張勝軍，丁亞恒，姜春露，李 明，鄭劉根

(1.河南能源化工集團(tuán)永煤公司，河南 永城 476600；2.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

突(涌)水是影響礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。水源識(shí)別是礦井防治水工作的重要基礎(chǔ)工作[1-3]。從目前突(涌)水水源識(shí)別研究現(xiàn)狀來(lái)看，識(shí)別方法大多針對(duì)突(涌)水水源為單一來(lái)源情況[4]。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者開(kāi)展了大量的研究，目前常采用的突水水源的判別方法主要有水化學(xué)特征法[5]、距離判別法[6]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[7]和Fisher判別法[8]等，這些方法對(duì)單一水源能夠做出較為準(zhǔn)確地判別。但礦井突(涌)水往往是兩個(gè)或多個(gè)含水層地下水以不同比例混合后突涌而出，在突水水源的實(shí)際識(shí)別中，不考慮混合水的情況會(huì)造成識(shí)別結(jié)果不全面等問(wèn)題，甚至導(dǎo)致誤判。因此，部分學(xué)者開(kāi)展了礦井混合水源識(shí)別與計(jì)算。李燕等[9]采用水化學(xué)離子成分守恒方法對(duì)礦井涌水構(gòu)成進(jìn)行定量分析。Liu、Duan等[10，11]以中國(guó)三山島金礦為例，采用主成分分析法和層次聚類(lèi)分析法，再利用最大似然估計(jì)法估算出礦井各水源的混合比例。Laura Scheiber等[12]針對(duì)歐洲某露天銅礦提出一種基于多元統(tǒng)計(jì)分析方法解決存在兩個(gè)以上的水源在質(zhì)量平衡應(yīng)用中產(chǎn)生的不確定性。陳建平等[13]利用不同含水層中環(huán)境同位素δ13C的差異和水化學(xué)特征對(duì)隆德礦進(jìn)行礦井水源識(shí)別，結(jié)果表明利用環(huán)境同位素結(jié)合水化學(xué)分析能夠精準(zhǔn)地識(shí)別礦井突水來(lái)源，并能估算出各水源的混合比例。以往研究結(jié)果表明，隨著開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行，礦井地下水主要水文地球化學(xué)作用可能發(fā)生變化，導(dǎo)致水化學(xué)特征與初始情況產(chǎn)生差異[14]。利用環(huán)境同位素結(jié)合水化學(xué)方法進(jìn)行礦井水源識(shí)別與貢獻(xiàn)比例評(píng)估可以獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。因水文地球化學(xué)環(huán)境改變，地下水中碳硫等物質(zhì)可能以不同形式存在，這給水源識(shí)別帶來(lái)了一定的困難。Cl-因溶解度大，不易沉淀析出，又不為植物或細(xì)菌吸收、不被巖石顆粒吸附，故成為地下水中最穩(wěn)定的離子。氯同位素在地下水方面的研究可適用于示蹤地下水的來(lái)源和演化路徑、示蹤污染物源區(qū)和量化生物修復(fù)等[15]。

我國(guó)煤礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，水文地球化學(xué)環(huán)境差異較大。因此，礦井水源識(shí)別需結(jié)合礦井具體水文地質(zhì)條件進(jìn)行，并計(jì)算各水源的混合情況。本文以某華北型煤礦礦井涌水為研究對(duì)象，在主要充水含水層水文地球化學(xué)特征研究基礎(chǔ)上，結(jié)合聚類(lèi)分析識(shí)別了礦井涌水來(lái)源，采用Cl-和δ37Cl質(zhì)量守恒關(guān)系解析出礦井涌水組成比例，為礦井防治水工作提供技術(shù)支撐[16-18]。

1 樣品與方法

城郊煤礦位于淮北平原，區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦，地面標(biāo)高一般在+22～+26m，屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫為15.1℃，年平均降水量約890mm。研究礦井在構(gòu)造上位于華北板塊南部，屬于典型的華北型礦井，主采煤層賦存于二疊系，奧陶紀(jì)灰?guī)r為煤系地層沉積基底。多年開(kāi)采實(shí)踐表明，影響礦井安全生產(chǎn)的水源類(lèi)型主要為新生界松散層水、煤系砂巖水、太灰水和奧灰水。

2 水化學(xué)特征

表1 主要水源類(lèi)型與礦井涌水化學(xué)指標(biāo)

圖1 Piper三線圖

3 礦井涌水來(lái)源識(shí)別

Piper三線圖從電荷平衡的角度反映了水樣中各離子的相對(duì)含量。由以上分析可知，礦井涌水與砂巖水、太灰水在TDS和水化學(xué)類(lèi)型兩方面均比較相近，與松散層水和奧灰水在TDS和水化學(xué)類(lèi)型兩方面均差異較大。由此可以反映出礦井涌水主要由砂巖水和太灰水混合而成，這主要由于煤系砂巖和太灰是礦井直接充水含水層，二者通過(guò)煤層頂?shù)装迦龓е胁蓜?dòng)裂隙涌入礦井。松散層水可能通過(guò)隱伏露頭補(bǔ)充煤系砂巖和太灰，間接涌入礦坑，但涌入量較小，否則礦井涌水化學(xué)特征將與松散層水相近。根據(jù)表1可知奧灰水中Cl-含量超過(guò)了2000mg/L，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于礦井涌水，可以推測(cè)奧灰水不是礦井水的來(lái)源。

為進(jìn)一步識(shí)別礦井水來(lái)源，對(duì)所有水樣進(jìn)行了聚類(lèi)分析[20]。聚類(lèi)分析的算法種類(lèi)眾多，其中系統(tǒng)聚類(lèi)分析是應(yīng)用于礦井水源分析較為成功的方法之一[21]。其操作步驟為：首先確定原始數(shù)據(jù)，將要進(jìn)行聚類(lèi)分析的對(duì)象的各項(xiàng)指標(biāo)及相應(yīng)的測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)變化處理，使其變成相對(duì)一致的數(shù)據(jù)；然后根據(jù)變化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以判斷出各個(gè)樣本之間的親密程度，確定分類(lèi)的原則與方法，將親密程度較高的樣本聚為一類(lèi)，最終可以得到樣本的分類(lèi)結(jié)果[22]。

假設(shè)有n個(gè)水樣樣本，每個(gè)樣本測(cè)得m項(xiàng)指標(biāo)，那么第i個(gè)樣本的的第j個(gè)指標(biāo)記為Xij。聚類(lèi)統(tǒng)計(jì)量反映了各個(gè)樣本之間親密程度的指標(biāo)，主要分為距離和相似系數(shù)兩大類(lèi)。選擇歐氏距離作為聚類(lèi)統(tǒng)計(jì)量，用dij表示，那么相似關(guān)系矩陣為：

圖2 水樣聚類(lèi)圖

4 礦井涌水組成計(jì)算

從表1可知Cl-是多個(gè)含水層離子含量較高的離子，通過(guò)所測(cè)得的氯同位素δ37Cl與Cl-進(jìn)行質(zhì)量平衡計(jì)算，可以得出礦井涌水中各個(gè)來(lái)源的貢獻(xiàn)比例。

從上述分析可知，礦井涌水主要由砂巖水和太灰水混合而成，可將它們作為礦井涌水的兩個(gè)主要端元，將其它可能混入的水源作為一個(gè)其它端元。礦井涌水的Cl-來(lái)源可分為三個(gè)端元，分別為砂巖水端元、太灰水端元和其它端元。礦井涌水是研究區(qū)相應(yīng)含水層水源混合而成，由于Cl-一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，Cl-與δ37Cl-值應(yīng)在各含水層的值之間。

研究區(qū)含水層的δ37Cl與Cl-關(guān)系如圖3所示。根據(jù)水化學(xué)端元模型原理，如采用穩(wěn)定好的元素進(jìn)行混合比例計(jì)算，一般混合水源的指標(biāo)含量應(yīng)在各端元確定的線段或多邊形范圍內(nèi)[13，21]。因此，在本研究中礦井涌水的δ37Cl與Cl-值要在三個(gè)端元值之間，在圖3中則表現(xiàn)為礦井涌水的點(diǎn)要被各端元包含在其中，則可取A、B兩點(diǎn)分別為砂巖水和太灰水的端元值。其中A點(diǎn)代表可能的高Cl-和低37Cl含量的砂巖水，B點(diǎn)代表低Cl-和高37Cl含量的太灰水。C點(diǎn)由A和B兩點(diǎn)結(jié)合AC和BC包含所有礦井涌水的最小范圍來(lái)確定。由表1可知A點(diǎn)的Cl-濃度為1592.18mg/L，δ37Cl值-0.39‰，B點(diǎn)的Cl-濃度為550.90mg/L，δ37Cl值0.30‰。由于其它端元不是礦井涌水的主要端元，可取C點(diǎn)作為其他端元，從圖中可以看出其它端元(C)的Cl-濃度約為75mg/L，δ37Cl的值約為-0.54‰。由表1得知松散層水的Cl-含量均低于100mg/L，與其它端元(C)的Cl-含量低相一致，可推測(cè)其它端元中可能包含松散層水的入滲，但其他端元(C)不是礦井涌水的主要端元。

圖3 δ37Cl與Cl-關(guān)系圖

通過(guò)利用Cl-與δ37Cl值所組成的三元混合模型可以計(jì)算出各個(gè)端元對(duì)礦井水的Cl-和δ37Cl所貢獻(xiàn)的比例[21]，計(jì)算公式如下：

δ37ClA×FA+δ37ClB×FB+δ37ClC×FC=δ37Cl樣品

[Cl-]A×fA+[Cl-]B×fB+[Cl-]C×fC=[Cl-]樣品

FA=[Cl-]A×fA/[Cl-]樣品

FB=[Cl-]B×fB/[Cl-]樣品

FC=[Cl-]C×fC/[Cl-]樣品

FA+FB+FC=1；fA+fB+fC=1

式中，fA、fB、fC分別代表研究區(qū)砂巖水、太灰水和其他端元(C)所占礦井涌水的體積分?jǐn)?shù)；FA、FB、FC分別代表研究區(qū)砂巖水、太灰水和其他端元(C)所占礦井涌水的貢獻(xiàn)比例；[Cl-]樣品、δ37Cl樣品分別代表礦井涌水某一水樣的Cl-濃度和δ37Cl值。

將研究區(qū)礦井涌水的五個(gè)水樣的Cl-濃度和δ37Cl值以及三個(gè)端元對(duì)應(yīng)的數(shù)值帶入上述公式中可以計(jì)算出相應(yīng)的貢獻(xiàn)比例值，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 礦井涌水組成計(jì)算結(jié)果 %

Cl-因溶解度大，氯化物不容易形成難溶的礦物，不易沉淀析出，又不為植物或細(xì)菌吸收、不被巖石顆粒吸附，故成為地下水中最穩(wěn)定的離子。所以對(duì)于研究區(qū)礦井涌水的Cl-的含量只會(huì)來(lái)自于混合水中Cl-含量的疊加。從表2中可以看出，礦井涌水中砂巖水的貢獻(xiàn)比例在23.7%～94%之間。太灰水除了在第一個(gè)礦井水樣(編號(hào)為M1)里的貢獻(xiàn)比例為0以外，在其他4個(gè)礦井水樣中的貢獻(xiàn)比例在10.5%～74.4%之間。未知端元在上述5個(gè)礦井水樣中的貢獻(xiàn)比例均在20%以下。解析計(jì)算結(jié)果與前述水化學(xué)特征和聚類(lèi)分析結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

1)研究區(qū)礦井涌水化學(xué)指標(biāo)含量和水化學(xué)類(lèi)型均與煤系砂巖水和太灰水相似，聚類(lèi)分析結(jié)果也反映出砂巖水、太灰水和礦井涌水樣本距離較近，表明礦井涌水的主要來(lái)源為砂巖水和太灰水。

2)結(jié)合Cl-和δ37Cl質(zhì)量守恒，經(jīng)端元法計(jì)算得出砂巖水和太灰水占礦井涌水的比例在80.8%以上，未知端元水源貢獻(xiàn)比例小于19.2%。