利用水文地球化学方法分析朝川矿水文地质规律

利用水文地球化学方法分析朝川矿水文地质规律
摘要：本文综合利用了水文地球化 学方法中的数理统计、Piper图和Q型聚类模
糊分析，对朝川矿水文地质规律进行了分析。研究结果 表明：河水，水库水，第
四系孔隙水与岩溶水有密切的水力联系，岩溶水为矿井的主要充水含水层。砂岩
裂隙水与其他含水层基本没有水力联系，补给源少，对矿井充水意义不大。并为
矿井能制定有效 的防治水措施提供了科学依据。
关键词：水文地球化学 水化学特征 Q型聚类模糊分析 水力联系
煤矿水害做为矿上几大灾害之一，一直是制约我国煤炭开采活动和煤矿可持
续发展的重要因素。在治理水害中，我国形成了许多行之有效的方法、理论和技
术，但矿区地下 水的补给，径流和排泄条件是一切研究的重要基础。只有充分认
识和了解矿区的水文地质条件，才能制定 合理有效的矿井防治水措施。本文即采
用水文地球化学方法中的Piper三线图和Q型聚类模糊分析来 分析朝川矿的水文
地质规律，为矿井防治水提供科学依据。
一、矿区水文地质概况
朝川矿区位于临汝煤田的东南部，属构造剥蚀低山丘陵及河流 冲积平原，中
部平顶山砂岩构成丘陵，煤系地层则形成狭长形沟谷，南部寒武系石灰岩组成低
山 丘陵，呈现岩溶地貌景观。矿区属暖温带大陆性季风气候，多年平均降水量
668.1mm，年最大降水 量为1170.9mm，年最小降水量为332.8mm，蒸发量为降
水量的三倍。矿区为弧形单斜构造 ，区内构造复杂，主要断裂有北西向与北东向
两组，多构成矿区或井田边界，在不同程度地控制着矿区水 文地质条件，使朝川
矿区成为一个独立的水文地质单元。第四系砂、砾岩孔隙含水层，石炭—二叠灰岩岩溶裂隙和砂岩裂隙含水层，中上寒武系灰岩岩溶裂隙含水层为矿区主要含水
层。其中，中上寒武 统白云岩含水层在西南部出露，裸露带宽度0.65km，走向延
伸长23km，出露面积为15km2 。
二、取样与分析
为了解朝川矿区的水化学特征及时间 上的演化规律，确定地下水的补给、径
流和排泄条件，根据研究目的并结合水化学采样方法，制定了底板 灰岩含水层、
顶板砂岩含水层等五个深度层面的分层采样的方案，本次工作采集两批矿区水化
学 样，2004年采集14组，2008年采集26组。其中地表水共10组，第四系孔隙
水共14组，砂 岩水3组，石炭系岩溶水6组个，寒武系岩溶水3组，混合水样
共4组。对其进行了水化学分析，分析项 目主要包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、
HCO3-、SO42-、Cl-、硬度、碱度、固形 物、pH值等。
（一） 数理统计
朝川矿区采集的不同 时间和不同含水层的水样的水化学特征分析结果表明：
（1）河水水化学特征：由于矿区排水主要通过朝 川河流走，水化学类型由2004
年的4—Ca型水转变为2008年的4—型水，TDS也有
0.57134gL增大到0.78803gL；（2）孔隙水水化学特征：孔隙水的水化学类型由
20 04年的4—Ca型水转变为2008年的3—Ca型水，可见孔隙水
的水质已经变坏，矿化度变化较小 ；（3）砂岩水水化学类型：砂岩水的水化学
类型没有发生变化，可以说明砂岩水，与其他含水层的水基 本没有水力联系；
（4）岩溶水化学特征：寒灰水的水化学特征由2004年的4—型水
转变为 2008年的4—Ca型水，矿化度亦有0.821165gL减小到
0.45924gL。 2008 年太灰水的水化学类型为4—型，矿化度为

0.78449gL，比寒灰水较大，说明由 于矿井排水的作用，使太灰水接受寒灰水的
补给，亦可由此看出寒灰水为矿井充水的主要含水层；（5） SO42-离子特征：由
于灰岩距离煤系地层较近，在煤矿开采的影响下，使以前的还原环境转变为氧化
环境，因此使得煤系地层中的黄铁矿氧化成为硫酸盐（FeSO4）与硫酸，使得水
中的SO4 2-含量增加；（6）矿井混合水的水化学类型：由于矿井混合水是由来自
不同含水层的水混合而成，因 此水化学类型比较复杂，混合水的水化学类型为
4—型，矿化度为1.370448gL，已达到微咸水 类型。
（二） Piper三线图示法
本文采用国际上通用的水化学分类方法，首先计算主要阳离子（Na+ 、Mg2+、
Ca2+）和阴离 子（Cl-、SO42-、HCO3-）的毫克当量百分数，使毫克当量百分数大
于10%的离子参与水 化学类型的分类。可知：寒武系灰岩，石炭系灰岩岩溶水与
第四系孔隙水，河水，水库水水化学类型区域 重合，说明孔隙水，河水，水库水
补给寒武系灰岩和石炭系灰岩水，并且各水体之间相互交替频繁。朝川 水库基底
为寒武系灰岩，寒武系灰岩浅部岩溶非常发育，水库水透过灰岩裂隙溶洞补给地
下水； 在朝川河上游，芦店村旁两岸，河谷对第四系厚层沉积物的切割，第四系
孔隙水以泉的方式补给河水；在 朝川河中游第9勘探线附近，由于石炭系太原组
灰岩露头与河谷相交，河水迎着灰岩层面补给地下水，并 出现断流。在朝川矿二
井以下，二井和一井矿井废水排入朝川河，并在下游通过河流渗漏补给第四系孔< br>隙水，形成了岩溶水，浅层孔隙水，地表水水化学类型基本一致。二叠系砂岩水
水质和其他水样有 很大的差别，由此可得，二叠系砂岩水和其他含水层没有水力
联系。
（三）Q型聚类模糊分析
为了增强对水化学资料的认识和所得结论的可靠性，对水样 进行了Q型聚类
分析，以获得对水化学特征的定量解释。为了对矿井突水来源进行判别，以采用
常见的六种阴、阳离子Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO3- 、Cl- 、SO42-和TDS为变 量，
变量名分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7。对所取的34组水样进行Q型聚类模糊分析。二叠系砂岩裂隙不发育，与外界含水层没有水力联系，不会接受地表
水体，大气降水的补 给，故在掘进的过程中，砂岩裂隙水并不对矿井生产安全造
成威胁。
张村矿 -250寒武系灰岩水与朝川水库、朝川河上游等地的水样分为Ⅰ1-A-a组，
说明其水化学特征相近 ，证明朝川河水库确实通过灰岩溶洞对西部寒武系灰岩岩
溶水进行补给。
朝 川矿二水平东、西翼泄水巷所取得太原组灰岩岩溶水水样与时屯、范庄水
井水样、朝川河中游水样分为Ⅰ 2-A-b组，其水化学特征具有相似性。野外调查
发现，当河流流至第9勘探线附近时，由于石炭系太 原组灰岩露头与朝川河交叉，
河水在此处断流。说明矿区东部太原组灰岩含水层在第9勘探线附近顺着岩 层接
受朝川河的补给。
三、结 论
本文通过收 集资料、野外调查、水样分析、室内整理、计算等手段系统研究
了朝川矿水文地质规律，为矿井水害防治 工作提供了可靠的依据。通过水化学分
析得到如下结论：
1.河水、水库水 、第四系孔隙水和岩溶水的水化学类型基本一致可说明，它
们之间存在明显的水力联系。即河水，水库水 主要通过灰岩裸露区以渗漏形式补
给寒武系和石炭系灰岩岩溶水，第四系孔隙水主要以泉的形式补给岩溶 水。岩溶

水为矿井的主要充水含水层，是矿井水防治的主要对象。
2.砂岩裂隙水的水化学特征明显与其余几种水的水化学特征不同，说明与其
他水没有水力联系。主要以 顶板淋水或滴水形式进入矿井，水量有限，因此对矿
井的充水意义不是很大。
值得说明的是矿井水文地质规律的分析和认识是矿井防治水的基础，因此对
矿井水文地质规律的分析需要 多种科学的方法进行综合研究。水文地球化学方法
只有和其他方法结合起来，才能更加明确的认识矿井水 文地质规律。

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作者简介：
刘守仁（1962— ）男，河南临颍县人，河南平顶山天安煤业股份公司朝 川矿地测科科长、
助理工程师，主要从事地质、矿井水害防治工作。