摘要
岩溶水害是威胁我国华北型煤田深部开采的重大灾害之一。淮南煤田位于华北煤田南缘,其二叠系煤层下伏的石炭系上统、奥陶系下统和寒武系中上统岩溶较为发育,岩溶水具有水压高、流量大、流速迅猛等特征。随着煤炭开采不断向深部延伸,岩溶突水概率增大,造成了巨大的财产损失;而另一方面,在水资源贫乏的华北地区,岩溶水又是重要的供水水源。深部岩溶水赋存规律、水文地球化学特征及成因机制研究尚不完全清楚,因此,开展上述研究对于解决矿山安全开采和水资源开发与保护,具有十分重要的意义。本文以淮南煤田岩溶地下水为研究对象,采集了区内567件碳酸盐岩样品,进行了岩矿鉴定和化学成分分析,查明了不同岩相碳酸盐岩的化学组分、微观结构、岩溶发育特点和含水介质组合特征,阐明了淮南煤田区域岩溶地质条件;先后开展了4次地面抽水试验、9次井下放水试验和5次连通试验,分析了从浅部岩溶露头至深部岩溶地下水的赋存状况与补径排条件,研究了岩溶地下水的渗流场特征,获得了水流子系统空间分布规律;采集了水文地质试验孔和井下出水点的岩溶水样品共1267件,进行了水化学组分测试及多元统计分析,计算了岩溶水的循环深度及混合比例,模拟了 7条水化学反应路径及6种温压下的水文地球化学作用过程,探讨了岩溶含水层水文地球化学特征及成因机制,主要成果为:(1)淮南煤田碳酸盐岩的矿物成分与化学成分极为复杂,方解石与白云石的比例为3:1。铁主要以类质同像的方式取代镁而富集于白云石中成为铁白云石;硅富集形成硅质条带,并出现无定形结构蛋白石向玉髓转变的现象。岩石溶蚀、硅化等现象表明区内碳酸盐岩沉积后期遭受的热液作用、交代作用以及重结晶作用较为强烈,加之表生作用中的风化剥蚀作用,大大促进了本区岩溶的发育。岩溶发育强度顺序为:新庄孜>潘集>谢桥>张集>刘庄>口孜集。(2)淮南煤田NWW向构造裂隙及层间裂隙是岩溶地下水的主要径流通道。区域岩溶地下水流系统边界均为阻水断裂,分别为北界的刘府断裂、南界的颍上-定远断裂、东界的新城口-长丰断裂和西界的口孜集-南照集断裂;中间水流系统边界为煤田边缘的尚塘-明龙山断层、阜凤断层、舜耕山断层、阜李断层和山王集断层,其内的明龙山、上窑山、舜耕山和八公山碳酸盐岩出露,为岩溶水的补给区域;局部水流系统由煤田内部的NWW向中小型导水断层组成,在区内成雁型排列,是岩溶水的主要运移通道。(3)淮南煤田岩溶地下水pH值介于7.11至11.65之间,均值为8.41,属于弱碱性水;水温介于28℃至46℃之间,均值为31℃,属于低温热水。水化学类型由东向西呈HCO3·SO4→SO4·Cl→Cl的演化规律,由南向北呈HCO3→SO4·HCO3→SO4·Cl的演化规律;TDS由东南和西北向中部逐渐变大,表明南部和东部岩溶水处于强径流,而中部地带处于弱径流-滞留区。整个井田区域,岩溶水从西南向东北分别发育补给区、径流区、滞留区和排泄区。R型因子分析结果表明,太灰水和奥灰水各自提取的5个主成分能解释原始变量信息的87.24%和83.85%,因子得分占比最大的是浓缩作用因子,其次是溶滤作用因子,再次是混合作用因子,这表明,人类大规模集中疏排岩溶水行为导致的混合作用在控制岩溶水化学成分上逐渐占据重要地位。(4)微量元素Cr、Co、Cu、As反映了岩溶水以溶滤作用为主,Mn、Zr、Sb反映了岩溶水接受了浅部入渗补给,Li、V、Cr、Mn、Ni、As代表岩溶水受到深部热水的补给;煤田中部的δD与δ18O的含量都远低于大气降水中的含量,推测该区岩溶水是古溶滤-远程入渗补给水;T含量的区间值为1.03~5.89TU,小于6TU,说明岩溶水的年龄超过了 70a,近期的降水补给较为贫乏,处于相对较为封闭的环境中,构造开启程度较差,为古溶滤水。(5)利用SiO2化学温标,结合岩溶水的水温及地温梯度,估算出淮南煤田岩溶水的循环深度范围为-800~-2100m,其中丁集矿区岩溶水循环深度为-2065m,反映出岩溶地下水沿导水断裂构造参与了深部水循环,由西部和东部向中部径流,沿程经过深循环增温后,再向浅部运移。CO2分压模拟试验表明:在-900~-1200m的深部碳酸盐岩地层中,将出现深部热水的高溶解性,导致深部碳酸盐岩溶解和二次沉淀。(6)由溶沉平衡计算得出:岩溶水中石膏与岩盐的饱和指数最大值分别为-1.43和-3.92,均处于溶解状态。方解石饱和指数在区内变化具有一定的规律:东南部小于-0.85,处于补给区;中部有最大值为1.48,处于滞留区或排泄区;西部在[-0.20,0.20]之间,处于径流区。由于受采矿对岩溶水疏放影响,导致潘二矿区深部不同岩溶含水层中的水发生混合,水岩作用短期内达不到平衡状态。(7)由混合比例计算得出:张集太灰水2号水样由22.48%的浅部煤系水混合而成,谢桥奥灰水1号水样由66.15%的浅部太灰水混合而来,谢桥奥灰水2号水样由25.96%的浅部太灰水混合而成;潘北太灰水2号水样由45.72%的深部奥灰水混合,潘北奥灰水4号水样由60%的深部寒灰水混合,潘二奥灰水2号水样由22.35%的深部寒灰水混合形成;据此推测,谢桥比张集的浅部垂向径流强度大,潘北比潘二的深部垂向径流强度大。(8)由岩溶水反向路径模拟计算得出:煤田东部主要发生溶滤作用以及黄铁矿的氧化作用;西部发生了溶滤作用与阳离子交替吸附作用;中部因持续抽放岩溶水,主要发生了混合作用、脱硫酸作用及浓缩作用。据此推测东部属于开放体系,西部属于半开放体系,中部属于近封闭体系。(9)依据岩溶地下水动态和水文地球化学特征,建立了“入渗-径流型”“入渗-开采型”“径流-滞留型”和“径流-开采型”等四种岩溶地下水形成模式。依据岩溶地下水流系统和水化学系统,将淮南煤田划分为三个区域水文地质单元,进而划分出六个中间水文地质单元,分别为“入渗-补给区”“径流区”“径流-补给区”“弱径流区”“汇流-开采区”和“深循环区”。图[49]表[28]参[184]