赵益晨，郭国强

(1.汾西矿业集团地测处，山西 介休 032000;2.中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710054)

双柳煤矿充水含水层水化学特征及涌水水源识别技术

赵益晨1，郭国强2

(1.汾西矿业集团地测处，山西 介休 032000;2.中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710054)

运用灰色关联度理论，对双柳煤矿主采煤层主要充水水源水化学一般特征进行分析，确定各含水层的特征离子。采用piper三线图、离子含量柱状图，分析研究煤系地层砂岩水、太灰水、奥灰峰峰组、奥灰上马家沟组含水层的水化学特征，并利用piper三线图对本区各含水层水质类型进行初步分区，为矿井技术人员快速准确判别涌水水源类型提供了有效方法和依据。

水化学特征;灰色关联度;piper三线图;水源类型

近年来，矿井突水事故频发，对突水水源的准确判断是水害防治的重要前提。水化学特征研究是判别突水水源的基础，分析认清各含水层水化学特征，充分认识地下水赋存规律，有利于快速判别突水水源，能提高应急反应速度，节省人力物力。本文以双柳煤矿为例，分析研究该矿各主要充水含水层的水化学特征，为初步判断突水水源提供技术方法依据。

地下水的化学特征是围岩矿物和水流之间内在关系所形成的结果，决定于地下水运动时接触的围岩成分、水文地质条件和氧化还原环境等。地下水的水化学成份及不同离子含量的多少，与其赋存条件有着十分密切的关系。本文采用矿区主要含水层的水样，进行常规水质分析，研究矿区地下水的水化学成份及其背景含量特征，为判别矿井突水水源提供依据。

1 矿区水文地质概况

区域内对煤炭资源开采有一定影响的含水层主要有第四系松散孔隙潜水含水层、煤系地层砂岩裂隙承压含水层、石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层和奥陶系中统灰岩岩溶裂隙承压含水层。

本区地下水主要以承压水含水层为主，含水层在山间沟谷地带接受大气降雨的补给，其中二迭系上统砂岩含水层在区域内广泛出露，寒武－奥陶系可溶岩裸露区分布于柳林泉域的东部和北部，在山区成片出露，黄土丘陵区只在沟谷零星分布，太原组灰岩在区域北部沟谷中零星出露。区域内石炭、二叠、三叠系含水层富水性较弱，奥陶系岩溶含水层富水性较强，其地下水在岩层露头接受补给后，分别由北、东、南等方向排向柳林泉，构成一个完整的水文地质单元。

2 主要含水层的水化学特征

2.1 煤系地层砂岩裂隙水

煤系地层砂岩裂隙水主要指二叠系砂岩含水层，该含水层是山西组煤层的顶板充水水源。本文选取6组地表水文钻孔水化学简分析资料，分析含水层水化学特征。水质类型主要为 SO4·HCO3－Na·Mg型，六大主要离子平均含量:K++Na+含量 236.22 mg/L，Ca2+含量 65.74 mg/L，Mg2+含量 50.51 mg/L，Cl－含量 90.30 mg/L，SO42－含量425.94 mg/L，HCO3－+CO32－含量 379.565 mg/L。矿化度 613.89 ～1 876.97 mg/L。

从图1piper三线图可以看出，砂岩水在菱形图上分布比较分散，显示本区二叠系砂岩水接受补给的水源及补给途径差异较大，导致样本个体间存在一定差异。

表1 煤系地层砂岩裂隙水主要离子含量表 mg/L

2.2 太原组灰岩水

太原组灰岩含水层是本区煤系地层重要充水含水层之一，一般包含4～5层厚层石灰岩。本文选择井下探放水钻孔5组水样测试成果分析太灰含水层主要水化学特征。主要水化学类型为 Cl·SO4·HCO3－Mg·(Ca)·(K+Na)，矿化度平均1 251.6 mg/L。六大离子含量见下表2。

从图2的 piper三线图上看，各水样在菱形图上比较集中，反映出本组水样中基本没有其它水源参与，离子特征准确反映了太灰含水层的水化学特征。

表2 太原组灰岩含水层主要离子含量表 mg/L

图1 煤系地层砂岩水三线图

2.3 奥陶系灰岩水

奥灰含水层是本区带压开采最重要的含水层，其整体富水性强，水平分布上存在富水性不均匀。不同埋深条件下，其水化学特征有一定区别。本文选用地面钻孔5组水化学资料，分析奥灰含水层水化学特征。从水样分析资料看，不同埋深，不同水化学环境下，奥灰含水层水质类型有一定区别，主要为 Cl·SO4－Na·Ca型水，其次为 Cl·(HCO3)－Na，HCO3·(SO4)－Na·(Ca)。主要离子及其含量见表3。

从图3piper图来分析，奥灰上马家沟组含水层的水样分布集中，水质类型接近。而峰峰组的水样分布较分散，水样间个体差异很大，表明其水化学形成环境有差异，水化学场分布具有区域性。

图2 太灰含水层piper图

表3 奥灰含水层主要离子含量表 mg/L

图3 奥灰含水层piper三线图

3 双柳煤矿充水含水层水化学特征研究及突水水源识别技术

3.1 灰色关联度分析－排除异常值

灰色关联度分析是运用灰色理论，计算样本间的灰色关联度，寻求样本间的最大相似特征来进行水源类型判别。

本文在四个含水层中各选一组水样作为灰色关联度分析的标准水样，分别为 P01，T01，S01，F01。用来控制关联度的分辨系数，取值为0.1～0.5，取值越高则样本之间的差异在关联度分值上的体现越越为明显，通常使用0.4即可。本文以煤系地层砂岩裂隙水、太灰水为例，利用计算机软件，运用灰色关联度分析，分它们的水化学特征。计算结果见下表4、表5。

通过表4灰色关联度分析结果可以看出，p06号水样关联系数为0.777 2，关联度最低，可能在取样中受到污染，反应出奥灰水的特征。也可能是在该取样点砂岩裂隙含水层与下伏奥灰含水层存在越流补给，具有垂向导水通道。因此，可以将p06水样剔除，其它水样可作为煤系地层砂岩水的背景值，反应该含水层的水化学离子特征值。

表4 砂岩水灰色关联度分析成果表

表5 太灰水灰色关联度分析成果表

从表5可以看出，T05太灰水样受到砂岩水污染，关联度最低，从样本组中剔除，其余4组水样可以作为本区太灰水的水化学背景值。

奥灰峰峰组含水层与奥灰上马家沟组含水层由于水样数量较少，全部采用，作为含水层的背景值看待。

3.2 充水含水层水化学特征研究

通过灰色关联分析，剔除了异常值，剩余水样作为含水层的水质特征值。本文用图解法分析各含水层水源特征。

3.2.1 piper三线图分析各充水水源水化学特征

图4 充水含水层piper三线图

Piper图是一种常用水文地球化学特征研究方法，它由一个菱形和一对三角形排列形成一个大三角形的图形(如图4)，左下为阳离子三角形图解，右下为阴离子三角形图解。三角形中的阴阳离子的摩尔百分含量向上延伸到菱形产生交点，表示此水样的阴阳离子相对含量。可直观显示水样的一般水化学特征及水质类型。

以表1筛选后的水样数据为基础，做出了煤系地层砂岩水、太灰水、奥灰峰峰组、奥灰上马家沟组四个含水层的水样piper三线图，如图4所示。从图中可以看出，四种含水层的水质类型差别较大，奥灰峰峰组的三个水样分布很分散，各个水样水质类型有所差别。太灰含水层4个水样分布很密集，能代表本区太灰水的背景值。两个奥灰上马家沟组水样分布集中，水质类型基本相同。局部峰峰组与上马家沟组水质接近，说明两个含水层有互相补给的可能。

峰峰组含水层水样比较分散，据本区其它水化学资料，矿化度也有较大差别，含水层的埋深、径流条件、可溶盐等水化学形成条件决定了本区不同区域峰峰组含水层的水质类型，在径流区、滞留区、补给区具有不同的水化学特征。要判别该水样的水质类型，需要进一步采取其它方法。

3.2.2 水化学柱状图分析充水水源水化学特征

图5 各含水层主要离子含量柱状示意图

从图5可以看出，四种充水水源中，奥灰上马家沟组含水层中Cl和SO4离子含量明显高于其它含水层，特别是 SO4离子含量比其它含水层明显高很多，可将其作为水源判别的依据。其次，奥灰上马家沟组中Na离子含量也比较高，也可作为充水水源辅助判别离子。砂岩含水层中 Ca、Mg、Cl离子含量很低，仅HCO3离子含量较高，与其它水源相当，这些离子特征可作为砂岩水的判别依据。太灰水中 Na、Ca、Mg、Cl离子含量均较低，而 SO4、HCO3离子含量比其它四个离子高1倍甚至更多，这种特征可作为太灰水的充水水源判别依据。奥灰峰峰组水样特征不是太明显，较明显的区别是 Ca、SO4、Cl离子含量低，是上马家沟组含水层的一半左右，可粗略判断这两种水源的区别。

3.2.3 水化学特征分区

通过以上分析，对于本矿主要含水层水化学特征有了比较明确的认识，根据piper三线图，初步在菱形图上划分出三个分区，Ⅰ区为砂岩水，Ⅱ区为上马家沟组含水层，Ⅲ区为太灰水。如图4所示。

4 结语

本文通过对双柳煤矿主采煤层主要充水水源水化学一般特征的分析，运用了灰色关联度理论，剔除了样本中异常水样，确定了各含水层的特征离子。通过采用piper三线图、离子含量柱状图，详细分析研究了煤系地层砂岩水、太灰水、奥灰峰峰组、奥灰上马家沟组含水层的水化学特征，并利用piper三线图对本区各含水层水质类型进行了初步分区，为矿井技术人员快速准确判别突水水源类型提供了有效的方法和依据。

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P641.1

B

1004－1184(2012)01－0048－03

2011－10－21

赵益晨(1965－)，男，山西介休人，工程师，主要从事地质测量工作。