李广平，况军，丁涛，郑磊，郭杰，周海龙
(安徽恒源煤电股份有限公司钱营孜煤矿，安徽宿州 234000)
地下煤矿开采过程中，会发生火灾、瓦斯和矿井出水等安全事故[1-2]。在解决矿井出水问题时，确定出水源头是关键。早期矿井出水的研究方法是常规水化学分析和环境同位素分析等单一矿井突水水源判别分析方法，其已逐渐发展成为目前的以非线性判定和多元统计分析为基础的水源判别体系[3-4]。目前，矿井出水的研究体系虽逐渐趋于完善和成熟，但在应用时还存在以下问题：①现有水源识别方法的种类较多，其原理和特点不同，使其在不同区域的使用效果存在差异，普适性不强[5]；
②水源确定方法可以分为定性分析和定量计算两类，后者虽能够提供定量判定标准，但会忽略重要的水化学特征及其影响因素，无法建立较准确的矿井突水和含水层的相互联系[6]。笔者以某煤矿区水文地质和水化学资料为基础，利用变异系数分析、Stiff图、Piper图和Durov图等图版分析法及主成成分分析等方法，以多元结合方式研究了谢桥煤矿内充水含水层的水化学特征，并基于主要离子和Gibbs图分析了地层水的影响因素。
按照化学类型对某煤矿区含水层地层水中所含8种离子进行划分，进而对水源特征进行辨识分析。
1.1 变异系数法分析
由含水层的水样数据可知，其酸碱性呈现较强的碱性，pH值为7.50~10.66，且砂岩水和新生界水两者的离子浓度变异系数(CV)普遍较大。地下水溶液总溶解性固体物质(TDS)值为330.53~3 341.45 mg/L，其中新生界水样的TDS值较小，老空水样的TDS值的范围较大。4种含水层离子浓度变异系数见图1。
图1 各含水层离子浓度变异系数
由图1可见：新生界水的离子浓度均匀性较差且分散性较强，部分阴离子(如Cl-和CO32-)的CV值高于1.2，而其他主要离子的CV值也均高于0.5；
老空水中主要离子的CV值均低于1.0，Na++K+、Cl-和HCO3-的CV值低于0.5，而其他离子的则相反，表明存在外部干扰使得该水体的均匀程度较低，分散情况较差；
太灰水的离子浓度均匀性最好，这是由于该水体中主要离子的CV值均低于0.5，仅有CO32-的CV值高于1.0；
煤系砂岩水中部分离子的CV值高于0.5，其中SO42-的CV值高于1.1，
CO3
2-的CV值也接近1.0，表明该水体均匀程度低于太灰水，且可能与替他三类水体存在联系。
1.2 Stiff图分析
Stiff图以每升水中各离子的毫克当量数进行绘图，左边为阳离子含量，右边为阴离子含量，多边形面积越大，表示该离子在水中所占比例越大，能够很好地指示出同一水样中不同离子的分布。各含水层的Stiff图见图2。
图2 各含水层的stiff图
由图2可见：砂岩水、太灰水、老空水及新生界水的阴离子浓度具有明显的差别，而阳离子浓度的规律则一致，具有以(K++Na+)为主、Ca2+和Mg2+的浓度较低的特征。老空水和新生界水Stiff图的几何形状最为接近，其阴离子均以HCO3-为主，且前者的阴离子浓度之间的差距略高于后者，阳离子则均以Na+为主；
砂岩水、太灰水体的阴离子则均以Cl-为主，且砂岩水中HCO3-的浓度较高。
1.3 Piper图分析
Piper图主要利用图示考察水化学离子的分布特征，通过图示能够直接反映出样本水的一般化学特征及其类型。其中Piper图左下方的三角形代表阳离子的相对摩尔百分量，右下角的三角形代表阴离子的相对摩尔百分量。向上方菱形延伸所得的交点代表水样的阴阳离子相对含量。各含水层的Piper图见图3。
图3 各含水层水样的Piper图
由图3可见：各水体中阳离子Ca2+和Mg2+的浓度均低于阳离子(K++Na+)的浓度。新生界水样中离子呈现分散分布特征，该水样的化学特征与其他三类水体的差异较大，可能具有较多的水化类型；
同时该水样的SO42-浓度最高，这可能与硫酸盐矿物在水岩作用中发生溶解相关。老空水样中水样点分布与太灰水、新生界水样较近，与煤系砂岩水样重合，表明该矿井老空水的来源较为多样。太灰水的水样点在图版中集中分布的区域最小，且与新生界水和砂岩水的水样点分布区存在重叠情况，表明该水体与这两者存在一定水力关联性。煤系砂岩水样中阴离子Cl-和HCO3-浓度较高，直接影响水样点的分布位置，导致其集中于四边形右边缘。
在地层条件下，地下水通常是一种以水为主的混合物液体，当会与周围岩石矿物紧密接触，进而发生一些物理和化学的反应。因此，地下水的化学成分一般是处于一种动态的平衡状态，该状态会受到各种地层条件的影响，应对其进行监测。
2.1 Gibbs图分析
Gibbs图可用来说明水化学组分的成因机制，主要是通过考察不同浓度TDS阳离子浓度比值γ(Na++K+)/γ(Na++K++Ca2+)的水样点的分布情况，对其水化学组分的成因进行划分。所研究的矿区各含水层水样的Gibbs图见图4，其中横轴为γ(Na++K+)与γ(Na++K++Ca2+)的比值，也可以替换为主要阴离子的比值纵轴为溶液TDS值。
图4 各含水层水样的Gibbs图
由图4可见：研究矿区的4个水体均未处于降水/补给作用区块，且除新生界水外都分布较为集中，该结果表明降水/补给作用对矿区地下水的影响可以忽略不计，而水岩相互作用和蒸发作用则是影响地下水的水化学组分的关键。经调查分析，该区域内的隔水层物性均良好且厚度较大，使得含水层无法得到降水的补给作用。
2.2 主要离子比值分析
2.2.1γ(Na++K+)与γ(Cl-)的比值分析
通过考察γ(Na++K+)与γ(Cl-)的关系，分析该区域4类水体中阳离子Na+和K+的具体来源，进一步确定其与硅铝酸盐类矿物的关系[7-8]。γ(Na++K+)与γ(Cl-)的比值分析见图5。
图5 γ(Na++K+)与γ(Cl-)的关系
由图5可见：该区域4类水体试样的γ(Na++K+)与γ(Cl-)比值点几乎全部处于1∶1线之上，表明水体中(Na++K+)与Cl-强相关性，该现象说明岩石中氯钠盐类的风化溶解为该矿区含水层提供了大量的以上主要离子(即Na+、K+和Cl-)，从而使得水体中(Na++K+)的浓度普遍高于Cl-的浓度。另一方面，γ(Na++K+)/γ(Cl-)这一比值结果同样可以用于确定是否有阳离子交换的存在[9]，在比值大于1时即发生阳离子交换现象，即含水层中的离子来源以硅铝酸盐岩溶解为主。
2.2.2γ(Ca2++Mg2+)与的比值分析
通过对γ(Ca2++Mg2+)与的比值散点分布进行分析，可以推断矿区地下水体中Mg2+、Ca2+的 来 源[10-11]。γ(Ca2++Mg2+)与的比值关系见图6。
图6 γ(Ca2++Mg2+)与离子比值关系
由图6可见：该区域4类水体试样的γ(Ca2++Mg2+)与的比值点均处于1∶1线之下，即(Ca2++Mg2+)与呈负相关性，该现象表明该矿区存在硫酸盐和硅铝酸盐矿物的溶解作用，贡献了主要的阳离子Ca2+和Mg2+，且的存在说明可能存在碳酸盐的溶解[12-13]，从而导致水体中(Ca2++Mg2+)的离子浓度普遍低于的离子浓度。
因此可以判定，该煤矿区地层中硫酸盐、硅铝酸盐及碳酸盐类矿物的溶解，为该矿区含水层提供了含量相对较少的主要阳离子。
1)利用变异系数分析、Stiff图分析及Piper图分析方法综合分析了某矿区的水化学特征。现有4个水体的酸碱性均偏碱性，其水化学类型存在差别及关联，除新生界水以外的其他3种水体的溶液TDS值均相对较大，且指标因子在每个水体中的关联情况差异明显。
2)该矿区地层水4个水体的水样点均未落在降水/补给作用区块，因此降水/补给作用几乎可以认为是不存在的，而另外的水岩相互作用和蒸发作用则主要影响了含水层的水化学特征规律。
3)地层水中主要离子的浓度比值结果表明：该煤矿区地层水中存在阳离子交换的现象，使得Na+、K+的阳离子浓度普遍高于阴离子Cl-；
而其他主要离子(包括Ca2+、Mg2+、主要来源于硫酸盐和硅铝酸盐类矿物的溶解，少量由岩石碳酸盐提供。