深部岩溶矿井水化学特征及含水层水力联系研究.pdf

近年来，华北型煤矿区上组煤开采中受奥灰岩溶水影响的事件时有发生，威胁巨大，为此，以东滩煤矿为例，采用统计分析、Piper三线图、Gibbs图、氯碱指数等水化学研究方法对研究区地表水及各含水层进行了分析。结果显示：研究区地表及地下水整体偏碱性，水质受岩石风化作用影响为主，部分受到蒸发沉淀作用，大气降水对含水层的水化学性质影响很小；各含水层离子来源主要为硅酸盐、蒸发盐及碳酸盐风化及阳离子交换作用；东滩煤矿奥灰含水层与地表水、第四系、十四灰水力联系密切，侏罗系砂砾岩与3煤顶板砂岩含水层水力联系紧密；未来东滩煤矿开采过程中，一、三采区受奥灰影响较大，突水风险较高，十四采区次之，四采区受奥灰影响突水风险较低，需提前做好预防。关键词：地下水；水化学特征；水力联系；奥灰含水层；突水中图分类号：P741文献标志码：B文章编号：1 0 0 3-49 6 X(2023)08-0150-11Hydrochemistry characteristics and connection of aquifers in deep karst mineXU Kaiqing,QIAO Weil,LI Wenping,FENG Lushun,LIU Mengnan,CHENG Xianggang(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Dongtan Coal Mine,Shandong Energy Group Yanzhou Coal Mining Company Limited,Jining 273512,China)Abstract:In recent years,mine water inrush accidents occurred several times in North China type coalfield during the miningprocess of the upper group of coal,and possessed great threat.Taking Dongtan Coal Mine as an example,statistical analysis,Pipertrilinear diagram,Gibbs diagram,Chlorine-alkali index were used to analyze the hydrochemistry of the surface water and aquifers.The results show that the surface and groundwater in the research area is generally alkaline,rock weathering process is the mainfactor influencing the water quality,secondly is evaporation and precipitation,the atmospheric precipitation has little impact.Theion sources of aquifers are mainly silicate,evaporite and carbonate weathering and cation exchange.It is inferred that thehydraulic connection among Ordovician aquifer,surface water,Quaternary and the 14th limestone aquifers is close,Jurassicsandstone aquifer and No.3 coal roof sandstone aquifer have certain hydraulic connection.It is predicted that in the future,thefirst and the third mining areas will be affected by Ordovician water greater,then the fourteenth mining area,and the affection forthe fourth mining areas is low.More attention must be paid to prevention in advance.Key words:groundwater;hydrochemical characteristic;hydraulic connection;Ordovician aquifer;water inrush收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 2责任编辑：庚馨杰基金项目：国家自然科学基金资助项目（41 7 7 2 30 2）作者简介：许开卿（1 9 8 6 一），女，山东邹城人，博士研究生，研究方向为水文地质与工程地质。E-mail：x u k a i q i n g 7 47 1 6 3.c o m通讯作者：乔伟（1 9 8 4一），男，山东临沂人，教授，博士研究生导师，博士，主要从事工程地质与水文地质的科研与教学工作。E-mail：151SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月Vol.54No.8煤砺发全第8 期第54卷2019年全国煤炭消费总量达到了2 2.2 亿t，占当年全国原煤产量的57.7%。实现碳达峰、碳中和“3060”目标的过程中，虽然煤炭能源消费产生的碳是我国碳排放的重要来源，但是在相当一段时间内煤炭都将是我国的主体能源 2-3。然而，受复杂的水文地质条件的影响，矿井水害发生频繁，带来巨大的人员伤亡和经济损失，使得煤矿水害成为主要的安全灾害之一 4-7 。因此开展矿区地下水化学特征及其控制因素研究 8-9 ,了解各含水层水力联系 1 0-,快速、准确识别矿井突水水源 1 2-1 4、防止矿井突水的发生具有重要的社会及经济意义 1 5-1 8 。孙鹏飞等 1 9 采用Gibbs图及因子分析法，发现淮南矿区沉陷积水区地下水化学特征与该区域浅层地下水化学特征相同，其主要补给水源为浅层地下水及地表径流；朱乐章 2 0 利用离子含量对比、Piper三线图、Gibbs图3种方法直观、有效的识别出了朱庄煤矿突水水源；武亚遵等 2 1 采用离子相关性分析、Piper三线图、Gibbs图和主成分分析相结合的方法，揭示了鹤壁矿区主要充水含水层水化学特征及控制因素，为矿井突水水源的识别与预测、水资源的开发、保护与利用提供了理论依据；刘凯旋等 8 综合运用多种水化学分析方法确定了孙疃矿区7-8 煤、1 0 煤上下含水层和太灰水具有水力联系，奥灰水和其它3个含水层之间有稳定隔水层的存在;蔚波等 2 以水化学研究为基础，结合井田构造、水位变化、氢氧同位素特征等分析，查明了孟加拉国巴拉普库利亚煤矿水文地质特征及含水层间的水力联系，为后期矿井水害防治提供理论依据。我国煤矿地质条件复杂，且随着浅部能源的减少，采煤活动逐渐向深部延伸，煤层底板尤其是煤系基底为奥陶系石灰岩含水层者，受高承压岩溶水害的影响日趋加剧。2 0 1 8 年9 月1 0 日2 2：45，山东霄云煤矿1 31 3采煤工作面底板发生突水事故，出水量由10m/h增加至1 50 m/h左右，峰值达到36 7 3m/h，至9 月1 1 日2 1：56 淹井，直接经济损失2 56 6.1 4万元，无人员伤亡，经查为奥灰水突水导致，突水通道为隐伏陷落柱 2 3。2 0 2 0 年7 月1 2 日，山东东山古城煤矿331 5采煤工作面发生底板奥灰突水事故，最大突水量超过30 0 0 m/h，无人员伤亡，但造成巨大的经济损失。由此也可以看出，即使是距离奥陶系较远（1 50 2 0 0 m）的上组煤（二叠系煤层）在开采过程中也会受到奥灰突水影响，必须引起重视。充州煤田东滩煤矿，主要含煤地层为石炭-二叠系的山西组和太原组，属华北型含煤岩系。该类含煤岩系的共性是奥灰含水层富水性强，水压大，而煤层底板隔水层却很薄 2 4。2 0 1 3年，东滩煤矿1 30 6工作面轨道巷某处发现1 处水岩溶陷落柱，进一步证明了东滩煤矿具有形成陷落柱的条件，因此必须加强对该矿区地下水、各含水层，尤其是奥陶系灰岩的研究与监测，提前做好矿井水害防治工作。目前关于深部岩溶矿井地下水水化学特征及各含水层水力联系的研究较少。为此，以东滩煤矿矿区为研究对象，在充分了解该矿区地质及水文地质条件的基础上，统计分析了2 0 2 0 年地表水、第四系砂岩、侏罗系砂砾岩含水层、山西组3煤顶底板砂岩含水层、本溪组第十四层石灰岩及奥陶系石灰岩水化学参数，采用Piper三线图、Gibbs图、氯碱指数图及聚类分析等相结合的方法对地下水水化学特征及各含水层之间的水力联系及联系程度进行了研究；并在此基础上，对奥灰含水层未来突水情况进行了预测，希望对矿井水害防治提供一定的参考。1研究区概况1.1地质概况东滩煤矿位于山东省邹城市境内，地处邹城、充州、曲阜3个市（区)接壤处，区内为第四系洪冲积平原，地形平坦，地面标高+42.46 +54.58 m，地势由东北向西南逐渐降低，坡度平缓。区内河流有白马河及其支流泥河和友谊河，纵贯全区，向南流人南阳湖，皆属季节性河流。井田位于充州煤田的东部，东以峰山断层为界，北以滋阳断层为界与星村煤矿为邻，西北以人为边界与兴隆庄煤矿为邻，西以人为边界与鲍店煤矿为邻，南以皇甫断层和人为边界与南屯煤矿为邻。南北长约1 2.5km，东西宽约4.8 km，面积59.9 6 km。井田地层由老到新依次为奥陶系、石炭系本溪组、石炭-二叠系月门沟群（太原组、山西组）、二叠系石盒子统下石盒子组、侏罗系三台组、第四系。本井田含煤地层属石炭-二叠系，即由石炭-二叠系的太原组和山西组组成，矿井投产以来开采山西组2、3（3上、3下、3下1)煤层。井田内因采煤已形成多个采煤塌陷区，塌陷区大部分为农田，塌陷区部分区域形成积水。东滩煤矿井田位置及四邻关系图如图1。1.2水文地质概况井田内主要含水层有：第四系上组、下组砂及砂砾层（简称第四系）；侏罗系砂砾岩（简称侏罗系）；山西组3煤层顶底板砂岩；太原组第三层石灰岩（简称三灰）、太原组第十下层石灰岩（简称152SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤防发全第54卷第8 期北兴隆庄煤矿星村煤矿杨庄煤矿杨庄煤矿兴隆庄煤矿杨村煤矿东滩煤矿鲍店煤矿田庄煤矿横河煤矿南屯煤矿太平煤矿北宿煤矿里彦煤矿唐村煤矿落陵煤矿图1东滩煤矿井田位置及四邻关系图Fig.1Location and neighboring relationship ofDongtan Coal Mine十下灰）、本溪组第十三层石灰岩（简称十三灰）、本溪组第十四层石灰岩(简称十四灰);奥陶系灰岩（简称奥灰含水层等。其中直接充水含水层为罗系砂砾岩（3煤层剥蚀露头附近），山西组3煤层顶底板砂岩和三灰、十下灰。各含水层之间为黏土、粉砂岩、铝质泥岩和泥岩等隔水层，水力联系较差，补给条件不好。1)第四系含水层。厚度52.40 1 9 1.1 5m，平均114.25m，厚度自西向东逐渐变薄，分为上、下含水层组和中部隔水层组。上组岩性以黄褐色、棕色黏土、砂质黏土为主，夹有数层砂砾层，透水性较强，含水丰富。下组仅井田西北部发育，岩性以灰白、灰绿色砂质黏土、粉砂及砂砾为主，补给条件差，以静储量为主。2)侏罗系（三台组）含水层。厚度8 8.2 9 8 6 9.9 5m，平均42 4.9 2 m，由西向东厚度不断增大。三台组整体含水性较弱，局部富水性较好。分为上下2 段：上段岩性以深灰、灰绿、褐灰色粉砂岩、细砂岩及粉、细砂岩互层为主，含中砂岩，间夹泥岩；下段上部岩性以紫红色、暗红色中砂岩、细砂岩和粉砂岩为主，夹多层泥质岩。岩性以杂色粉细砂岩互层为主，底部有1 层杂色砾岩，泥质胶结，致密坚硬。3)山西组3煤层顶底板砂岩含水层。厚度0 95.78m，平均2 8.6 5m，以灰至灰白色中细砂岩为主，局部相变为细砂岩、粉砂岩与细砂岩互层，富水性受构造裂隙发育控制较明显4)十四灰。厚度0 1 5.40 m，平均8.1 8 m，层位较稳定，但厚度变化大。岩性为浅灰色至灰色石灰岩，隐晶质结构，块状，局部发育少量裂隙，充填泥质或方解石脉，属岩溶裂隙承压水5)奥灰。厚度约7 50 m。岩性主要以浅灰色或灰白色石灰岩为主，夹数层薄层泥岩或泥质灰岩2水化学特征2.1水化学组分特征东滩煤矿地表水及各含水层水化学参数统计表见表1。从表1 可以看出：东滩煤矿矿区地下水pH值为6.7 9 1 2.2 3，平均为8.46，总体呈弱碱性。地表水与侏罗系含水层水样阴阳离子浓度关系相同，阳离子浓度K+NatCa2Mg?+,阴离子浓度SO?-HCO;Cl-,K+Na+与SO2-浓度占优势，说明地表水与侏罗系含水层水化学性质相近，推测可能是由于侏罗系含水层以越流形式获得上覆第四系水的补给，而第四系受到大气降水和地表水的直接补给所致；另外侏罗系含水层与3煤顶板砂岩含水层，阳离子浓度均为K+NatCa+Mg?+，阴离子浓度方面，3煤顶板砂岩含水层HCO3占优势，SO2-浓度较低，侏罗系含水层SO2-与HCO;平均浓度较为接近，说明二者阴离子浓度方面具有相似性，2 个含水层水化学性质相近，水力联系密切；3煤顶板砂岩、十四灰中K+Na+与HCO浓度均较高，说明这2 个含水层水化学性质相近,均存在钠的硅酸盐和碳酸盐溶解矿物;奥灰含水层SO2-含量较高，且Ca2+、M g 2+和SO2-变异系数均大于1，说明该含水层地下水径流环境差异较大，水质发生了较大变化2.2水化学类型Piper三线图是分析地下水水化学类型的最普遍、最有效的方法之一 2 5-2 6 ,它与舒卡列夫分类相结合，选择毫克当量百分数大于2 5%的离子参与分类，不仅可以表征水样离子的组成特征，还可以定性判断水样控制的端源!。东滩煤矿地下水水化学成分Piper三线图如图2。.153SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤发全第8 期第54卷表1东滩煤矿地表水及各含水层水化学参数统计表Table 1Water chemical parameters of surface water and aquifers in Dongtan Coal MineC1/SO.2-/HCO;-CO;2-K+Nat/Ca2/Mg2TDS/TH/含水层名称(mgL-)(mgL-)(mgL-1)(mgL-1)(mgL-)(mgL-)(mgL-)(mg:L-)(mgL-)pH最小值161.59308.99315.610130.10125.8828.331155.08431.037.53最大值293.14435.45378.160260.56291.9752.381 495.73944.848.37地表水平均值206.92364.81348.170192.73181.4037.071 353.31605.657.89标准差74.7064.5231.35065.3995.7613.31177.05293.790.43变异系数0.360.180.09一0.340.530.360.130.490.06最小值40.6012.8531.56015.4123.203.66140.8673.017.47第四系最大值125.57183.50543.88081.65255.9523.751214.17736.998.38砂砾平均值77.9382.93282.13049.77112.6413.66635.75337.557.82含水层标准差43.4479.85246.08027.80117.488.64528.26326.950.36变异系数0.560.960.87一0.561.040.630.830.970.05最小值32.659.560034.761.100.22199.872.767.09罗系最大值161.01488.99274.41180.58273.5783.1310.801 137.72252.0711.38砂砾平均值80.94115.30108.3242.48158.1923.983.72542.6671.378.91含水层标准差38.36161.07111.8361.8183.2432.494.18292.4791.311.72变异系数0.471.401.031.450.531.351.130.541.280.19最小值10.111.000047.734.680.13223.5225.037.503煤顶板最大值57.15249.951209.38214.99563.2367.196.822.034.76168.3212.23砂岩平均值34.5393.69515.8543.51317.9621.373.501 077.3264.579.15含水层标准差15.82102.68538.3375.11207.1820.402.96749.8945.211.83变异系数0.461.101.041.730.650.950.850.700.700.20最小值38.651.02118.76032.6523.0313.19263.44111.837.61本溪组最大值47.7817.25201.51038.8326.9013.92331.36124.507.62十四灰平均值43.229.14160.14035.7424.9713.56297.40118.177.62含水层标准差6.4611.4858.5104.372.740.5248.038.960.01变异系数0.151.260.37一0.120.110.040.160.080.00最小值19.211.4827.96032.078.695.46191.3544.196.79奥陶系最大值158.411.934.59301.567.50273.10687.87152.993257.202.347.839.39石灰岩平均值90.11586.73153.931.07126.34189.6239.961193.25638.107.83含水层标准差55.94658.49101.562.8391.86237.3253.331 009.36804.530.81变异系数0.621.120.662.650.731.251.330.851.260.10地表水第四系砂岩休罗系砂岩3煤顶板砂岩505050十四灰4工奥灰52350505040图2东滩煤矿地下水水化学成分Piper三线图Fig.2Piper trilinear diagram of hydrochemicalcomposition in Dongtan Coal Mine从图2 可以看出：各含水层水样点在三线图中分布较为广泛；其中第四系与十四灰均分布在三线图菱形域分区的第1 部分，在阳离子三线图中，靠近Ca2+端元，阴离子三线图中，靠近HCO端元，受碳酸盐矿物溶解作用影响较大，水化学类型以HCO3-Ca型为主；侏罗系、3煤顶板砂岩均分布在三线图菱形域分区第2 部分，阳离子均靠近Na+端元，阴离子部分靠近HCO端元，部分靠近SO2-端元，受碳酸盐、硫酸盐矿物溶解、钠的硅酸盐风化及阳离子交替吸附作用影响，水化学类型以HCO3-Na、S O 4-Na 型为主；奥灰含水层水样分布较为广泛，大部分分布在菱形的第4区域,与地表水、第四系、侏罗系、十四灰分布区域均有重合，阳离子部分靠近Ca2+端元、部分靠近Nat端元，阴离子靠近SO2-端元趋势明显，水化154Satetyin Coal Mines2023年8 月Aug.2023No.8Vol.54第54卷第8 期煤矿发全学类型以SO4-Ca、S O 4-Na 型为主，说明硫酸盐、碳酸盐溶解、阳离子交替吸附作用较强从Piper三线图上来看，奥灰含水层与上覆含水层的水力联系比较密切，这将会间接影响到上组煤的开采。2.3水化学影响因素2.3.1岩石风化作用受蒸发沉淀、岩石风化、大气降水、采煤活动等影响，地下水与周围环境不断发生离子交换，导致水质发生演化，利用Gibbs图可以对东滩煤矿地下水中水化学组分的形成原因进行分析27-29。女如果TDS数值较高且Nat/(Na*+Ca?+）或Cl-/(Cl-+HCO-)的比值接近1，表明主要受蒸发沉淀作用的影响；若TDS值中等且Nat/(Na*+Ca2+）或Cl-/（Cl-+H CO s-)的比值在0.5左右，则主要受岩石风化作用的影响；若TDS值较低且Nat/(Na*+Ca2+）或Cl-/(Cl-+HCO;-)的比值接近1,则主要受大气降水的影响 2 4-2 5。东滩煤矿Gibbs图如图3。地表水地表水第四系含水层第四系含水层侏罗系含水层侏罗系含水层1000003煤顶板沙岩含水层100 0003煤顶板沙岩含水层十四灰含水层十四灰含水层奥灰含水层蒸发沉淀10000奥灰含水层蒸发沉淀10000(-T.Suo)/SaL(-T.Buo)/SAL1 0001 000岩石风化100100岩石风化1010大气降水大气降水1100.20.40.60.81.000.20.40.60.81.0Nat/(Nat+Ca?+)C1-/(C1-+HCO-)（a）阳离子Gibbs图（h）阴离子Gibhs图图3东滩煤矿Gibbs图Fig.3Gibbs diagrams of water samples in Dongtan Coal Mine从图3可以看出：TDS值大多在1 0 0 1 0 0 0 0 范围内波动，而Nat/(Na+Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO3)分布范围较广，分别是0.1 7 0.9 9 和0.0 3 1.0 0，其中Cl-/(CI-+HCO3-)主要集中在0.0 3 0.5范围内。由于地下水中CI-比较稳定，既不易被土壤颗粒吸附，也很少与其他离子发生反应，所以选择阴离子的Gibbs图作为分析依据，故东滩煤矿地下水水化学组分的主要来源为岩石风化，部分为蒸发沉淀作用；另外，有部分水样点落在Gibbs图模型以外，说明部分水化学组分还受到阳离子交换作用的影响，如地表水、第四系、十四灰、奥灰含水层的大部分水样点均在Gibbs图模型以内，说明主要受到岩石风化和蒸发沉淀作用，而侏罗系、3煤顶板砂岩水样较为分散，推测受到岩石风化、蒸发沉淀、阳离子交换作用的影响较大。大气降水区域没有水样点，表明大气降水对地下水化学组分的影响不大。2.3.2阳离子交换作用除了矿物溶解沉降、风化作用，阳离子交换作用也是地下水水化学组分形成的重要作用之一。根据（Na+-Cl-)与（Ca2+Mg2+-SO2-HCO-）的关系可以确定地下水中是否发生了阳离子交换作用。东滩煤矿Na-Cl与Ca+Mg-(SO4+HCO;)关系图如图4。(-T.bou)/(oOH+Os)-(8W+)50-5V=-X-10地表水第四系含水层-15侏罗系含水层3煤顶板沙岩含水层-20十四灰含水层奥灰含水层-25-50510152025Na-Cl/(meq L-)图4东滩煤矿Na-CI与Ca+Mg-(SOa+HCO）关系图Fig.4Na-CI and Ca+Mg-(SO+HCO,)concentrationdiagram of Dongtan Coal Mine从图4可以看出：各含水层水样点大部分沿y=-x分布，说明东滩煤矿地下水中发生了阳离子交.155Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤防发全Vol.54No.8第8 期第54卷换作用。其中部分水样点位于图中右上第一象限部分，推测发生了反阳离子交换作用，这点可以利用氯碱指数图来进行验证。1965年，Schoeller提出氯碱指数概念，即CAII、CAI2,计算公式如下：CAl,=Pcr-P(Na*k-2(1)Pcl-Pcr-P(Na+K-)CAI2=(2)PHcO,+Pso,-+Pco,-+PNo,式中：Pc-为Cl-的质量浓度，mg/L;p(Na*k)为Na*+K+的质量浓度，mg/L;PHco,为HCO的质量浓度,mg/L;Pso,为SO2-的质量浓度,mg/L;Pco,为CO3-的质量浓度,mg/L;Pno,为SO2-的质量浓度,mg/L。若发生了阳离子交换作用,则CAI0,CAI0,地下水中的Ca2和Mg2+被岩土中的Na*置换；若发生了反向阳离子交换作用，则CAI、CA I 2 同时大于O，即地下水中的Na+被岩土中的钙镁离子置换 30-31 。东滩煤矿氯碱指数图如图5。地表水第四系含水层1.0侏罗系含水层3煤顶板沙岩含水层0.5十四灰含水层奥灰含水层0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-35-30-25-20-15-10.-5051015CAI,图5东滩煤矿氯碱指数图Fig.5Chloro-Alkalineindices diagram ofDongtan Coal Mine由图5可知：34个水样中有2 6 个水样氯碱指数小于0，占全部水样的7 6.5%，说明研究区地下水发生的阳离子交换作用以正向为主，同时存在反向阳离子交换作用；其中第四系5个水样中4个水样氯碱指数大于0，较强的反向阳离子交换作用导致Ca?+含量高于Nat；侏罗系和3煤顶板砂岩含水层水样氯碱指数均小于0，强烈的正阳离子交替吸附作用导致Nat含量高于Ca2,也进一步说明这2 个含水层水力联系密切。地表水和奥灰水样氯碱指数大部分小于0，说明阳离子交换作用中正向阳离子交换作用占主导。2.4主要离子来源根据以上分析可知：东滩煤矿地下水主要受到了岩石风化及阳离子交换作用影响，通过分析地下水阴阳离子浓度比值的关系，可以进一步推断风化作用的类型 32-33。丝经统计，研究区地下水中Ca2+/Na+介于0.0 4 0.7 0 之间，均值0.2 8;Mg+/Na*介于0.0010.26之间，均值0.0 9,水样分散。虽然在蒸发岩、硅酸盐岩和碳酸盐岩之间均有分布，但是在硅酸盐岩附近较为集中，表明地下水的化学组分同时受到了蒸发岩、硅酸盐岩和碳酸盐岩风化的影响，尤以硅酸盐岩风化影响最大，这与东滩煤矿含水层岩性背景基本吻合。东滩煤矿Na*标准化摩尔比值关系图如图6，东滩煤矿地下水离子关系图如图7。10碳酸盐岩1硅酸盐岩0.1地表水第四系含水层侏罗系含水层0.013煤顶板沙岩含水层蒸发盐岩十四灰含水层奥灰含水层0.0010.010.1110100Ca2+/Nat图6东滩煤矿Na+标准化摩尔比值关系图Fig.6Scatter diagram of normalized Na+inDongtan Coal Mine由图7 可知：Ca?+/Na+与Mg2+/Na*值较低，推测碳酸盐岩的溶解以方解石溶解为主。奥灰含水层水样分散，说明其水质特点与其他含水层均有相似之处，关系密切。由图6 结合图7 可知：通过这些关系对比分析可进一步得出地表水与各含水层主要离子的来源。图7(a)中，地表水、第四系、侏罗系、奥灰含水层水样点大部分位于1:1 线及以上，说明以上4个含水层以碳酸盐岩的溶解占主导，而3煤顶板砂岩、十四灰则以硅酸盐岩物质的溶解为主，可能存在碳酸盐岩的溶解；图7(b）、图7(c)中,地表水、第四系均在1:1线上与图7(a)一致，说明二者受碳酸盐的影响大于硅酸盐和蒸发岩，而侏罗系均在线下，说明其同时也受到了硅酸盐和蒸发岩的影响；另外，图7(b）中奥灰含水层水样（HCO+SO2-)大于（Ca2+Mg2+），.156Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第54卷第8 期5050地表水地表水第四系含水层第四系含水层：4040(T.bou)/eW)(T.bow)/W侏罗系含水层侏罗系含水层3煤顶板沙岩含水层3煤顶板沙岩含水层3030十四灰含水层十四灰含水层奥灰含水层奥灰含水层1:1202010100510152001020304050HCO,-/(meq:L-)HCO,+SO,2-/(meq:L-)(b）（Ca 2*+M g 2+）-（H CO,+S O 2-）关系图a）（Ca?+M g?+）-H CO,-关系图10509地表水(i.bou)/eN第四系含水层840(1.bou)/-15侏罗系含水层7地表水3煤顶板沙岩含水层306第四系含水层十四灰含水层5侏罗系含水层奥灰含水层3煤顶板沙岩含水层204十四灰含水层3奥灰含水层102105101520250510152025Na*+K/(meq L-)Na*+K+/(meq:L-)（c）（Ca 2*+M g 2）（Na*+K+）关系图（d）Cl-（Na t+K+）关系图图7 东滩煤矿地下水离子关系图Fig.7Correlation of major ions in Dongtan Coal Mine说明可能存在硫酸盐和硅酸盐的溶解及阳离子交换作用，导致Ca2+、M g+被吸附，含量减少；3煤顶板砂岩含水层在图7(d)中显示Nat含量远大于Cl-,进一步说明其受碳酸盐岩溶解的影响较小，发生阳离子交换的可能性较大。根据以上分析也可以看出：地表水与第四系水力联系密切，侏罗系砂砾岩与3煤顶板砂岩具有一定的水力联系。除了阳离子交换作用，地表水、第四系受碳酸盐和硅酸盐风化影响较大，侏罗系受硅酸盐和蒸发盐风化影响较多，3煤顶板砂岩、十四灰主要受硅酸盐风化作用影响，奥灰含水层水质主要受蒸发盐如硫酸盐和硅酸盐的影响。由此可以看出，硅酸盐风化对地下水水化学的性质影响最大。3各含水层间的水力联系系统聚类分析法分为Q型和R型聚类分析2种，其中Q型聚类分析是对样本进行聚类，将具有相似特征的样本聚在一起，把差异性大的样本分离 34-36 。为此,采用Q型聚类分析对水样进行聚类，推测含水层间的水力联系。采集水样共34个，东滩煤矿地表水及各含水层水样编号见表2，Q型聚类分析结果（1)见表3,Q型聚类分析结果（2）见表4。表2东滩煤矿地表水及各含水层水样编号Table2Water sample numbers of surface water andaquifers in Dongtan Coal Mine含水层名称水样编号地表水1、2.3第四系砂砾含水层4.5.6.7、8罗系砂砾含水层9、1 0、1 1、1 2、1 3、1 4、1 5、1 63煤顶板砂岩含水层17、1 8、1 9、2 0、2 1、2 2、2 3、2 4、2 5太原组十四灰含水层26.27奥陶系石灰岩含水层28、2 9、30、31、32、33、34表3Q型聚类分析结果(1)Table 3 Q-type cluster analysis results(1)水样分类水样编号4、7、8、9、1 0、1 2、1 3、1 4、1 5、1 6、2 1、2 2、2 3、2 4、第I类25、2 6、2 7、2 8 31第类18、1 9.2 0第类1、2、3、5、6、1 1、1 7、2 9、30、32、33第IV类34.157.SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月No.8煤砺发全Vol.54第8 期第54卷表4Q型聚类分析结果(2)Table 4Q-type cluster analysis results(2)水样分类水样编号4、7、8、9、1 0、1 2、1 3、1 4、1 5、1 6、2 1、2 2、2 3、2 4、第I类25、2 6、2 7、2 8、31第类18、1 9、2 0、1、2、3、5、6、1 1、1 7、2 9、30、32、33第类34由表3和表4可以看出：当聚为4类时，水样4、7、8、9、1 0、1 2、1 3、1 4、1 5、1 6、2 1、2 2、2 3、2 4、2 5、26、2 7、2 8、31 为第1 类，水样1 8、1 9、2 0 为第类，水样1、2、3、5、6、1 1、1 7、2 9、30、32、33为第类，水样34单独为一类，为第IV类；当聚为3类时，原第类即水样1 8、1 9、2 0 与第类合并，且与34号水样同归为一大类，说明奥灰水与地表水、3煤顶板砂岩含水层间有密切的水力联系。第I类中，侏罗系、3煤顶板砂岩、第四系含水层水样占比较高，推测这3个含水层间具有一定的水力联系。4奥灰含水层突水情况预测东滩井田位于充州煤田的核部和深部，以宽缓的褶皱为主，并伴有一定数量的断裂构造，其中奥陶系石灰岩含水层是东滩煤矿煤系基底，属岩溶裂隙承压含水层，由于埋深较大抽水试验层段埋深（-6 52 -1 0 9 8 m）,虽接受补给条件较差，但是其水头高，突水危险性较强。根据前面分析可知，受岩石风化、蒸发沉淀及阳离子交换作用等的影响，奥灰水与地表水、第四系等含水层水化学特征具有一定的相似性，推测水力联系密切。结合2 0 1 1 年下组煤第勘探区群孔放水试验,奥灰含水层与十下灰、十三灰、十四灰均有一定的水力联系，尤其是断层破碎带，容易导通奥灰而导致十三灰水、十四灰水与奥灰水相互串通，进一步证明了奥灰含水层与第四系含水层、地表水水力联系密切，容易造成突水事故，必须加大对奥灰含水层监测与突水防治工作。未来5年，东滩煤矿都将以开采3煤为主，当前主要的生产采区为一、三、四、六、十四采区，今后开拓采区主要为三、六采区和十四采区。井田西部（即第I勘探区，十四采区、四采区和六采区)地质构造较为简单，井田东部（即第勘探区一采区、三采区和第勘探区五采区和七采区）构造较为复杂，如钻孔补5-5、0 2-2 所取奥灰水样，矿化度分别为318.66、1 9 1.35m g/L,说明受褶曲、断层破碎带的影响，该区域径流较为通畅，岩溶发育较强，在采煤过程中，如遇断层构造或者十四灰与奥灰间距较小的区域，容易发生奥灰突水事故。另外根据2 0 0 9 年下组煤第I勘探区放水试验，第I勘探区北部，褶曲C7、C8 区域，奥灰富水性较强，补给充沛；中部，褶曲C3、C4包围区域，奥灰富水性相对较好。而处于第I勘探区的十四采区受褶曲C7、C8 影响较大，四采区受褶曲C3、C4影响较大，一、三采区位于井田东部，构造复杂，且一采区2013年曾经发现一陷落柱，说明该区域具有形成该类地质构造的条件，具有一定的隐患。根据地表水及各含水层水化学性质分析已知，奥灰含水层水质与其他含水层具有一定的相似性，结合系统聚类分析，奥灰含水层与地表水、3煤顶板砂岩含水层均有一定的水力联系,综上分析,奥灰含水层未来对东滩煤矿上组煤开采具有一定影响，推测一、三采区受奥灰影响较大，突水风险较高，十四采区次之，四采区受奥灰影响突水风险较低。5结语以充州煤田东滩煤矿为研究对象,利用Piper三线图、Gibbs图，结合氯碱指数、主要离子浓度关系对比、聚类分析法对地表水、地下水水化学特征及各含水层水力联系进行了分析。1)东滩煤矿地下水pH平均为8.46，偏碱性，总体上来说Nat、H CO 3占优势，地表水、3煤顶板砂岩、奥灰含水层水样TDS大于1 0 0 0 mg/L,