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1、乔楼-大峪沟段煤矿区岩溶水化学特征分带性规律研究2011年5月第33卷第3期地下水GroundwaterMay.,2011Vol_33N0.3乔楼一大峪沟段煤矿区岩溶水化学特征分带性规律研究庞良,袁巧红.韩国童(河南省地质测绘总院,河南郑州450006)摘要G310线郑州乔楼一大峪沟段煤矿区岩溶水作为一个完整的水文地质单元,其岩溶水水化学特征自补给区至径流区和排泄区,具有明显的分带性规律.本文正是通过分析岩溶水171阳离子成份,水化学类型和Sr/Ca的分带性,较深入研究了岩溶水化学各种成因类型,展示了本区岩溶水化学特征分带性规律.关键词岩溶水;化学特征;分带性规律中图分类号P641.134文献
2、标识码A文章编号10041184(2011)030013041采样及水化学分析结果本次研究范围边界的大断层,背斜,分水岭等构成岩溶水系统的自然边界,使区域岩溶表1煤矿区各种水体野外取样与测试记录表收稿日期20101210作者简介庞良(1964一),男,河南西峡人,高级工程师,主要从事水文工程地质勘察评价和防治水研究工作.1333卷第3地下水2011年5月水成为一个相对完整的地下水系统,具备水文地质单元所拥有的的补给,径流和排泄条件.南起岩溶水水文地质单元五指岭分水岭(补给区),北至各岩溶泉及煤田各矿区(排泄区),西起大峪沟,向东包括新中矿,王河矿,徐庄矿,直到荥阳贾峪镇的鹿平煤矿和中原煤矿,总
3、面积950km.2007年7月923日共采集了37个水样,水样分布点见图4.采样点基本均匀分布岩溶水系统水文地质单元,能反映岩溶水系统4L2J【补给区,径流区和排泄区的不同特点.其中岩溶泉水样8个,前寒武片麻岩中泉水样1个,矿井顶底板水样18个(顶板Ll一2灰岩水7个,底板奥灰水11个),机井水样5个(浅层机井3个,打到灰岩的深井井水样2个),地表水水样3个,雨水样1个,矿坑排水混合水样1个.野外取样与测试记录见表1.全部水样采用离子色谱和GCMS进行了常量和微量分析,各类水体的水化学类型(水质类型)等分析结果见表2(表1,表2水样序号一致).另外还收集了煤矿区各矿历年已有水质分析数据.表2煤
4、矿区各种水体主要水质分析结果mg/L1433卷第3期2水体主要离子成分分带性特征2.1主要阴离子根据表2和TDS,HCO,SO和cl一含量曲线(图1,图2),得出不间水样主要阴离子含量特点为:从lJJ前补给区到矿区排泄,TDS(矿化度)表现为由低到高的变化趋势,HCO,cl一含量相对较稳定,其中排泄区的17号(顺发井)水样,29号(大峪沟)以及34号(任洼水库)水样中的矿化度尤其高;SO含量变化明显,从补给区到排泄区其含量由低逐渐升高,其中排泄区的17号(顺发井)水样,29号(大峪沟)以及34号(任洼水库)水样中的s0含量尤其高.图2煤矿区水样Cl一和SO曲线图2.2主要阳离子从主要阳离子含量
5、曲线图(图3)中得出不同水样阳离子含请的差异:从山前补给区到矿区排泄区,Ca,Mg.含量总体上没有大的变化;从表2数据分析,Na,K含量较稳定,除29号(大峪沟)水样中含量较高外,其它水样含量较低.善墓I敝样序号图3煤矿区岩溶水样Ca,Mg曲线图3各类水体的水化学类型分带性及成因分析将表2中煤矿区各类水样分析结果,绘制在岩溶水水化学类刑分区图(图4)和Piper三线图上(图5),总体分为两个主要水化学类型区.地下水目回船圈魏嚣钿曰例口日固$田2011年5月图4煤矿区岩溶水水化学类型分区图I区:水化学类型为HCO一ca?Mg和HCO一Ca型.阳离子中ca含量较高且相对集中,Mg含量分布较离散;N
6、a,K含量较低.阴离子中HCO含量相对较高;s0一+cl一含量较低,且以SO为主,矿化度较低,平均为325mg/L,水质良好.该类水主要以泉的形式出露,代表了山区基岩裸露补给区和径流区地下水的水化学特征.图5煤矿区地表水和地下水Piper三线图区:水化学类型为HCO?SO4一Ca?Mg或SO?HCO,一Ca?Na型.阳离子中仍以ca,Mg为主,但其含量相t7b给区略减少,除个别水样中Na,K含量较高外,其它水样中Na,K含量低,但比I区略高;从补给区到排泄区水中s0含量增加,阴离子中SO+cl一含量较高,HCO,含量相比I区较少;矿化度较I区高,平均为498mg/L.此类水型代表为矿区排泄地下
7、水及其附近地表水体的水化学特征.本区地下水的主要成因类型为溶滤水.受岩性,地形,构造及地下水的补给,径流,排泄条件的影响,煤矿区地下水主要形成了三类溶滤水,煤矿区的水化学成分从补给区到排泄区,具有一定的分带性规律.各类水的形成原因分析如下3.1HCOmCa?Mg型或HCO一Ca型此类水广泛分布于山区灰岩裸露补给区和径流区,其形15.s趣缸斗艇墨:,8S吁靶阜艇墨33卷第3地下水2O11年5成原因是含O:和CO的大气降水或地表水通过地表岩溶入渗到地下,CO溶人水中形成碳酸从而使地下水对碳酸盐类具有一定的侵蚀能力,在运动过程中具有侵蚀能力的地下水与碳酸盐岩相互作用形成的.本区出露的碳酸盐岩地层主要
8、包括寒武一奥陶系的石灰岩,白云岩,白云质灰岩等,其化学成分主要是CaCO3和MgCO,在水和水中CO共同作用下,碳酸岩盐中的碳酸钙,碳酸镁等被溶于水中,从而岩溶水以HCO一,Ca,Mg等离子为主.其水岩作用反应式为:CaCO3+C02+H2OCa+2HCO3一MgCO3+CO2+H2OMg+2HCO3一此类水由于地下水所处的位置不同,其补给和径流条件也不同,导致水化学成分及矿化度略有差异.王河煤矿新打的井下测压孔中的水样大部分(J一J)为HCO,一Ca?Mg型,原因是新打的井下测压孑L中的奥灰水尚未进入矿井,未与煤层顶板水及煤层发生水力联系,故SO含量少,为典型的岩溶地层溶滤水.随着时间延长,
9、底板水逐渐与顶板水及煤系地层发生作用,SO一含量增加,导致底板水水化学类型变为HCO?SO一Ca?Mg型,如原来先打的J和J孔.3.2HCO3?SO4一Ca?Mg型大部分的矿区埋藏型灰岩水和矿坑排水都属此类水.如新中矿顶底板水,徐庄煤矿底板水,顺发井顶板水,新建煤矿井水,花河矿井水,王河矿顶板水及王河煤矿矿坑排水.此类水相比灰岩出露区的水矿化度增加,主要原因是矿区位于排泄区,地下水径流途径变长;另外,由于是承压水,补给条件差,水循环交替缓慢,因此矿化度较大.相比补给区,地下水中的SO含量明显增加,这是由于矿井水来源于顶板太原组薄层灰岩含水层和底板的奥陶系灰岩含水层,两含水层中的水沿裂隙和断层进
10、入矿井,进入矿井的过程中水流经煤系地层时与煤系地层中黄铁矿相互作用形成硫酸盐与硫酸,使得水中的s0一含量增加.硫酸的增多有利于溶解灰岩,白云岩中的CaCO,和MgCO,形成重碳酸硫酸型水.另外,大量CO:的作用增加了地下水对岩石中CaCO,MgCO,的溶解,水中HCO,一,Ca,Mg含量增加,水化学类型成为HCO3一SO4一ca?Mg或SO4-HCO3一ca?Mg型.此类水形成过程中发生的水化学作用如下:FeS2+7O5+2H2O-*FeSO4+2H2SO4H2SO4+CaCO3+MgCO3MgSO42CO2fCaCO3+CO2+I-I20Ca+2HCO3一MgCO3十C02十H2OMg+2H
11、CO3上述水岩作用使矿区地下水类犁总体较补给区复杂,除大部分为HCO?SOCa?Mg水型外,少部分底板水为低矿化度的HCO一ca?Mg型水,如王河煤矿新打的奥灰观测孑L水样.3.3SO4?HCO,一Ca?Na型此次取得的大峪沟矿井水样属于此类水型.相比其它矿井水,其矿化度更高,达到了1000mg/L,且Na和cI一含量也比其他矿井水高出很多.据调查,512汶川大地震时由于深部断裂活动,大峪沟矿井27采区的27130工作面于5月14日发生突水,突水量达2500m/b,突水时水温达到500oC,表明该水经过深部地热循环通过断裂带,向上运移,由于水压较大,导致突水.该水来自深部承压水,水循环交替差,
12、故矿化度很高.另外,在深部地下水流经一些变质16岩时,与长石类(如钠长石)矿物发生水岩作用,导致地下水中Na和K含量相比其他矿井水高,cl一的来源可能是深部岩浆岩中含氯矿物(如方钠石NaA|SiO?NaC1)的风化溶解.其溶滤作用的反应式为:Na2A12Si6O16+3H2O+CO22Na+2HCO3一+H4Al2Si4O9+4SiO2据收集的大峪沟勘探区1982年2O多个水质分析数据j可知:1982年所取大峪沟矿井水的水化学类型主要为HCO3?SO4一Ca?Mg型,部分为HCO,一ca?Mg型.奥灰水平均矿化度为334.8mg/L,顶板L12灰岩水平均矿化度为408Ing/L,表明一般情况下
13、大峪沟矿井水水化学类型及矿化度与其它矿井水相似,唯有5月14日突水水源为深部断裂导出的地热水属于特例.除以上3类地下水外,王河煤矿区【的2个地表水来自王河水库及任洼水库,2个水库均接纳王河煤矿矿坑排水,其水化学类型分别属于SO?HCO3一Ca型和sO4一Ca?Mg型水,主体成分与矿坑水接近,但SO一含量偏高.矿坑排水进入地表水库后,所处环境由还原的环境变为氧化环境,部分硫化物或硫氧化后使水中s0含量增高.4水体中Sr2/Ca分带性特征及其形成条件根据前人研究结果,海相碳酸盐岩中普遍含有锶元素,其来源是当海水浓缩产生SrSO盐类沉淀,而SrSO的沉淀在CaCO之后.当地下水与海相碳酸盐岩接触过程
14、中,岩石中的锶元素以锶离子形式进入地下水中.由于径流条件不同,水岩接触时问不同,使得地下水中的锶离子浓度也不同,而岩溶水中普遍含有钙离子,因此sr2/Ca可反映地下水的形成和径流条件.将荥巩矿区岩溶水样的Sr2/Ca与TDS等水化学特征进行分析,绘制岩溶水样Sr2/Ca与TDS的关系图(图6).根据各水样在Sr2/Ca一TDs关系图中的情况,结合岩溶水运动规律主要划分为二个区.I区是补给区和径流区,包括补给区的1,3,4,5,6,7,8号岩溶泉水样和径流区的10,11号岩溶井水样.该区ca/sr比值较小,变化值在0.00100.0023之问,矿化度也比较低,在200400ing/L之间,其原因
15、是该区处于灰岩裸露区,直接接受大气降水补给.由于岩溶发育,渗透性好,地下水交替强烈,溶滤作用强烈,水岩作用时间短,致使岩溶水中ca浓度大,sr2含量很低,故Sr2/Ca比值很小,矿化度也较低.区是排泄区,包括1216号矿井顶板水样,2028号矿井底板水样和9号岩溶泉水样.该区Sr/Ca比值变大,大于I区.其原因是岩溶水从奥陶系灰岩裸露区(补给区)流向灰岩埋藏区(排泄区),径流途径延长,补给条件变差,水交替由积极变为滞缓,溶滤作用变弱,水岩作用时间增长,Ca浓度降低,相反sr2浓度增大,水中的Sr/Ca2比值越来越大;9号反坡泉水样Sr2/Ca比值较大是因为取样点接近排泄区.另外,在I区,区之外
16、还有个别水样代表深部循环水或老窑积水,包括l7号顺发矿井水和29号大峪沟矿井水.该类水矿化度特别高,(下转第86页)33券第3地下水2011年5分为三类,一是灌区普及混凝土渠道衬砌技术,大力推广U型衬砌防渗,加大建筑物的维护和更新.二是机井,抽水灌区普及管道输水技术,大力普及低压暗输水,实现安全输水,减少损失.三是田间节水大力普及果园微喷灌技术,实现田间节水.4.1渠道防渗技术渠道防渗技术是通过对渠床土壤进行处理或建立不易透水的保护层,如混凝土渠道衬砌,浆砌块石衬砌,塑料薄膜防渗和混合材料防渗等工程措施,减少输水渗漏损失,加快输水速度,提高灌水效率.目前在我县普遍采用的是混凝土U型渠道衬砌,渠
17、灌溉面积12.9万亩,占节水灌溉面积78%.与土渠输水相比,混凝土护面可减少渗漏损失60%80%,并加快了输水速度.4.2低压管道输水技术低压管道输水灌溉技术是机井,抽水站灌区发展较快的节水灌溉技术,它是利用机泵抽取井水,通过管道系统把水直接输送到田间实施灌溉的技术.同其它节水灌溉工程型式比较,具有耗能少,运行管理方便的特点.低压管道输水的灌溉试验取得了良好的节水增产效果.用塑料或混凝土等管道输水代替土渠输水过程中的渗漏和蒸发损失,输配水(上接第l6页)Sr2/Ca.比值较大.其原因为:顺发井是一个废弃的矿井老窑积水,其矿化度很高sr2/Ca比值较大;大峪沟为深部承压水经断裂传导到矿井中的水,
18、其矿化度很高,Sr2/Ca比值特别大.TDS(mg/1)图6煤矿区岩溶水样Sr/Ca值与TDS关系图5结论综上所述,G310线郑州乔楼一大峪沟段煤矿区岩溶水地下水的阴阳离子,水化学类型等常规组分特征及Sr/Ca一TDS关系分布,显示煤矿区岩溶水化学特征自补给区,径流区到排泄区具有自然分带性规律:自南向北及自西向东,随着岩溶含水层埋深加大,径流途径延长,水岩作用时问增加,岩溶地下水的交替条件由快变慢,造成矿化度(TDS)由小变大,sr2浓度由小变大,SO含量增加.而cl一,HCO,一和Ca,Mg含量总体上没有大的变化.由此可以推断出研究区岩溶地下水总体径流规律为:一一部分降水入渗补给沿着地层倾斜
19、与地形坡降方向自南向北,自西向东径流,径流强度受地形控制,当运动到合适的地形地貌,构造,的利用率可达到95%.另外还能有效地提高输水速度,减少渠道占地.结合采用小自龙管地面输水灌溉,不仅能够有效地控制灌溉水量,而且便于一家一户管理在我县得到了许迅猛的发展.4.3微灌技术微灌技术包括微喷,滴灌和渗灌,是一种现代化,精细高效的节水灌溉技术,具有省水,节能,适应性强等特点,灌水同时可兼施肥,灌溉效率能够达到90%以上.微喷灌已由果树,蔬菜等少数经济作物向大田作物发展,与地面灌溉相比,微喷灌具有节水,增产,省工,提高耕地利用率和适应性强的优点.5节水灌溉的效果及结论通过实践证明,灌区U型渠道防渗技术通
20、过衬砌使渠系利用率提高,亩均可节水50m,暗管输水技术渠系利用率提高,亩均节水75m,渗灌技术亩均可节水100Ill.按白水县节水灌溉面积,U型渠道防渗12.6万亩,暗管输水3.3万亩,田问渗灌技术12万亩,年可节水2000万m以上.白水县大力普及推广节水灌溉是非常必要的,也是可行之,前景也是广阔的.岩溶等有利部位汇集,基岩裸露区灰岩接受降水后向深部以侧向径流的方式补给到矿区充水含水层中,水流循环深度较大,径流途径延长,水交替缓慢,地下水以侧向和垂直上升运动为主.另一部分岩溶水自南向北以泉的形式溢出地表,地下水在浅部循环,水流运动途径短,水平运动为主,交替强烈;水化学类型为低矿化度的HCO,一
21、Ca.Mg型水,Sr/Ca低.本文充分说明岩溶水化学特征分带性规律对岩溶水的补给,径流和排泄条件具有明显的指示作用,这对进一步判定矿区突水水源,矿区圈定补给范围,预测矿区涌水量等分析复杂的水文地质条件具有很好的借鉴意义.参考文献1庞良,郭会荣等,河南省荥阳市王河煤矿煤炭资源保护一综合水文地质调查研究R.河南省地质矿产勘查开发局测绘队,2009.2吴雨顺,李新云,郝林杰.河南荥巩矿区岩溶水发育规律研究J.中国煤炭地质,2008,20(5):3741.3荥巩矿区一1煤开采岩溶水分布运移规律与水害防治对策研究(D.河南理工大学资源环境学院,2007.4大峪沟矿,新中煤矿,王河煤矿,徐庄煤矿等各矿历年矿井排水监测和岩溶承水质分析资料fz.5王大纯,张人权,史毅虹等.水文地质学基础M.北京:地质出版社,2005.6徐培,张晶.大峪沟井田滑动构造研究.中国煤田地质J,2007,19(2):1113.7罗绍河,宋延斌.王河煤矿矿井突水特征与防治水对策D.河南理工大学(自然科学版),2007,26(6):6l8623.