生变化，可以说明砂岩水，与其他含水层的水基本没有水力联系；（4）岩溶水化学特征：寒灰水的水化学特征由2004年的HCO3.SO4—Ca.Mg型水转变为2008年的HCO3.SO4—Ca型水，矿化度亦有0.821165g/L减小到0.45924g/L。2008年太灰水的水化学类型为HCO3.SO4—Ca.Mg型，矿化度为0.78449g/L，比寒灰水较大，说明由于矿井排水的作用，使太灰水接受寒灰水的补给，亦可由此看出寒灰水为矿井充水的主要含水层；（5）SO42-离子特征：由于灰岩距离煤系地层较近，在煤矿开采的影响下，使以前的还原环境转变为氧化环境，因此使得煤系地层中的黄铁矿氧化成为硫酸盐（FeSO4）与硫酸，使得水中的SO42-含量增加；（6）矿井混合水的水化学类型：由于矿井混合水是由来自不同含水层的水混合而成，因此水化学类型比较复杂，混合水的水化学类型为HCO3.SO4—Ca.Na型，矿化度为1.370448g/L，已达到微咸水类型。

（二）Piper三线图示法

本文采用国际上通用的水化学分类方法，首先计算主要阳离子（Na+、Mg2+、Ca2+）和阴离子（Cl-、SO42-、HCO3-）的毫克当量百分数，使毫克当量百分数大于10%的离子参与水化学类型的分类。可知：寒武系灰岩，石炭系灰岩岩溶水与第四系孔隙水，河水，水库水水化学类型区域重合，说明孔隙水，河水，水库水补给寒武系灰岩和石炭系灰岩水，并且各水体之间相互交替频繁。朝川水库基底为寒武系灰岩，寒武系灰岩浅部岩溶非常发育，水库水透过灰岩裂隙溶洞补给地下水；在朝川河上游，芦店村旁两岸，河谷对第四系厚层沉积物的切割，第四系孔隙水以泉的方式补给河水；在朝川河中游第9勘探线附近，由于石炭系太原组灰岩露头与河谷相交，河水迎着灰岩层面补给地下水，并出现断流。在朝川矿二井以下，二井和一井矿井废水排入朝川河，并在下游通过河流渗漏补给第四系孔隙水，形成了岩溶水，浅层孔隙水，地表水水化学类型基本一致。二叠系砂岩水水质和其他水样有很大的差别，由此可得，二叠系砂岩水和其他含水层没有水力联系。

（三）Q型聚类模糊分析

为了增强对水化学资料的认识和所得结论的可靠性，对水样进行了Q型聚类分析，以获得对水化学特征的定量解释。为了对矿井突水来源进行判别，以采用常见的六种阴、阳离子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-和TDS为变量，变量名分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7。对所取的34组水样进行Q型聚类模糊分析。二叠系砂岩裂隙不发育，与外界含水层没有水力联系，不会接受地表水体，大气降水的补给，故在掘进的过程中，砂岩裂隙水并不对矿井生产安全造成威胁。

张村矿-250寒武系灰岩水与朝川水库、朝川河上游等地的水样分为Ⅰ1-A-a组，说明其水化学特征相近，证明朝川河水库确实通过灰岩溶洞对西部寒武系灰岩岩溶水进行补给。

朝川矿二水平东、西翼泄水巷所取得太原组灰岩岩溶水水样与时屯、范庄水井水样、朝川河中游水样分为Ⅰ2-A-b组，其水化学特征具有相似性。野外调查发现，当河流流至第9勘探线附近时，由于石炭系太原组灰岩露头与朝川河交叉，河水在此处断流。说明矿区东部太原组灰岩含水层在第9勘探线附近顺着岩层接受朝川河的补给。

三、结论

本文通过收集资料、野外调查、水样分析、室内整理、计算等手段系统研究了朝川矿水文地质规律，为矿井水害防治工作提供了可靠的依据。通过水化学分析得到如下结论：

1.河水、水库水、第四系孔隙水和岩溶水的水化学类型基本一致可说明，它们之间存在明显的水力联系。即河水，水库水主要通过灰岩裸露区以渗漏形式补给寒武系和石炭系灰岩岩溶水，第四系孔隙水主要以泉的形式补给岩溶水。岩溶水为矿井的主要充水含水层，是矿井水防治的主要对象。

2.砂岩裂隙水的水化学特征明显与其余几种水的水化学特征不同，说明与其他水没有水力联系。主要以顶板淋水或滴水形式进入矿井，水量有限，因此对矿井的充水意义不是很大。

值得说明的是矿井水文地质规律的分析和认识是矿井防治水的基础，因此对矿井水文地质规律的分析需要多种科学的方法进行综合研究。水文地球化学方法只有和其他方法结合起来，才能更加明确的认识矿井水文地质规律。

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作者简介：

刘守仁（1962—）男，河南临颍县人，河南平顶山天安煤业股份公司朝川矿地测科科长、助理工程师，主要从事地质、矿井水害防治工作。