研究水化学特征分析与水文地质勘探

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1区域水文地质

兖州煤田为厚冲积层覆盖的石炭－二叠系煤田，下组煤主要可采煤层为太原组16上、17煤。十下灰为下组煤直接顶板，区域富水性弱；本溪组薄层灰岩（组）位于下组煤底板，其中十三灰厚度较大，区域富水性弱—中等；奥灰与本溪组地层不整合接触，厚度大，区域富水性弱—强。根据区域含水层水质资料，十下灰和本溪组薄层灰岩原始水质类型为HCO3－Na型，奥灰原始水质类型为SO4－Ca•Mg或SO4－Ca（Mg）型［3－4］。以上各含水层对下组煤开采均存在一定影响，为此，鲍店煤矿针对这几个含水层进行了一系列水文地质勘探和试验。

2井田含水层水化学特征分析

共收集鲍店井田水质资料46份，涵盖井田内不同含水层，分别取自不同的试验阶段，其中十下灰水样1个，十三灰水样11个，奥灰水样34个将各水样阴、阳离子摩尔浓度百分含量投影到菱形图上，根据样点投影到菱形图上分布区域的不同，可以直观反映出不同含水层以及相同含水层水化学类型的差异。

2．1十下灰水样水化学特征分析

十下灰水样中HCO－3浓度为918．48mg／L，Na＋浓度为381．13mg／L，矿化度为1394．86mg／L，水质类型为HCO3－Na型，与原始状态下区域十下灰含水层水质类型相符。

2．2十三灰水化学特征分析

十三灰含水层的11个水样分布较分散，在图1中菱形图的中部到右下部零散分布，说明十三灰水质可能存在其他含水层水的补给或十三灰含水层自身水力联系差，导致水质差异较大。其中L13－1孔和L13x－2孔所取2个水样的HCO－3浓度分别为1001．31mg／L和986．29mg／L，Na＋浓度分别为458．33mg／L和450mg／L，而Ca2＋、Mg2＋浓度只有10mg／L，矿化度分别为1670．73mg／L和1627．48mg／L，水质类型均为HCO3－Na型，与原始状态下区域十三灰含水层水质类型相符。另外的9个水样分别为L13x－1孔（8个）和O2x－8孔（1个）所取，L13x－1孔所取十三灰水样的水质类型均为SO4•HCO3－Na型，O2x－8孔所取十三灰水样的Ca2＋、Mg2＋浓度较高，为SO4•HCO3－Na•Ca（Mg）型水，说明L13x－1孔和O2x－8孔附近十三灰含水层有可能接受奥灰含水层的补给，奥灰水与十三灰水混合后得到此类水质。

2．3奥灰水化学特征分析

奥灰含水层所有水样均落在菱形图的顶部，落点区域非常集中，其水质类型为SO4－Ca•Mg或SO4－Ca（Mg）型，与原始状态下区域奥灰含水层水质类型相符。奥灰水样矿化度变化范围为1752．71～2942．8mg／L，属中矿化度。阴离子以SO2－4为主，浓度为985．58～1864．44mg／L；阳离子以Ca2＋、Mg2＋为主，Ca2＋浓度为312．79～614．47mg／L，Mg2＋浓度为100mg／L左右。

3奥灰含水层径流条件研究

奥灰含水层水压高，富水性强，是下组煤开采时最危险的潜在突水水源，查明奥灰含水层径流条件是下组煤水文地质勘探的一项重要任务。奥灰为厚层状白云质灰岩，其间夹杂有薄层状石膏地层，由于深部岩溶地下水循环交替缓慢，石膏的溶解使得水中SO2－4、Ca2＋的含量不断升高，其平衡反应方程式如下。2NaHCO3＋CaSO4•2H2OCaCO3↓＋Na2SO4＋CO2＋3H2ONa2CO3＋CaSO4•2H2OCaCO3↓＋Na2SO4＋2H2OCaSO4•2H2OCa2＋＋SO2－4＋2H2OCaMg（CO3）2＋Ca2＋2CaCO3↓＋Mg2＋最后形成HCO－3含量降低、SO2－4含量增加的水质，因此SO2－4是深部岩溶水化学作用的关键离子，SO2－4含量高的区域奥灰径流条件差，SO2－4含量低的区域奥灰径流条件好。根据各奥灰水样中SO2－4含量数据绘制成等值线图，用来研究奥灰含水层的径流条件。可知，从北到南SO2－4浓度呈上升趋势，可见奥灰含水层径流条件由北向南逐渐变差，越往南奥灰接受补给条件越差，奥灰水的循环交替越弱，径流变弱，渐渐有出现滞留区的可能性。另外矿化度也是衡量含水层径流条件的指标之一，含水层矿化度越低，径流条件越好。通过对奥灰水样矿化度的分析，再次印证了鲍店井田内奥灰含水层径流条件的分析结论。

4含水层补给关系研究

L13x－1孔在勘探过程中揭露了一个十三灰局部富水区，所取水样的水质与区域十三灰水质不符，疑似与下伏奥灰含水层存在水力联系。为此，鲍店煤矿以L13x－1孔为放水孔实施了一次十三灰群孔放水试验。放水过程中的水质变化可以显示该含水层地下水在径流过程中水岩作用的水化学结果，反映含水层地下水的补给、径流条件。放水期间共取十三灰水样7个，将水样的水化学特征资料连续起来进行绘图，以察看其变化情况。从放水过程中的水质变化可以看出，L13x－1孔放水后水中Mg2＋、Ca2＋、SO2－4等离子浓度先下降后趋于缓和，HCO－3和Na＋浓度呈现递增趋势。说明该孔附近十三灰含水层原本与奥灰含水层存在水力联系，当十三灰含水层的补给状态由封闭变为流动后，含水层动储量以混合补给为主，不仅接受十三灰含水层自身的补给，还同时接受奥灰含水层的补给。由此可以解释：放水开始后HCO－3的增加消耗了部分Mg2＋、Ca2＋，而使得Mg2＋、Ca2＋浓度大幅降低，SO2－4浓度也呈下降趋势，但不如Mg2＋、Ca2＋浓度下降明显；随后十三灰含水层和奥灰含水层的补给趋于平衡，各离子浓度也趋于稳定，水质矿化度有所增加。综合以上分析，L13x－1孔附近区域十三灰与奥灰存在补给关系，放水期间十三灰SO4•HCO3－Na型的水质类型没有发生改变。

5结语

通过对鲍店煤矿下组煤水文地质勘探过程中采取的水样进行系统研究，得出了鲍店井田内奥灰含水层的径流条件，同时分析了十三灰局部富水区的补给来源，推断十三灰与奥灰在局部存在补给关系。含水层水化学特征分析作为水文地质勘探的手段之一，在鲍店煤矿勘探过程中取得了良好的效果，为进一步查明下组煤水文地质条件奠定了基础。当然水化学特征分析也存在一定的局限性，仅适用于各目标含水层水化学特征存在明显差异的情况，同时仅能判断含水层之间是否存在补给关系，含水层之间补给通道的类型与位置还需要结合其他勘探手段才能查明。

作者：李凯单位：西安科技大学能源学院中煤科工集团西安研究院水文所