廉法宪 储成想 姜春露

（1.中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232170；2.安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601）

1 研究区概况

新集矿区位于安徽省北部，地跨淮南和阜阳两市，现有生产矿井6对（新集一矿、二矿、三矿、刘庄矿和口孜东矿，在建矿井板集矿），煤炭资源储量100多亿吨。矿区分布在淮河以北，属平原地貌，地面标高一般为22～26m，为温带大陆性季风气候，年平均气温16.6℃，年平均降水量约890mm。新集矿区位于淮南煤田西南部，构造上属于华北板块南缘，豫淮坳陷南部、淮南复向斜谢桥向斜的南翼、阜凤推覆构造中段。矿区主体构造线呈北西西向展布，次级断裂、褶曲发育，断层多为张扭性正断层。新集矿区地下水资源主要有第四系松散层孔隙水、煤系碎屑岩类裂隙水和碳酸盐类岩溶裂隙隙水等。多年开采实践表明，新生界松散含水层和煤系砂岩含水层是矿井开采主要充水水源，对矿井安全开采造成严重威胁。

2 采样与测试

从新集矿区6个矿井不同含水层采集水样共28个，包括地表水样（地表河流及沉陷区积水）7个、新生界松散层水样5个、煤系砂岩水16个。水样用原水冲洗过三次的聚乙烯瓶采集，并使用0.45μm的玻璃纤维膜过滤，低温（0～4℃）密封保存至测试。现场采集的水样用瑞士梅特勒参数仪测试总溶解性固体（TDS）含量，单位为mg/L。氢氧稳定同位素用50ml离心管装样后用激光液态水同位素分析仪进行分析，测试结果均以相对于V-SMOW的千分偏差值表示，测试单位为‰，测试精度为0.02‰和0.15‰。用250ml聚乙烯瓶装水样后送安徽省环保厅辐射站采用1220Quantulus型超低本底液体闪烁谱仪测试T同位素，测试单位为TU，仪器精密度为σ≤0.6TU。

3 结果与讨论

3.1 氢氧稳定同位素组成分析

新集矿区各水体氢氧同位素测试结果如表1。地表水δD范围为-50.7‰～ -27‰，δ18O值为-6.1‰～-2.7‰，平均值为-39.96‰和-4.71‰；松散层水δD范围为-63.3‰～-50.48‰，δ18O值为-7.8‰～-6.9‰，平均值为-56.03‰和-7.43‰；煤系砂岩水δD范围为-71.6‰～-45.1‰，δ18O值为-8.9‰～-5.7‰，平均值为-65.9‰和-8.1‰。可以看出地表水的氢氧稳定同位素值较大，总体富重同位素；新生界松散层水和煤系砂岩水稳定同位素值较小且较为接近，相对较贫重同位素。

表1 新集矿区不同水体同位素测试结果

3.2 δD与δ18O关系和氘盈余

根据新集矿区不同水体的样品测试结果，δD与δ18O拟合曲线如图1所示。从图1中可看出，所有水样同位素值均分布在全球大气降水线的右下方。地表水、松散层水、煤系水拟合曲线的斜率分别为5.55、8.13、7.15，表明地表水的蒸发作用强烈，而松散层水和煤系砂岩水的蒸发作用较弱。

图1 不同水体δD-δ18O关系图

为评价地区降水因地理与气候因素偏离全球降水线的程度，Dansgard（1964）提出“氘盈余”或“d参数”的概念。d为GMWL斜率为8时的截距。氘盈余的主要控制因素为温度、风速和相对湿度，其中蒸发作用是最主要的影响因素，与氘盈余呈正相关，湿度与氘盈余呈负相关。全球平均大气湿度约为85%，对应的氘盈余值为10‰。从表1中可看出，新集矿区松散层水和煤系砂岩水氘盈余值变化范围较小，表明新集地区地下水的补给源较为稳定。松散层水（dmean=3.38‰）和煤系砂岩水（dmean=-1.1‰）的氘盈余平均值明显低于10‰，这表明新集矿区松散层和煤系砂岩水多为相对湿度较高的冬季降水所补给，当大气降水补给到煤系砂岩后，由于水岩作用，水体与岩石中的氧同位素发生同位素交换导致氧同位素升高，d值下降。

图2 地下水d与TDS关系

蒸发作用同时使水中的盐度增加，矿化度增大，对于水样测得水中TDS如表1。三种水体TDS的平均值分别为804.24mg/L、685.75mg/L、2515.13mg/L，且地表水和松散层水的TDS分布较为集中，而煤系砂岩水TDS分布较散，范围为629.98～5949.59mg/L。新集矿区地下水中的TDS与d之间的关系见图2。从图中可以看出TDS与d呈负相关的关系，这与相关资料给出的结果相符合。TDS越小表明水体滞留时间越短，地表水环境裸露，补给充分，所以其TDS值较小。而深层煤系砂岩地下水由于滞留时间长，交换能力强，所以TDS值明显增大而d值偏小。

3.3 氚同位素特征

由表1和表2可知，新集矿区地表水T值范围为4.27～10.03TU，属于年龄小于5～10年的现代水；新生界松散层水T值范围则为1.07～5.13TU，是亚现代水与近期补给水的混合。即新集矿区松散含水层二含、三含和四含水既有近期补给的水，也有几十年前补给的亚现代，表明该矿区新生界松散含水层（二含、三含和四含）水循环更新年限应该在60年以上。

煤系砂岩水中有4个样品T值小于1，5个样品T值在1.55～3.84TU之间，7个样品T值在4.28～8.30TU之间。反映出煤系砂岩水补给较为复杂，既有1952年以前亚现代水的补给，年龄在5～10年的现代水补给，也有二者混合水。从各矿井煤系砂岩水T值含量来看，刘庄矿、板集矿和新集三矿水样的氚含量要略大于新集二矿和一矿，主要为现代水，说明这三个矿井煤系砂岩地下水补给、径流、排条件好于一矿、二矿，地下水的更新能力强。原因在于新集一矿和二矿原地煤系地层之上覆盖有推覆体灰岩和夹片岩，这有效地阻隔了新生界含水层对原地煤系砂岩含水层的垂向补给，导致新集一矿和二矿原地煤系砂岩含水层主要是侧向径流进行水补给和更新。而刘庄矿、板集矿和新集三矿煤系砂岩直接与新生界松散含水层不整合接触，可能存在新生界松散层水对砂岩裂隙含水层的补给。

表2 建立在氚含量基础上的地下水近似年龄

4 结论

（1）新集矿区地表水蒸发作用较强，相对富重氢氧稳定同位素，d值较低；松散层水和煤系砂岩水蒸发较弱，且主要为冬季降水补给，相对贫重氢氧稳定同位素。

（2）新集矿区新生界松散层水是亚现代水与近期补给水的混合，补给更新时间在60年以上，补给较为复杂。由于推覆体的存在，阻隔了新生界含水层对原地煤系砂岩含水层的垂向补给，使得新集一矿和二矿煤系砂岩水主要为亚现代水或亚现代水与近期补给的混合水，而新集三矿、刘庄矿和板集矿离推覆体较远，存在新生界松散层现代水对砂岩裂隙含水层的补给。