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第 48 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.1 2020 年 2 月 COAL GEOLOGY cation exchange and desulfurization in the south region are stronger than that in the north area; while oxidation of pyrite and dissolution of salt rock in the north area is more obvious than those in the south area; there are significant differences in the hydrochemical environment and water-rock interaction between the two areas. It is inferred that fault F104 has a preferably water-resistance, and affects the oxidation-reduction environment and temperature differences of the two areas, which controlling the direction of groundwater runoff and the degree of water-rock interaction. Keywords transmissivity-impermeability of faults; karst groundwater; water-rock interaction; reverse simulation of hy- drochemistry; Gubei coal mine; Huainan coalfield; North China type coalfield ChaoXing 130 煤田地质与勘探 第 48 卷 淮南煤田位于我国华北煤田南缘，为一隐伏式 煤田，其深部岩溶较为发育，石炭系、奥陶系和寒 武系岩溶水富水性强，由于受多期地质构造作用， 与上部煤系存在一定的水力联系。目前，二叠系下 部 A 组煤开采深受岩溶水害威胁[1-2]， 其中 1 号煤是 直接受影响煤层。因此，查清诸如陷落柱、裂隙、 断层等导水通道及其性质，对于岩溶水害防治至关 重要。目前，判断断层、裂隙等的导隔水性主要有 地质条件综合分析[3-4]，抽、放水试验[5-7]、地球物 理勘探[8-9]、 水文地球化学特征分析[10-12]等方法。 其中， 利用水化学信息判断断层导隔水性，多从水化学类型 对比、 水化学时空变化等角度开展研究。 王广才等[10]、 张胜军等[11]、崔芳鹏等[12]从水化学特征、水环境同位 素特征入手，并未深入研究其化学组分来源差异性及 定量分析径流路径上矿物转移的差异性。从水文地球 化学特征及其反向模拟视角，探讨岩溶地下水与地质 构造关系，即断层导隔水性质，分析断层构造与地下 水流之间的内在联系目前尚处于探索阶段。 为此，笔者结合淮南顾北矿井下放水试验，以 F104断层两侧所采集的 51 个岩溶水样为对象，采用 Piper 三线图、离子组合比和主成分分析等方法，分 析了 F104断层两侧岩溶水主要化学组分变化特征， 探讨水文地球化学演化过程中的水-岩作用[13]，分 析岩溶水的潜在来源和循环路径[14]，并采用反向水 化学模拟， 定量分析断层两侧渗流路径上水-岩作用 差异性， 为判识 F104断层导隔水性提供了重要佐证， 为岩溶水害防治提供了可靠依据。 1 研究区地质概况 顾北矿位于淮南煤田中部的顾桂地区、陈桥背斜 东 翼 与 潘 集 背 斜 西 部 的 衔 接 带 。 地 层 走 向 为 N10EN60W，倾向为 S80ES30E，倾角为 515，且倾角从浅部至深部逐渐减小，井田内主要 构造多为平移–正断层。其中，F86为矿井北部边界断 层， 走向 NEE， 倾向 SE， 倾角 3055， 落差 076 m； F211为矿井南部边界断层，走向 NW，倾向 SW，倾角 5070， 落差 063 m。F104F104-1断层组为井田中部 的逆断层，横穿整个井田，其中，F104走向 NW，倾 向 SW， 倾角 6575， 落差 0130 m； F104-1走向 NW， 倾向 NE，倾角 5560，落差 060 m，见图 1a。 此外，F211、F109等断层靠近井田边缘，距矿井 中部采区较远， 根据以往井下勘探和试验分析可知， 其对研究区范围影响较小。F100、SF83等断层延伸距 离短且落差很小， 对整个研究区作用微弱。 断层 F104 位于井田中部，横穿井田，落差大，延伸广，将矿 区分割成南北两个大的采区块段，由于受多期构造 地质作用，其导、隔水性不明，判识 F104断层导隔 水性对矿井安全开采至关重要。 顾北矿从上到下主要发育新生界松散砂岩孔隙 含水层、 二叠系煤系砂岩裂隙含水层和石炭–二叠系 太原组及奥陶系碳酸岩岩溶含水层。其中，石炭– 二叠系太原组岩溶裂隙含水层主要以灰岩为主，并 夹泥岩、砂岩和薄煤层；奥陶系含水层为厚层状白 云质灰岩及灰质白云岩，顶部为石炭系本溪组的灰 绿色铝质泥岩图 1b。由矿区水文地质勘探及井下 疏放水试验可知，太原组灰岩水是 1 号煤层底板直 接充水水源，尤其是 1 号煤层与灰岩含水层对接位 置，断层往往是其突水的直接通道。下部富水性强、 高水压的奥陶系岩溶水，可通过导水断层或岩溶陷 落柱与太原组灰岩含水层发生水力联系，常构成对 1 号煤层开采中的严重威胁。所以，F104断层导隔水 性程度大小，是整个井下采区布置方案及井下排水 系统合理布设的关键控制因素。 2 水样采集与测试方法 为了分析 F104断层两侧水化学特征差异性，从 宏观上研究两盘水化学差异性的控制因素及其形成 机制，本文所采集样品来自于顾北矿 F104断层两盘 1 号煤层下部的太原组灰岩含水层，共 51 个，其中 上盘区又称“南区”水样 26 个， 下盘区又称“北区” 水样 25 个。南区采样点主要位于南一采区附近，北 区采样点主要位于北一采区附近，其采样点位置如 图 1a 所示。依据矿井水特征离子，样品测试主要为 阴阳离子，其中，阳离子为 K，Na，Ca2，Mg2 等，阴离子为 CO 2– 3、HCO – 3、Cl–、SO 2– 4等，此外还 测试了 pH、TDS 等。由于 K含量少且与 Na化学 性质相似，因此与 Na合并。所采取的测试方法为 CO 2– 3和 HCO – 3用酸碱滴定法；Cl–和 SO 2– 4用离子色谱 法；Ca2和 Mg2用 EDTA 滴定法；KNa用火焰原子 吸附分光光度法；pH 值、TDS 等指标均在现场测定。 3 结果与讨论 断层两盘岩溶水组分差异取决于不同形成作用 和地下水所处环境，诸如氧化与还原环境、温度场 及地下水流场等。本次采样点同一盘平均深度约为 –630 m，多数水样来自–550–650 m 深度，其变化 范围对于水化学特征影响较小，这为在 F104断层两 盘岩溶水化学特征分析的基础上，采用特征离子组 合比、主成分分析、水化学反向模拟等判识 F104断 层导隔水性提供了前提条件。 ChaoXing 第 1 期 郑竹艳等 淮南顾北矿 F104断层两侧岩溶水化学形成机制及导隔水性评价 131 图 1 顾北矿基岩地质水文地质图 Fig.1 Geological and hydrogeological map of bedrock in Gubei coal mine 3.1 岩溶水化学特征 利用 SPPS对 F104上下盘南北区岩溶水化学组 分进行统计，其结果见表 1。结果发现南区岩溶 水 pH 值平均为 9.04，北区 pH 值平均为 9.07，两区 水环境整体偏碱性； 但南区岩溶水中的 KNa、 Cl–、 HCO – 3、CO 2– 3含量要高于北区，而北区岩溶水中的 Ca2、 Mg2、 SO 2– 4含量要高于南区。 南区水样中 Ca2、 Mg2、CO 2– 3、SO 2– 4变异系数较大，北区水样中 Ca2、 CO 2– 3变异系数较大，表明了上述离子在 F104两侧分 布相对不均匀，反映了断层两侧地下水环境存在差异。 根据采集测试的南北两区太原组灰岩水简称 “太灰水”常规离子组分， 绘制其 Piper 三线图图 2。 其中，南区太灰水水化学类型主要为 ClHCO3– NaK，其次为 Cl–NaK 和 ClSO4–NaK；而北区 主要以 Cl–NaK 和 ClSO4–NaK 为主，其次为 ClHCO3–NaK。 3.2 岩溶水形成机制 3.2.1 离子组合比分析 水文地球化学演化受多种因素控制，离子组合 比分析是地下水演化物质来源的一种有效手段，往 往用来分析水化学成分形成作用及其离子来源[15]。 为考察 F104断层南北两区岩溶水演化过程中主要水 化学作用，采用该方法，绘制相关图件，分析其作 用过程图 3。 一般情况下，可以利用地下水中 Mg2与 Ca2 的摩尔比值，即 nMg2/nCa2识别地下水所流经 含水层岩性当地下水流经灰岩含水层时，地下水 中 nMg2/nCa2介于 0.010.26；流经白云岩含水 ChaoXing 132 煤田地质与勘探 第 48 卷 表 1 F104断层两盘岩溶水化学组分统计 Table 1 Statistical analysis of hydrochemical components of karst water in two walls of fault F104 断层上盘南区 断层下盘北区 指标 质量浓度/mgL–1 标准差 变异系数质量浓度/mgL–1 标准差 变异系数 Ca2 1.60258.20/22.34 47.85 2.14 16.02941.90/126.63 230.75 1.82 Mg2 0.0019.92/5.72 5.58 0.98 1.2138.67/14.65 9.39 0.64 KNa 262.751 317.71/955.89 254.43 0.27 55.521 057.92/737.05 271.29 0.37 CO 2– 3 0.00198.04/44.31 53.49 1.21 0.00130.54/32.27 41.89 1.30 HCO – 3 41.601 884.04/674.37 422.18 0.63 23.77928.68/314.37 173.61 0.55 Cl– 135.261 212.39/877.20 266.79 0.30 12.301 182.31/780.63 360.52 0.46 SO 2– 4 7.68518.72/149.38 152.49 1.02 99.45632.63/287.18 147.80 0.51 pH 7.6012.00/9.04 1.02 0.11 7.8212.78/9.07 1.26 0.14 TDS 980.003 267.99/2 347.84 559.68 0.24 354.003 871.50/2 117.01 759.35 0.36 注pH 无量纲；1.60258.20/22.34 表示最小值最大值/平均值，其他数据同。 图 2 F104两侧岩溶水 Piper 三线图单位 Fig.2 Piper trilinear diagram of karst water on both sides of fault F104 层时，地下水中 nMg2/nCa2＞0.85[16]。从图 3a 可以看出，岩溶水样以方解石溶解、方解石和白云 石共同溶解为主。岩溶水中 Ca2、Mg2、HCO – 3的来 源与含水层中方解石、白云石矿物溶解沉淀过程密 切相关，该溶解沉淀方程为 CaCO3CO2H2O ■■ → ←■ ■Ca22HCO – 3 1 CaMgCO322CO22H2O ■■ → ←■ ■Ca2Mg24HCO – 32 CaCO3CaMgCO323CO23H2O ■■ → ←■ ■ 2Ca2Mg26HCO – 3 3 自然界中，地下水中的 Cl–相对稳定，一般用 Na与 Cl–的毫克当量比值，即 ρNa/ρCl–比值反 映 Na的来源，岩盐溶解生成的 ρNa/ρCl–1。由 图 3b 可以看出，所有水样的 ρNa/ρCl–＞1，说 明岩盐溶解不是顾北矿岩溶水中 Na的唯一来源。 由于 Ca2、 Mg2吸附于岩层颗粒表面能力大于 Na， 当含有 Ca2、 Mg2的岩溶水流经含有 Na的岩层时， 将发生阳离子交换吸附作用， 从而使得 TDS 增加过 程中 Na的富集。当 TDS 大于 2 000 mg/L 时，南区 水样绝大多数都落在北区水样上方，说明南区太灰 含水层阳离子交换吸附作用相对北区较强，其作用 方程为 2Na岩Ca2水 ■■ → ←■ ■2Na水Ca2岩 4 2Na岩Mg2水 ■■ → ←■ ■2Na水Mg2岩 5 自然界中 Ca2、Mg2主要来源于碳酸岩、硫酸 岩溶解，则有[ρCa2ρMg2]/[ρSO 2– 40.5ρHCO – 3] 1[17]。由图 3c 可以看出，几乎所有岩溶水样都落在 [ρCa2ρMg2]/[ρSO 2– 40.5ρHCO – 3]1 线的下 方，推断碳酸岩与硫酸岩的溶解不是太灰水 Ca2、 Mg2唯一来源，势必有其他来源，间接说明上述阳 离子交换吸附作用存在合理性。南区水样绝大多 数都落在北区水样下方，说明南区太灰含水层阳 离子交换吸附作用相对北区较强，这与图 3b 分析 结果一致。 当[ρCa2ρMg2]/ρSO 2– 4＜1 时， SO 2– 4可能来源 于黄铁矿氧化[17]。由图 3d 可看出，大多数岩溶水样 都落在[ρCa2ρMg2]/ρSO 2– 41 线的下方，且通过 统计矿井资料发现，区内硫酸岩含量较少而黄铁矿偏 多，因此，SO 2– 4主要来源于黄铁矿氧化。发生黄铁矿 氧化的北区水样较南区偏多，说明北区太灰含水层的 黄铁矿氧化作用强于南区，其作用方程为 4FeS215O214H2O ■■ → ←■ ■4FeOH38SO 2– 416H 6 当 Ca2、Mg2与 HCO – 3主要来源于碳酸岩盐溶 解时，[ρCa2ρMg2]/0.5ρHCO – 31；而当 HCO – 3来 源于脱硫酸作用时，[ρCa2ρMg2/0.5 ρHCO – 3＜ 1[17]。由图 3e 可看出，南区水样几乎全部落在 [ρCa2ρMg2]/0.5ρHCO – 31 线的下方，说明南 区太灰含水层的脱硫酸作用较明显；北区水样大多 数落在[ρCa2ρMg2]/0.5 ρHCO – 31 线附近，说 ChaoXing 第 1 期 郑竹艳等 淮南顾北矿 F104断层两侧岩溶水化学形成机制及导隔水性评价 133 明北区太灰含水层 Ca2、Mg2与 HCO – 3主要来源于 碳酸岩盐的溶解。 脱硫酸作用常发生于还原环境中， 其反应方程为 SO 2– 42C2H2O ■■ → ←■ ■H2S2HCO – 3 7 一般可用 ρHCO – 3–[ρSO 2– 4ρCl–]散点图确定 碳酸岩溶解与岩盐溶解[18]。 图 3f 中的岩溶水样几乎 都位于 ρHCO – 3/[ρSO 2– 4ρCl–]1 线的附近及下 方，说明太灰含水层主要有岩盐和碳酸岩的共同溶 解。北区水样大多数落在南区水样的下方，说明北 区太灰含水层的岩盐溶解相对南区较强烈。 图 3 F104两侧岩溶水主要离子组分比关系 Fig.3 Main ion components proportion of karst water on both sides of fault F104 3.2.2 主成分分析 岩溶地下水离子贡献大小常采用主成分分析法 获得，该方法是在保证数据信息丢失最少原则下， 利用降维原理，把多个分析变量转化为少数几个综 合变量即主成分的一种多元统计方法[19]。采用该 方法对 51 个岩溶水样中的 KNa、Ca2、Mg2、 CO 2– 3、HCO – 3、Cl–、SO 2– 4等特征离子进行分析，结 果发现其特征值大于 1.5 的两个主成分F1、F2，主 成分 F1、F2 的方差贡献率依次为 39.498、 21.515，累计贡献率达到 62，能够较全面地解 释主要水–岩作用，2 个主成分的旋转因子载荷见 图 4 所示。 根据前文离子组合比分析可知主成分 F1 上 Mg2、SO 2– 4因子载荷高与少量硫酸岩溶解及黄铁矿 氧化作用有关；主成分 F2 上 Na因子载荷高与阳离 子交换吸附作用有关，而 Cl–在地下水中常与 Na伴 ChaoXing 134 煤田地质与勘探 第 48 卷 生相累积，浓度随之增加，岩溶水表现出“咸化”特 征；HCO – 3在主成分 F2 上的因子载荷较高与脱硫酸 作用有关。 因此， F1 代表硫酸盐溶解与黄铁矿氧化， F2 代表阳离子交换吸附及脱硫酸作用。由岩溶水样 的主成分 F1 得分-主成分 F2 得分散点图图 5分析 发现F104一侧北区浅部地下水中的黄铁矿氧化作 用较南区强烈，而 F104另一侧南区阳离子交换吸附 及脱硫酸作用较北区明显，这与前文离子组合比分 析得出结果相一致。 通过以上对 F104断层两侧岩溶水组分特征及其 性质分析可知， 南北两区地下水所处的水环境及水- 岩相互作用程度均存在差异，反映了地下水在流动 过程中遇到了阻碍，使得上下盘成为两个独立的构 造小单元，从而间接推断出 F104断层具有较好的阻 水性能。 图 4 常规离子因子载荷 Fig.4 Diagram of conventional ions factor loading 图 5 岩溶水主成分荷载得分 Fig.5 Diagram of the principal component loading scores of karst water 3.2.3 反向水文地球化学模拟分析 水-岩相互作用模拟分为正向和反向水文地球 化学模拟[20]，其反向模拟依据地下水中化学平衡反 应质量守恒原理，可定量计算出渗流路径上各矿物 转化量[21]。依此，由太原组碳酸盐岩露头区沿岩溶含 水层地下水流动方向，选择 4 条模拟路径进行研究。 a. 模拟路径选择 F104横穿井田，据前文分析其具有较好的阻水 性能，结合研究区水文地质条件可知，断层两盘上 方均覆盖较厚的隔水层，与基岩面上方新生界松散 含水层系统之间不发生水力联系。因而断层 F104将 矿区分割成南北两个相对独立的含水系统，岩溶水 主要是在断层两盘含水层中做顺层运动。由于下部 巷道对太原组疏放水的影响[22]，断层两盘岩溶地下 水在一定水头压力下自太原组碳酸盐岩露头区向下 沿含水层倾斜方向发生径流，中间为采区放水试验 的疏水巷道，即地下水排泄点。根据水样点位置及 地下水流向，选择 4 条地下水径流路径进行反向水 化学模拟，如图 6 所示路径 1 与路径 2 位于南区， 分别沿 S7→S16→S25 线和 S6→S17 线； 路径 3 与 4 位 于北区，分别沿 N16→N19→N22 线和 N15→N21 线。 b. “可能反应相”确定 确定沿渗流路径发生的化学反应取决于“可能 反应相”选取，它是建立水-岩作用质量平衡模型的 关键[23-24]。依前面分析可知，岩溶水含水层中发生 了方解石、白云石、岩盐的溶滤作用、阳离子交换 吸附作用、黄铁矿氧化、脱硫酸作用等。根据反应 方程式可知， 阳离子交换吸附可用 NaX、 CaX2表示； 黄铁矿氧化可用 FeS2、FeOH3、O2表示；脱硫酸 作用可用 CO2、H2S 表示。 因而， 研究区岩溶水中“可能反应相”为方解石、 白云石、岩盐、NaX、CaX2、FeS2、FeOH3、O2、 CO2、H2S 等。 c. 模拟结果分析 岩溶水中化学组分质量平衡反应模型是研究 F104断层两盘地下水径流过程中水–岩相互作用的 重要方法，它不仅可以计算上述 4 条模拟路径上矿 物反应物和生成物的数量，还能解释地下水水质的 变化规律[24]。应用 PHREEQC 软件对 4 条渗流路径 进行质量平衡模拟，其结果如表 2 所示，具体分析 如下。 S7→S16，发生了方解石溶解、阳离子交换、黄 铁矿氧化作用等；S16→S25，发生了方解石溶解、 白云石和岩盐沉淀、阳离子交换、脱硫酸作用等。 N16→N19， 发生了方解石与白云石溶解、 岩盐沉淀、 阳离子交换、黄铁矿氧化等；N19→N22，发生了方 解石和白云石沉淀、黄铁矿氧化、阳离子交换作用 等。即沿着地下水径流方向，水岩相互作用充分， 方解石、白云石、岩盐趋于饱和，发生沉淀；基岩 露头区有利于黄铁矿氧化的发生，随着径流路径向 深部延伸，地下水由氧化环境转移至偏还原环境， 从而发生了脱硫酸作用。 ChaoXing 第 1 期 郑竹艳等 淮南顾北矿 F104断层两侧岩溶水化学形成机制及导隔水性评价 135 图 6 水流方向与渗流路径布设 Fig.6 Diagram of flow direction and seepage paths 反向模拟结果表明4 条路径上均表现出沿着 地下水径流方向上发生了方解石、白云石的溶解和 沉淀，但以方解石溶解为主；F104一侧南区水流路 径上阳离子交换吸附转移量明显多于北区，并且南 区水流路径上有 H2S 气体生成，反映了脱硫酸作用 存在；北区水流路径上岩盐溶解量明显大于南区岩 盐溶解量；黄铁矿氧化的矿物转移量北区明显多于 南区，这些结果均与前文分析结果吻合。 根据矿井资料，对井下太原组灰岩含水层开展 放水试验发现，研究区被 F104断层分为南北两个独 立构造单元，其地下水流系统存在一定的差异性， 平面上形成两个相对独立的含水系统[25]。 从图 6 可看出，F104断层两侧岩溶地下水从露头 区沿径流方向上，其温度随深度增加而逐渐增大，温 度在沿途路径上的变化控制了离子溶解、交换及反应 速度，加上氧化-还原环境及地下水流场等因素，共 同影响了 F104断层两盘径流方向上的水-岩相互作用 程度，从而决定了南北两区离子组分的差异性。 表 2 沿不同路径反向水文地球化学模拟矿物转移量 Table 2 Mineral transation of reverse hydrogeochemical simulation along different paths 单位mmol/L 路径1 路径2 路径3 路径4 反应相 S7→S16 S16→S25 S6→S17 N16→N19 N19→N22 N15→N21 calcite方解石 2.880 3.038 1.188 2.138 –1.956 1.992 dolomite白云石 –0.481 0.803 0.221 –0.080 26 –0.601 halite岩盐 –3.910 4.748 –4.253 20.340 NaX 6.560 5.917 2.635 4.373 –4.474 2.639 CaX2 –3.280 –2.958 –1.018 –2.187 2.237 –1.319 pyite黄铁矿 0.517 0.786 0.683 0.458 FeOH3 –0.517 –0.786 –0.683 –0.458 O2 1.939 –6.179 –6.295 2.946 –3.686 1.718 CO2 3.433 –7.290 7.923 2.638 –3.31 H2S –3.090 –3.148 注负值表示沉淀；正值表示溶解；“”表示未参与反应；H2S 为负值，表示从地下水中逸出，生成 H2S 气体。 ChaoXing 136 煤田地质与勘探 第 48 卷 4 结 论 a. 淮南煤田顾北矿 F104断层上盘区南区岩溶 水 水 化 学 类 型 主 要 为 ClHCO3–NaK， 其 次 为 Cl–NaK 和 ClSO4–NaK；而下盘区北区主要以 Cl–NaK 和 ClSO4–NaK 为主，其次为 ClHCO3– NaK。 b. 研究区F104断层两侧地下水所处化学环境 及水-岩作用均有差异， 南北两区岩溶水均存在方解 石和白云石的溶解和沉淀，但南区阳离子交换吸附 和脱硫酸作用较北区稍明显，而北区黄铁矿氧化和 岩盐溶解较南区稍强烈，反映了断层两侧地下水沿 途流动过程中受断层带阻隔， 且向下径流条件变差。 c. 水文地球化学反向模拟不仅揭示了断层两 侧沿地下水径流方向发生了方解石和白云石的溶解 沉淀现象，且反映了沿途路径上阳离子交换吸附转 移量、黄铁矿氧化矿物转移量、H2S 气体生成量、 岩盐溶解量等差异性，进一步验证 F104断层有一定 阻水性。 d. 因为 F104断层存在， 影响了顾北矿南北两区 氧化-还原环境及温度场和渗流场的变化， 从而控制 着地下水径流方向和水-岩作用程度。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 黄晖，蒋法文，韩必武，等. 淮南矿区 A 组煤层底板灰岩钻 孔瓦斯喷孔综合探查分析[J]. 煤炭学报，2013，3811 1988–1992. 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