胡峯 王来斌

摘 要：为了查明各含水层对桃园煤矿Ⅱ1042工作面生产的影响，对工作面各充水含水层之间的潜在水力联系进行了研究。选取工作面不同含水层共13组水样，采用水化学方法分析了各水样之间离子指标的差异，并且运用系统聚类分析对各含水层水样之间的亲密程度进行聚类。结果表明：新生界松散第四含水层和10煤顶底板砂岩裂隙水与其他含水层之间无明显的水力联系;而工作面太灰水与奥灰水的水质相似，聚类结果表明两者之间的欧氏距离最小，可归为一类，说明工作面太灰水与奥灰水具有潜在的水力联系。

关键词：水力联系;水化学;聚类分析

中图分类号：TD745文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）16-0069-04

Abstract： In order to find out each aquifer Taoyuan Coal Mine Ⅱ1042 working face production， the influence of the working face potential hydraulic connection between the water filling aquifers were studied. A total of 13 groups of water samples were selected from different aquifers in the working face， and the differences of ionic index among water samples were analyzed by hydrochemistry method， and the degree of intimacy among water samples of each aquifer was clustered by systematic clustering analysis. The results show that there is no obvious hydraulic relationship between the loose fourth aquifer in the cenozoic and the sandstone fissure water in the bottom floor of the coal roof and other aquifers. The result of clustering shows that the Euclidean distance between the two is the smallest， which can be classified into one category. It shows that the working face groundwater in the carbonic limestone and Ordovician limestone water have potential hydraulic relations.

Keywords： hydraulic connection;water chemistry;cluster analysis

常用的含水层水力联系的分析方法有水化学分析、地下水动态分析和环境同位素分析等[1-5]。含水层水化学成分往往反映地下水所处的地质环境特征及在渗流过程中与围岩或其他含水层的水之间发生的水化学作用[6]。不同含水层的水化学特征在离子含量上表现出明显的差异性，具有水力联系的含水层在水化学特征中会有相似性。水力联系的强弱可通过地下水的水化学特征反映出来[7]。本文根据不同含水层的水样进行水化学分析，以判断含水层之间所存在的水力联系。

桃园煤矿地质条件较为复杂，曾经发生过多次矿井突水事故。Ⅱ1042工作面的主采煤层为二叠系山西组10煤，煤层顶底板有多个含水层沉积，煤层开采受太灰水威胁比较严重。随着矿井开采水平的不断延伸，底板灰岩水对煤层开采的影响程度也会增大，并且含水层之间可能存在断层、封闭不良钻孔以及岩溶陷落柱等导水通道，使得不同充水含水层之间具有一定的水力联系，提高矿井突水风险。因此，对矿井不同充水含水层之间的水力联系进行分析具有非常重要的意义。

1 工作面概况

1.1 地质概况

经钻孔揭露，桃园煤礦Ⅱ1042工作面地层由老到新有奥陶系、石炭系、二叠系、古近系、新近系和第四系，二叠系山西组10煤层是工作面主要的可采煤层。工作面为一南北走向、倾向东的单斜构造。受构造影响，沿巷道走向，煤层起伏较大;根据巷道实际揭露及地面三维地震勘探资料解释，工作面揭露的断层共有23条，断层落差为0.3～3.7 m，其中3条逆断层，其余为正断层，断层落差大于2 m的有6条，对工作面回采影响较大。

1.2 水文地质概况

工作面主要的充水含水层主要有新生界松散第四含水层、煤系砂岩裂隙含水层、太原组岩溶含水层和奥陶系岩溶含水层。

第一，新生界松散第四含水层。底板埋深为205.50～333.50 m，厚度平均为22 m。含水层至10煤层顶板法距为350～400 m。根据水08孔抽水试验成果显示[q]=0.166 L/（s·m），[k]=0.54 m/d，富水性中等。

第二，煤系砂岩裂隙含水层。煤层顶板砂岩较为发育，厚度为10～20 m，但砂岩裂隙发育不均，含水层富水性较弱[q]=0.001 17 L/（s·m），[k]=0.001 3 m/d。

第三，太原组灰岩岩溶含水层。地层总厚度约为190 m，石灰岩的厚度占太原组厚度的40%左右，10煤层底板至一灰法距为42.0～59.8 m。根据矿井98观3太灰长观孔抽水试验成果显示，[q]=0.21 L/（s·m），[k]=0.67 m/d，富水性中等。

第四，奥陶系岩溶含水层。含水层上部裂隙较为发育，且有溶洞发育，直径为0.6～1.2 cm，采取的岩芯较为破碎。据98观1孔抽水试验资料显示，[q]=1.59 L/（s·m），[k]=1.92 m/d，为富水性强的含水层。

2 水力联系的水化学分析

2.1 水化学特征判别水力联系

为了对Ⅱ1042工作面各充水含水层之间的水力联系进行分析，选取了该工作面以往的水质分析成果资料的13组不同含水层水样进行分析，其中松散第四含水层水样1组、工作面10煤顶底板砂岩裂隙水样2组、Ⅱ6太原组灰岩水样2组、工作面太原组灰岩水样6组、奥陶系灰岩水样2组。表1为不同含水层水质分析表。

松散层第四含水层水质总硬度平均为359.93 mg·L-1，無永久硬度，pH值为8.2，矿化度0.9 g·L-1，水化学类型为HCO3--Mg+·Na+·Ca+型。阳离子成分中，Mg2+占优势，达40%左右，而Ca2+和Na++K+的各占30%;而阴离子中，HCO3-所占的比重最为明显，高达73%左右，SO42-与Cl-所占的比重较小。

10煤砂岩裂隙水的水质总硬度平均为285.18 mg·L-1，pH值为8.4，矿化度平均为2.17 g·L-1，水化学类型为SO42-·HCO3-·Cl--Na+型。阳离子中Na+和K+离子富集，占73%左右，而Ca2+与Mg2+共占27%;阴离子中SO42-占45%，HCO3-占28%左右，Cl-约占27%。

工作面太原组灰岩水质总硬度平均773.6 mg·L-1，永久硬度平均为540.5 mg·L-1，属极硬水，pH值为8.0，矿化度平均1.92 g·L-1，水化学类型有SO42-·Cl--Ca2+·Na+型和SO42--Ca2+·Na+型。阳离子中Ca2+离子所占比重较大，比例在30%～60%，Na++K+次之，占20%～50%，而Mg2+含量较少，约占20%;阴离子中SO42-所占比重较大，为50%～70%，Cl-次之，约30%，HCO3-平均不到20%。

奥灰水水质总硬度平均755 mg·L-1，永久硬度平均为482 mg·L-1，属极硬水，pH为值7.9，矿化度平均1.63 g·L-1，水化学类型为SO42--Ca2+·Na+型。阳离子中Ca2+约占46%，Na++K+占28%，Mg2+约占26%;阴离子中SO42-所占比重较大，占55%左右，其他阴离子含量较少。

太灰水与奥灰水都表现为阴离子SO42-所占比重较大，其他阴离子比例也相似，而第四含水层与砂岩裂隙水离子含量都与其他含水层有巨大差异。为了使水质更加直观地反映出不同含水层之间的联系，采用Piper三线图对不同含水层水质进行分析，结果如图1所示。

从Piper三线图可以看出，松散层第四含水层、10煤顶底板砂岩裂隙水的水化学特征与其他含水层存在明显的差异，说明松散层第四含水层、10煤顶底板砂岩裂隙水与其他含水层之间的水力联系较弱。工作面太灰水与矿井Ⅱ6太灰水的水质也存在部分差异，并且工作面太灰水之间也存在明显的差异，说明工作面的太灰水可能接受其他含水层的补给。奥灰水水质与工作面太灰水质在Piper三线图中有明显的叠加部分，说明工作面太灰水与奥灰水之间可能存在水力联系。

2.2 聚类分析判别水力联系

聚类分析是多元统计方法中的一种数学分类方法，通过数学的方法得到研究对象之间的亲密关系，系统聚类方法是聚类分析方法中常用的一种[8]。系统聚类方法是通过距离公式来表示样品之间的亲密程度，距离用[dij]表示，分别计算出样品两两之间的距离，将距离最小的两类样品归为一类，然后再重新进行一轮新的聚类，直至所有样品归为一类。欧氏距离是聚类分析中常用的方法：

根据上面各含水层共13组水质的水化学分析，选取了Na++K+、Ca+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-等6个指标，对13组水质结果进行系统聚类分析，四含水、砂岩水与其他含水层水欧氏距离分别为614～906、375～771，而工作面太灰水与奥灰水的欧氏距离为201～397，可以得出4类含水层中四含水与砂岩水都与其他含水层亲密程度低，相对独立;太灰水与奥灰水之间的欧式距离较小，亲密程度高。作者通过SPSS软件得出聚类谱系图，如图2所示。

从图2可以看出，将13组水质聚为4类时，四含水与砂岩水各为一类，而工作面有3组太灰水与奥灰水为一类、工作面有3组太灰水与Ⅱ6太灰水为一类，说明工作面太灰水不仅接受同层的太灰水补给，还接受奥灰水的补给，与其他灰岩含水层水质存在差异。当将13组水质聚为3类时，太灰水与奥灰水聚为一类，说明工作面太灰水与奥灰水质亲密程度较高，工作面太灰水与奥灰水之间具有潜在水力联系。

水化学分析及系统聚类分析的结果都能看出工作面四含水、砂岩水与太灰水、奥灰水的水质在离子含量上存在差异，表明四含水、砂岩水与太灰水、奥灰水的水力联系较弱;而水化学分析中，太灰水与奥灰水的阴阳离子百分比相似，且聚类中有三组太灰水与奥灰水归为一类，更进一步说明了工作面太灰水与奥灰水之间具有潜在的水力联系。

3 结论

①利用水化学特征分析法对Ⅱ1042工作面的水质进行分析，并且通过Piper三线图进行对比，得出松散第四含水层和10煤顶底板砂岩裂隙水与其他含水层之间无明显的水力联系，而工作面太灰水与奥灰水的水质相似。

②通过系统聚类对13组水样的6项指标对不同含水层之间的亲密程度进行分析，得出有3组工作面太灰水水样与奥灰水水质亲密程度高，说明Ⅱ1042工作面的太灰含水层与奥灰含水层具有水力联系，对工作面的生产具有一定影响。

参考文献：

[1]潘玥，刘勇，李海月，等.水化学分析在青龙煤矿水力联系研究中的应用[J].中国煤炭地质，2015（9）：52-55.

[2]陈立，万力，张发旺，等.焦作矿区含水岩组间水力联系特征[J].南水北调与水利科技，2015（2）：142-145.

[3]刘国旺，常浩宇，郭均中.唐山矿塌陷区积水与矿井潜在水力联系研究[J].煤炭科学技术，2017（8）：223-227，158.

[4]许蓬，王明.环境同位素技术在判定矿井含水层间水力联系的应用[J].煤炭科学技术，2018（S1）：230-233.

[5]翟晓荣，田诺成，张红梅.基于水化学成分与聚类分析的矿井水补给关系判别[J].中国地质灾害与防治学报，2016（4）：88-92.

[6]耿建军.基于系统聚类分析的煤矿突水水源识别技术：以潞安矿区王庄煤矿为例[J].中国煤炭地质，2019（8）：54-59.

[7]方刚，刘柏根.基于巴拉素井田多孔抽水试验的含水层特征及水力联系研究[J].水文，2019（3）：66-40，67.

[8]姚洁，童敏明，刘涛，等.基于聚类分析方法的矿井水源识别[J].煤矿安全，2013（2）：29-31，35.