华北隐伏型煤矿深部含水层补给源水化学与同位素示踪.pdf

收稿日期收稿日期 2012-10-09； 修订日期修订日期 2013-03-15 基金项目基金项目 国家自然科学基金面上项目41173106、 安徽省自然科学基金项目 （1308085ME61） 资助。 作者简介作者简介 陈陆望1973-， 男， 湖北蕲春人， 博士， 副教授， 主要从事水文地球化学研究。E-mailluwangchen8888 华北隐伏型煤矿深部含水层补给源水化学 与同位素示踪 陈陆望， 殷晓曦， 刘鑫 （合肥工业大学资源与环境工程学院， 安徽 合肥 230009） 摘要摘要 为了阐明华北隐伏型煤矿深部含水层补给条件， 以淮北煤田临涣矿区任楼煤矿为例， 采用水化学系统聚类 分析与氢氧同位素示踪技术， 结合采矿活动影响， 分析与探讨煤矿深部含水层中的地下水补给源及其变化机 制。研究表明 矿区深层地下水形成机制为大气降水直接但不均匀入渗、 滞留入渗以及古地下水混合。矿区深 层地下水当总溶解固体 （TDS） 小于1 000 mg/L时， 氢氧稳定同位素组成 （δ值） 随着TDS的增大而减小； 当TDS大 于1 000 mg/L时， δ值在平均值线附近。矿区深层地下水平均δD与δ18O分别为-67.4‰与-8.68‰， 小于大气降水 年平均δD与δ18O （δD-52.4‰， δ18O-7.80‰） 。在未经采矿活动影响下， 矿区深层地下水主要来源于大气降水 直接但不均匀入渗补给形成的； 经采矿活动影响后深部含水层长期向采空区充水， 原地下水循环条件已被打破， 在补给区水力交替加快， 滞留于地表或土壤层的大气降水补给深部含水层。 关关键键词词 隐伏型煤矿； 水化学； 同位素； 深层地下水； 补给源 中图分类号中图分类号 P641.3文献标识码文献标识码 A文章编号文章编号 1000-0690201306-0755-08 华北隐伏型煤矿是存在不同程度水力联系的 若干含水层组成的复杂地下水系统， 它的水文地质 条件极为复杂。近年来， 华北隐伏型煤矿已发生多 起重大突水淹井事故， 已造成重大人员伤亡和经济 损失[1]。华北隐伏型煤矿地下水系统的复杂性、 隐 蔽性给全面认识地下水系统特征带来困难。同位 素与水化学方法的有机结合， 使研究者能够把大 气水-地表水-地下水视为统一的 “系统” [2]， 定量或 定性评价地下水的流动与运移规律[3]。学者一般 基于常规水化学指标 （NaK、 Ca2、 Mg2、 HCO3-、 Cl-、 SO42-、 CO32-等） 与环境同位素 （D、 18O、13C、14C 等） ， 分析地下水化学与地下水动力的变化关系， 从而建立区域地下水化学动力学模型， 为地下水 成因、 补给来源和水力联系等提供了强有力的手 段[47]。本文以华北隐伏型煤矿淮北煤田临涣 矿区任楼煤矿为研究示范， 采用水化学系统聚类 分析与氢氧同位素示踪技术， 考虑自建井以来的 人类活动影响， 分析任楼煤矿主要充水含水层地 下水水化学演化规律及其补给机制， 为煤矿水资 源保护与利用以及水害防治奠定基础。 1 1研究区地质背景 临涣矿区 （见图1内方框围限的区域） 位于中国 典型华北隐伏型煤田淮北煤田中西部， 与宿县 矿区相邻， 主要包括任楼、 临涣、 海孜、 童亭、 许疃、 五沟等生产矿井。矿区年平均气温为1415℃， 年降 水量为750900 mm， 年蒸发量为8001 300 mm[8]。 矿区均为新第三系和第四系松散层覆盖； 基底为 太古代和早元古代深、 中深变质岩系及中元古代 浅变质岩系组成； 盖层是稳定地台型沉积， 有上元 古界青白口系至古生界二叠系、 中生代侏罗系、 白 垩系及老第三系； 区内缺失晚奥陶系至下石炭系 和三叠系地层。矿区境内的任楼煤矿始建于1985 年11月， 1997年12月正式投产。任楼井田位于童 亭背斜东南翼和南翼 （图1） ， 北起界沟断层， 南至 F7断层与许疃井田比邻， 东南部以F13断层为界， 浅 部以11号煤层露头为界， 深部至31煤层-800 m等 高线的平面投影[9]。任楼井田走向长9.814 km， 第33卷第6期 2013年06月 Vol. 33 No. 6 June, 2 0 13 地理科学 SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA 地理科学33卷 倾斜宽1.23.5 km， 总面积约43 km2[9]。任楼井田 从上而下可分为松散层第四含水层 （简称 “四含” ， 由含水层沉积环境与基岩面控制， 埋深300 m左 右） 、 二叠系煤系砂岩裂隙含水层 （简称 “煤系” ， 与 开采煤层埋深有关， 其中3煤至4煤、 4煤至7煤、 7 煤至8煤、 铝质泥岩至11煤之间砂岩裂隙较发育， 可分别划分为不同的含水组） 、 石炭系太原组岩溶 含水层 （简称 “太灰” ， 埋深600 m左右， 一般划分为 1415含水组） 及奥陶系岩溶含水层 （简称 “奥灰” ， 埋深900 m左右， 勘探不详） [10]。四含、 煤系、 太灰 与奥灰含水层埋藏深， 为矿井煤层开采过程中的 主要充水含水层， 如图1所示。 2 2地下水取样及测试结果 利用临涣矿区任楼煤矿及邻近的临涣、 海孜、 童亭、 许疃、 五沟等生产矿井地面水位长期观测 孔、 井下放水孔以及井下出水点等处从上而下分 别取四含、 煤系、 太灰与奥灰含水层88个水样 （共 62个取样点， 少数取样点采集不同时期的多个水 样） 。取样点布置及其编号见图2。其中， 在任楼 井田44个取样点共采集水样68个 （取样时间与取 样地点见图3） 。测试的指标包括NaK、 Mg2、 Ca2、 Cl-、 SO42-、 HCO3-、 CO32-、 总溶解固体 （TDS） 以 及 18O、 D、 放射性氚 （T） 。 样品均为新鲜水样， 取样前将塑料瓶清洗干 净， 并用待采的地下水涮洗3次以上。水样经滤膜 （0.45 μm） 过滤后装入塑料瓶， 室内测试NaK、 Ca2、 Mg2、 HCO3-、 Cl-、 SO42-、 CO32-等离子。CO32-、 HCO3-测试方法为酸碱滴定法； Cl-、 SO42-测试方法 为离子色谱法 （792Basic IC） ； Ca2、 Mg2测试方法 为EDTA 滴定法； NaK测试方法为火焰原子吸 收分光光度法 （Corning410） 。阴阳离子含量的总 和减去HCO3-含量的一半即为TDS。水样送至中 国地质大学 （武汉） 地质过程与矿产资源国家重点 临涣矿区1海孜矿, 2临涣矿, 3任楼矿, 4许疃矿； 宿县矿区5桃园矿, 6祁南矿, 7祁东矿, 8芦岭矿, 9朱仙庄矿 宿县矿区1芦岭向斜, 2宿南向斜, 3宿南背斜, 4南坪向斜. 临涣矿区5童亭背斜, 6五沟向斜, 7西阳集背斜, 8临涣向斜 图1 任楼煤矿及其所在的临涣矿区地质及水文地质概况 （根据参考文献[11]修改） Fig.1 General geological and hydrogeological condition of the Renlou colliery and the local Linhuan coal-mining district Modified according to reference [11] 756 陈陆望等华北隐伏型煤矿深部含水层补给源水化学与同位素示踪6期 实验室， 采用铀还原法与水-二氧化碳平衡法制备 H2与特定CO2， 分别对水中δD与δ18O进行质谱测 定。使用的仪器为MAT-253稳定同位素气体质谱 仪， 测得δD 值与δ18O 值的结果为相对于 SMOW Standard Mean Ocean Water， 又称 标准平均大洋 水标准的千分偏差表示 δ‰1000[R样品/R标准-1]， 式中R为D/1H 或18O/16O[12]。测定精度δ18O为0.1‰、 δD为0.2‰。T采用2250CA型液闪计测试， 单位为 TU。上述指标具体测试结果请参见研究报告[10]。 3 3深层地下水化学特征分析 选取任楼煤矿68个深层地下水样中的Na K、 Mg2、 Ca2、 Cl-、 SO42-、 HCO3-与CO32-共7种常规 离子作为分析变量， 选择欧氏距离作为水样数据类 间相似距离的度量， 分析基于系统树状结构[13]， 系统 聚类结果见图3。通过欧氏距离为2.5的点纵穿系 统树状结构图画同型线， 把欧氏距离小于2.5的组 合成一类， 该同型线把68个水样分成8类， 分别命 名为C1C8。其中， C1C5与C6C8可分别看成两 大类， 两大类之间欧氏距离较大， 反映出两大类之 间具有显著不同的水化学特征。在C1C5大类中， C1与C2类间欧氏距离较小， C3、 C4与C5类间欧氏 距离较小。在C6C8中， C7与C8类间欧氏距离较 小。为了描述每一类水化学特征， 根据上述7种离 子的中值， 确定C1C8各类中间水化学类型， 获得 图3左端水质板状图解。根据板状图解， 从C8→ C7→C6→C5→C4→C3→C2→C1， Ca2的当量浓度 所占的百分数逐渐增加， 具有 “硬化” 趋势， 地下水 逐渐演化为太灰水特征 （Ca2、 Mg2含量高） 。从 C1→C2→C3→C4→C5→C6→C7→C8， Ca2当量浓 度所占的百分数逐渐减小， 具有 “软化” 趋势， 地下 水逐渐演化为煤系水特征 （NaK含量高） 。绝大 部分煤系水样集中于C7与C8中， 但四含、 太灰与 奥灰水样在C2、 C3、 C4、 C5与C6中几乎均有分布。 基于矿区地质与水文地质条件分析， 任楼煤矿煤系 含水层相对封闭， 其他含水层或水体对其影响不 大； 太灰或奥灰通过角度不整合与上覆四含接触， 且在矿区北部山区大量灰岩出露， 含水层相对开 图2任楼煤矿及所在临涣矿区深层地下水取样点布置及其编号 Fig.2Number of sampling situs of main discharge aquifers in the Renlou colliery and the local Linhuan coal-mining district 757 地理科学33卷 图3任楼井田深层地下水样系统聚类树状结构 Fig.3Tree structure of system clustering of deep groundwater samples in the Renlou colliery 758 陈陆望等华北隐伏型煤矿深部含水层补给源水化学与同位素示踪6期 放， 四含、 太灰与奥灰含水层间存在不同程度的水 力联系， 地下水表现不同程度的 “硬化” 特征。 4 4深层地下水补给过程及来源的氢 氧同位素示踪 4 4. .1 1 深层地下水补给过程示踪深层地下水补给过程示踪 把任楼煤矿及其所在的临涣矿区四含、 煤系、 太灰与奥灰深层水样氢氧稳定同位素组成描绘在 δD-δ18O坐标中， 见图4。图中红色显示即为任楼井 田地下水样点， 并对包含于系统聚类C1C8的水样 采用不同图例进行辨识。实线代表全球大气降水 线 （GMWLGlobal Meteoric Water Line） ； 虚线表示 地区蒸发线 （LELLocal Evaporation Line） [1418]。 图4任楼煤矿及其所在的临涣矿区深层 地下水样点δD与δ18O关系 Fig. 4Relation between δD and δ18O of deep groundwater samples in the Renlou colliery and the local Linhuan coal-mining district 从图4中可以看出， 整个临涣矿区深层水样点 一部分落在全球大气降水线上， 大部分则落在全球 大气降水线以下， 但全部深层水样点均落在地区蒸 发线以下。说明该地区深层地下水均来自大气降 水， 并不同程度地接受经蒸发作用后的地表水体的 补给。根据全球大气降水线与地区蒸发线的交点 即为该地区大气降水年平均δ值的理论值[18]， 则整 个 临 涣 矿 区 大 气 降 水 年 平 均 δD 与 δ18O 分 别 为-52.4‰与-7.80‰。 如果矿区地下水样点δD与δ18O小于矿区大气 降水年平均值时， 推测主要原因有 其一， 大气降 水对地下水直接但不均匀入渗补给造成的 （春、 冬 季降水中的δD、 δ18O低[19]， 由于降水连续、 降水量适 中， 对地下水的补给量相对较大； 秋、 夏季降水中 的δD、 δ18O高[19]， 由于降水持续时间短、 降水量较 大， 地表径流为主的排泄相对减小了对地下水的 补给比例） 。其二， 古地下水的混合作用 （目前同 位素方法研究的古地下水主要是指第四纪以来由 于冰期或间冰期的气候变化， 使得其氢氧稳定同 位素组成有别于现代地下水， 古地下水δ值低[17]） 。 如果矿区地下水样点δD与δ18O大于矿区大气降水 年平均值时， 推测主要原因是大气降水滞留于地 表或土壤层产生不同程度的蒸发效应后的滞留入 渗补给造成的。 地下水运移咸化是物理化学平衡等因素影响 下各离子迁移转化的结果， 地下水中常规离子 （NaK， Ca2， Mg2， SO42-， Cl-， HCO3-） 在此过程中 显得尤为重要。TDS主要是常规离子在水中累积 的综合反映， 是地下水咸化的主要指标[20]。地下水 一般遵循沿径流方向TDS有逐渐增大的趋势， 在 含水层补给区TDS最小， 排泄区TDS最大。图5 表示任楼煤矿及其所在的临涣矿区深层地下水中 δ18O、 δD与TDS关系。从图中可以看出， 当TDS小 于1 000 mg/L时， 深层地下水氢氧稳定同位素δ值 随着TDS的增大而减小， 尤其是四含与太灰地下 水表现更为明显。当TDS大于1 000 mg/L时， 深 层地下水样点氢氧稳定同位素δ值分布在矿区地 下水平均值 （δ18O-8.68‰， δD-67.4‰） 附近。任 楼煤矿及其所在的临涣矿区地下含水层在未经采 矿活动影响下， 深层水主要是大气降水对地下水 直接但不均匀入渗补给形成的， 以致矿区深层水 平均δ值小于矿区大气降水年平均δ值。然而， 任 楼煤矿及其所在的临涣矿区经采矿活动影响后深 部含水层长期向采空区充水， 原地下水循环条件 已被打破， 在补给区水力交替速度加快， 滞留于地 表或土壤层的水体 （如湖水、 河水以及浅层地下水 等， 受地面蒸发影响显著， δ值偏高， 但TDS较低） 补给含水层， 在径流方向上逐渐与原来含水层地 下水发生混合， 导致δ值降低， 但TDS沿径流方向 增大。当地下水运移至深部径流区或排泄区后， 地下水的混合作用对δ值影响微乎其微， 但地下水 运移过程中溶滤与溶解作用继续发生， 沿径流方 向TDS仍然有增大的趋势。 4 4. .2 2 深层地下水补给源示踪深层地下水补给源示踪 任楼煤矿四含水样点通过系统聚类分析不仅 759 地理科学33卷 归属于不同类 （C2、 C4、 C5、 C6） ， 而且δD与δ18O值 分布范围较大， δD 值在-85.7‰-55.1‰， δ18O 值 在-9.44‰-7.41‰， 水样点在δD-δ18O坐标系中位 置分散， 见图6a。其中， 地面第9号长期水位观测 孔 （水9） 在2002年10月取样 （8） 与在2006年8月 取样 （9） 所测试的δD与δ18O值均升高， 说明同一取 样点水样在采矿进程中δD与δ18O值均有升高的趋 势； 通过比较不同取样点同期 （2006年8月） 测试结 果， δD与δ18O值按水5 （14） →水1 （5） →水15 （15） 逐渐升高， 说明采矿活动改变了地下水循环条件， 地表水体 （如湖水、 河水等） 以及浅层地下水滞留 入渗补给四含， 呈现空间变化。其中， 水15 （15） 等 水样点靠近LEL， 地表水体参与混合的比率高。 任楼煤矿煤系水样基本归属于C7、 C8， 而且 δD与δ18O值差别不大， δD值在-67.3‰-60.3‰， δ18O值在-9.74‰-8.55‰， 它们在δD-δ18O坐标系 中分布较集中， 见图6b。任楼煤矿煤系水δD与δ18O 值分别小于临涣矿区大气降水年平均值， 有向 GMWL靠近的趋势， 且历年 T 测试结果均小于 5 TU， 说明任楼煤矿煤系水应为古水占相当比例， 现代大气降水或地表水体对其影响不大。 任楼煤矿太灰水样点通过系统聚类分析不仅 归属于不同类 （C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6） ， 而且δD与 δ18O值差别较大， δD值在-87.4‰-51.5‰， δ18O值 在-9.75‰-6.44‰， 水样点在δD-δ18O坐标系中相 对分散， 但基本上被四含与煤系水样点所包围， 见 图6c。任楼煤矿太灰水δD值与δ18O值分别小于临 涣矿区大气降水年平均值。其中， 同一取样点水 样如在任楼煤矿井下总回风巷内第2号放水孔 （风 2） 处所采集的52（2002年11月取样） →53（2006 年8月取样） →55（2009年11月取样） 随采矿进程 δD与δ18O值均有增大趋势， 并逐渐靠近GMWL， 且52测试T含量为7 TU （地表水体T含量一般大 于5 TU） ， 可以推测地表水体补给任楼煤矿太灰的 同时， 大气降水对太灰的直接但不均匀入渗补给 逐渐显现。靠近 GMWL 太灰水样点 49（风 1 孔 2006年8月取样） 、 55（风2孔2009年11月取样） 、 59（风4孔2009年11月取样） 与63（Ⅱ1下口放水 孔2009年11月取样） 受大气降水的直接但不均匀 入渗补给尤为明显。 任楼煤矿奥灰水6在2002年11月取样 （66） 与2006年8月取样 （67） 所测试δD与δ18O值相差较 大， 在δD-δ18O 坐标系水样点分布的位置相距较 远， 位于所有水样点所围限区域的底部与顶部， 且 分别靠近GMWL与LEL， 见图6d。采矿活动改变 地下水循环条件以致奥灰水δD与δ18O值增大的可 能性存在， 但不是δD与δ18O值增大的主要原因。 因为奥灰含水层在矿区北部灰岩山区接受大气降 水的直接但不均匀入渗补给后， 随矿区开采逐步 向深部延伸， 灰岩含水层矿井涌水量逐年增加， 奥 灰含水层水力交替更为强烈， 以致任楼煤矿奥灰 水δD值与δ18O值具有明显的季节效应， 春冬季水 图5任楼煤矿及其所在的临涣矿区深层地下水氢氧稳定同位素与TDS关系 Fig. 5Relationship between stable hydrogen and oxygen isotopes and TDS in deep groundwater in the Renlou colliery and the local Linhuan coal-mining district 760 陈陆望等华北隐伏型煤矿深部含水层补给源水化学与同位素示踪6期 样 （66） 远低于夏秋季水样 （67） 。 5 5结 语 本文以淮北煤田临涣矿区任楼煤矿为例， 采用 水化学系统聚类分析与氢氧同位素示踪技术， 分析 与探讨采矿活动影响下任楼煤矿深部含水层中的 地下水补给源及其变化机制。主要结论如下 1 任楼煤矿深部地下水形成的主要原因为大 气降水的直接但不均匀入渗、 大气降水的滞留入 渗以及古地下水混合。 2 任楼煤矿煤系含水层相对封闭， 其他含水 层或水体对其影响不大， 以古地下水混合为主； 太 灰或奥灰通过角度不整合与上覆四含接触， 且在矿 区北部山区大量灰岩出露， 含水层相对开放， 四含、 太灰与奥灰含水层间存在不同程度的水力联系。 3 任楼煤矿深部含水层在未经采矿活动影响 下， 地下水主要是大气降水直接但不均匀入渗补 给形成的。经采矿活动影响后， 深部含水层长期 向采空区充水， 原地下水均衡已被打破， 在补给区 水力交替速度加快， 滞留于地表或土壤层的水体 补给含水层。 参考文献参考文献 [1]武 强, 赵苏启,李竞生,等. 煤矿防治水规定 编制背景与要 点[J].煤炭学报, 2011,363617074. 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Tracing of Recharge Sources of DeepAquifers in the ConcealedTracing of Recharge Sources of DeepAquifers in the Concealed Type Colliery of North China by Hydrochemistry and IsotopesType Colliery of North China by Hydrochemistry and Isotopes CHEN Lu-wang, YIN Xiao-xi, LIU Xin School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China AbstractAbstract In order to find out the recharge condition in deep aquifers in the concealed type colliery in the north of China, taking Renlou colliery and the local Linhuan coal-mining district for example, hydrochemical sys- temic cluster analysis and hydrogen and oxygen isotopes tracing were carried out to discuss and analyze the re- charge sources and its changing mechanism in the deep aquifers under the influence of mining activities. The deep groundwater of the coal-mining district was composed of direct but nonuni infiltration and retention infiltration of precipitation and ancient underground water. In the case of TDS of deep groundwater at less than 1 000 mg/L, the δ values of stable hydrogen D and oxygen isotopes 18O decreased with the increase of TDS in the coal-mining district. However, in the case of TDS of deep groundwater at higher than 1 000 mg/L, the δ values were around the average ones. In addition, the average δ values of D and 18O were -67.4‰ and -8.68‰ respectively, being relatively small compared with that of precipitation in the coal-mining district. Without the influence of mining activities, the deep groundwater of the coal-mining district was ed by the direct but nonuni infiltration of precipitation. However, under the influence of mining activities, the deep groundwater of the coal-mining district was ed by the retention infiltration of precipitation, because min- ing activities had broken the original circulation condition of deep groundwater and the hydraulic alternate had been accelerated in the recharge area. Key wordsKey words concealed type colliery; hydrochemistry; isotope; deep groundwater; recharge source 762