【摘 要】
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矿井地下水作为煤炭开采过程中不可忽视的重要一环,既是一种隐患,也是一种资源。因此,研究在煤矿开采过程中地下水动态特征,以及确定使其发生变化的影响因素,对解决矿井水害和合理利用地下水资源都有着重要的意义。本文以淮北煤田的五沟煤矿为例,通过数理统计和可视化该区水位与水化学数据,探讨了五沟煤矿自建井以来水位在时间和空间上的变化规律,以及该区水化学离子含量和空间分布等特征。并进一步对五沟煤矿地下水水位的影
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矿井地下水作为煤炭开采过程中不可忽视的重要一环,既是一种隐患,也是一种资源。因此,研究在煤矿开采过程中地下水动态特征,以及确定使其发生变化的影响因素,对解决矿井水害和合理利用地下水资源都有着重要的意义。本文以淮北煤田的五沟煤矿为例,通过数理统计和可视化该区水位与水化学数据,探讨了五沟煤矿自建井以来水位在时间和空间上的变化规律,以及该区水化学离子含量和空间分布等特征。并进一步对五沟煤矿地下水水位的影响因素和水化学作用进行了探讨,其中前者基于随机森林模型和层次分析法,后者藉以离子活度比、主成分分析以及反向水化学模拟。主要得出下列结论:（1）地下水水位特征方面。自建井以来,五沟煤矿三含水位先升后降最后稳定,总体变化幅度小,受采矿影响弱。四含水位早期受到采矿活动影响小,但相对不稳定,随着部分采空区出水,致使四含水位在中期降幅迅猛,于近两年维持在较低水平。太灰和奥灰水位前期在小范围内呈现频繁不规律的上下波动,在采矿后期均趋于稳定。各含水层水位空间分布上,由早期的四含水东部水位>西北部水位演变为后期的南部水位>北部水位,呈现出围绕一二采区范围附近降幅大,其他区域降幅度小的漏斗型分布。太灰水位整体出现下降,但水位在空间关系变化小,且与采矿活动区相反。奥灰水位在空间上变化不明显。（2）水化学特征方面。TDS随着埋藏深度加大,呈较为明显的递增趋势。研究区内,各含水层阳离子大小关系均是Na+>Ca2+>Mg2+。阴离子里,四含水含量关系为HCO3->SO42->Cl-,煤系水则是SO42->HCO3->Cl-,太灰与奥灰水为SO42>Cl->HCO3-,各含水层离子含量均存在小幅差异。来源方面,Cl-主要为盐岩溶解。Na+为盐岩溶解和阳离子吸附,以及其他潜在碱性矿物溶解。碳酸盐与硫酸盐矿物的溶解充当了 Ca2+、Mg2+的主要来源,但阳离子吸附与脱硫酸等作用的存在,使钙镁离子在不同程度上得以消耗,并导致二者活度减少。HCO3-来源较为丰富,但主要为围岩矿物的溶解。SO42-除一般硫酸盐矿物溶解外,受人为影响导致黄铁矿氧化,在煤系、太灰水中含量丰富。（3）确定了各含水层水位的影响因子,并基于各因子特点划分为定量影响因素及定性影响因素。利用层次分析法对定性因素进行了分析,结果表明地质构造、矿区疏放水和注浆封孔的权重分别为0.3553、0.2843和0.1421,是影响矿区水位的主要因素。采用随机森林建模对7个量化因子进行分析,其中对四含水位造成影响最大的分别是矿井平均涌水量、单位采空面积和矿井开拓长度,而对灰岩含水层水位造成影响的主要是单位采空面积和开采最低标高。由于构造因素占比最高,对其进行了单独分析,确定出向斜和断层分别对四含、煤系含水层影响较大,太灰和奥灰受构造影响相对较小。（4）确定了地下水水化学形成作用。四含水倾向于“脱硫酸”横轴,但总体稳定;煤系水更偏向于“硬化”作用,太灰水亦倾向于“脱硫酸”作用。“咸化”作用贯穿于整个地下水水化学作用过程中。研究区内四含水与太灰水中的化学成分均是以方解石、白云石、硬石膏等沉积岩黏土矿物为主导的水岩作用所形成,但作用强度上存在一定差异。随着埋藏深度增大以及受采矿活动影响,太灰含水层地下水中SO42-含量增加,Ca2+、Mg2+析出,水体不断浓缩,并伴随着盐岩溶解及阳离子交替吸附,使得其最终演变成Cl-Na主导的高矿化度水。图[38]表[8]参[81]
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