许光泉，汪 楠，高宇航，苏 悦，李亚昊

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

煤炭资源在我国能源结构中占据重要地位，而煤层顶底板砂岩水害问题一直严重威胁着煤矿安全生产。华北煤田因受多期构造地质作用，水文地质条件极其复杂多样，水害类型防治形势极为严峻。其中煤层顶底板砂岩水害对煤层开采为直接影响因素，对其进行科学防治是确保煤层安全开采重要前提。针对煤层顶板水害防治理论与方法有“上三带”理论[1]、三图-双预测法[2]、水文地球化学法[3-6]等。其中水文地球化学方法是研究含水层水化学组分形成、分布、迁移和富集重要方法[7-8]。文献[9]利用水文地球化学方法分析顾北矿太原组水化学组分特征、查明其控制因素；文献[10]利用常规水化学组分对淮北桃园煤矿煤系砂岩水水化学特征进行分析，得出砂岩裂隙水具有奥灰水水质特征，接受奥灰含水层水间接补给。文献[11-12]以淮南矿区为对象，采用多种作图方法通过主要含水层水化学特征进行分析，判别突水水源，而对于煤层顶板砂岩含水层水化学组分在空间上的分布规律及其形成作用相关研究较少。

为此，本文以淮南煤田中部的张集-谢桥-顾北矿13-1煤顶底板砂岩裂隙水为研究对象，采用水文地球化学方法、多元统计方法系统分析煤系砂岩水水文地球化学特征，探讨其成因和控制因素，为煤层顶板砂岩水害防治提供一定理论依据，也为类似矿区研究提供参考。

1 地质与水文地质背景

张集-谢桥-顾北矿位于淮南煤田水文地质单元中区，西以F5断层为界，北以陈桥背斜为界，南到阜凤断层。区内发育百条断层落差大不等断层，其中落差大于100m的断层共17条，以正断层为主。地层由老至新为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、以及第四系松散层等。新生界松散层岩性主要以粉、细砂及粘土质砂为主；二叠系地层以细砂岩与泥岩为主，局部为中粗砂岩和石英砂岩，多为泥质、钙质胶结，少量为硅质胶结，为煤系地层，主采煤层为13-1、11-2、8、6-2、1煤；石炭系太原组以灰岩为主、夹泥岩、砂质泥岩、砂岩及薄煤层；奥陶系以白云岩、白云质灰岩为主；寒武系岩性主要为灰岩、白云岩与页岩，如图1所示。

(a)水文地质平面图及采样点分布图

(b)水文地质剖面图图1 研究区基岩水文地质图

研究区从上至下为新生界松散含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组灰岩裂隙岩溶含水层、奥陶系岩溶含水层、寒武系岩溶含水层。其中，二叠系煤层煤系砂岩含水层隐伏于巨厚的松散层之下，煤系露头上覆有中隔+红层复合隔水层，有效阻隔与新生界含水层的水力联系。13-1煤系砂岩裂隙在空间上发育不均一性，导致砂岩裂隙水在空间上分布的不均匀性，以静储量为主，容易疏干，单位涌水量0.0 000 338～0.158L/(s·m)，渗透系数为0.000 079～1.277m/d，因此，富水性弱～中等。

受多期地质构造作用影响，区内发生挤压和抬升，在三叠纪—白垩纪期间区内抬升后，发生沉积间断，经历了漫长风化剥蚀作用过程，古大气降水由露头区沿着单斜方向对浅埋区和深埋区进行入渗补给，但又受断层和褶皱控制。后期被新生界松散层所覆盖，煤层顶底板砂岩水在自然状态下为流动滞缓。当开采后，发生疏水，致使砂岩裂隙水由滞留状态变化以采场为影响范围降落漏斗发生快速流动。

2 采样与测试

3 煤层顶板砂岩水化学组分

3.1 水化学组分统计特征

表1 13-1煤层顶底板砂岩水水化学组分统计

3.2 水化学类型

利用，采用舒卡列夫分类法对13-1煤层顶板砂岩裂隙水各阴阳离子组分含量进行水质类型划分，其Piper三线图如图2所示，结果发现水化学类型以Cl-Na、Cl·HCO3-Na、HCO3·Cl-Na和SO4·Cl-Na为主。

图2 13-1煤层顶板砂岩水的Piper三线图

3.3 各水化学组分垂向上分布特征

(a)阳离子

(b)阴离子图3 离子含量与深度的变化关系

表2 主要离子浓度随深度变化关系

4 水文地球化学组分成因

上述离子组分在空间上的变化规律，反映出地下水在砂岩含水层中流动状态息息相关，而这种相关又与介质性质和地下水所处环境分不开的，其中各种水岩相互作用所表现出的溶滤作用、交换吸附作用，以及在氧化与还原环境下的脱硫酸作用和氧化作用等对砂岩裂隙水水质变化起重要的控制作用。

4.1 水文地球化学形成作用

1)溶滤作用与交替吸附作用。通常采用离子组合比方法反映水化学成分形成作用及离子来源[13]。Cl-在地下水中相对较为稳定，常用离子交换浓度γ(Na+)与γ(Cl-)的比值来揭示Na+的来源。如果γ(Na+)/γ(Cl-)系数等于1，反映地下水中Na+、Cl-主要来源于盐岩的溶解[14]。由图4(a)可知，γ(Na+)/γ(Cl-)比值均大于1，反映研13-1煤层砂岩含水层中的Na+除了来源于盐岩溶解外，还有其它来源，由于Ca2+，Mg2+吸附于颗粒表面的能力强于Na+，煤系含水层中存在阳离子交替吸附作用，导致Na+在水中富集的原因之一。

若CAI-1和CAI-2均为负值，说明地下水发生正向的阳离子离子交换作用；如果氯碱指数为正值，则地下水发生反向阳离子离子交换作用，如图4(c)可知，13-1煤层顶板砂岩水中的氯碱指数都小于0，说明其顶板砂岩水中的阳离子发生正向的离子交换作用，使得顶板砂岩水中的Na+含量增加。

图4 不同离子组分比关系图

将上述主要常规离子含量经标准化后代入主成分方程，得砂岩水荷载得分，并绘制成F1与F2荷载关系散点图，如图5(b)所示，发现水样点主要集中在F2轴附近，反映出地下水主要以溶滤作用、阳离子交换和吸附作用及脱硫酸作用等多种混合作用并存。

F1=-0.669x1+0.876x2+0.694x3+0.666x4+

0.158x5-0.901x6-0.534x7

F2=0.614x1+0.218x2-0.159x3+0.464x4+

0.795x5-0.0.040x6+0.262x7

(a)常规离子因子载荷图 (b)主成分荷载得分图图5 常规离子荷载图与荷载得分图

4.2 砂岩裂隙水的控制条件

研究区为潘谢矿区次一级水文地质构造单元，为一个相对独立水文地质单元，其内部煤层顶底板砂岩水受地质构造和开采扰动共同影响，使得水化学组分及水质类型在空间上存在一定差异性。再者，研究区又为一个构造转折端，以张性正断层为主，裂隙较为发育，且为一单斜地层。在经历漫长地质历史时期，古大气降水补给地下水流动自北向南多以顺层流动(见图1a)，沿途发生溶滤作用，且地下水沿径流方向发生阳离子交替和吸附作用，使得Ca2+、Mg2+不断置换出Na+，使Na+含量不断增加，导致水化学类型以Cl-Na为主。

当13-1煤层开采扰动时，导致不同水平深度砂岩水在局部地段径流速度加快，有利于发生脱硫酸作用。如顾北矿区F104断层南侧主采区，径流条件较好，脱硫酸作用明显，水质类型为Cl·HCO3-Na和HCO3·Cl-Na，即局部受开采影响形成氧化环境，发生黄铁矿氧化作用使水质类型转化为SO4·Cl-Na。但在北侧水化学类型以Cl-Na为主，而HCO3·Cl-Na和Cl·HCO3-Na为辅，因此不同区块地下水化学组分及其类型受断层控制影响较大。

5 结论

通过上述对砂岩水中离子组分含量及形成因素控制分析，得出以下结论：

(2)单斜含水层地下水发生了溶滤作用、脱硫酸作用、阳离子交换、吸附作用、黄铁矿氧化作用等；

(3)煤系砂岩裂隙水的水化学组分含量分布除了受构造控制外，还与埋藏条深度和地下水动力条件等外界因素相关。