山東新巨龍煤礦區(qū)場(chǎng)地高TDS地下水水化學(xué)特征及成因機(jī)制

張玉卓，徐智敏，張 莉，呂偉魁，袁慧卿，周麗潔，高雅婷，朱璐璐

山東新巨龍煤礦區(qū)場(chǎng)地高TDS地下水水化學(xué)特征及成因機(jī)制

張玉卓1，徐智敏1，張 莉1，呂偉魁2，袁慧卿1，周麗潔1，高雅婷1，朱璐璐1

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918)

煤礦區(qū)場(chǎng)地；高礦化度；水化學(xué)特征；水化學(xué)成因；離子比值；飽和指數(shù)

2016年12月30日，國家發(fā)改委、能源局對(duì)外公布的《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確要求生態(tài)文明綠色礦區(qū)的建設(shè)要取得積極進(jìn)展，要最大程度減輕煤炭生產(chǎn)開發(fā)對(duì)環(huán)境的影響，提升資源綜合利用水平，其中礦井水的利用率要達(dá)到80%[1]。由于我國煤炭資源主要采用地下開采方式，為避免突水災(zāi)害的發(fā)生，大量的礦井水必須排出井外，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國礦井水每年排放量高達(dá)74億m3，隨著礦井水的大量疏排，地下含水系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定受到影響，由于礦井水水質(zhì)特殊、成分復(fù)雜，易對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響，而水質(zhì)較好的礦井水在多數(shù)情況下也未能得到有效合理的利用，造成地下水及潔凈礦井水資源的浪費(fèi)[2]，因此，開展煤礦區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因機(jī)制的研究，可為礦井水排水處理、資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。20世紀(jì)90年代，為查明煤礦區(qū)水文地質(zhì)條件，主要通過水文地球化學(xué)研究判斷地下水補(bǔ)徑排關(guān)系和含水層水力聯(lián)系[3-4]，后來逐漸廣泛應(yīng)用于礦井突水水源判別和水害防治方面[5-7]。近些年，隨著對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的重視以及對(duì)煤礦區(qū)地下水資源的保護(hù)和礦井水資源化利用的要求，水文地球化學(xué)的研究逐漸側(cè)重于煤礦區(qū)地下水和礦井水成因機(jī)制方面[8-9]。目前，國內(nèi)外對(duì)地下水水文地球化學(xué)特征的研究方法可分為野外調(diào)查研究、水化學(xué)數(shù)據(jù)分析、模擬實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬[10]，其中水化學(xué)數(shù)據(jù)分析方法研究和應(yīng)用最為廣泛：Piper圖解、Gibbs圖解等水化學(xué)類型劃分法可以直觀地判斷地下水水化學(xué)類型、組分及水質(zhì)狀況，判斷地下水水源、含水層間水力聯(lián)系等[11-14]；多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)法利用統(tǒng)計(jì)學(xué)手段從大量水化學(xué)數(shù)據(jù)中獲取重要信息，快捷、高效地分析地下含水層水化學(xué)組分間的內(nèi)在規(guī)律[15]；離子比例系數(shù)法通過分析部分離子比值呈規(guī)律性變化的特點(diǎn)，判斷地下水的形成因素[16-17]；同位素分析方法用于判斷地下水的補(bǔ)給來源、成因以及檢測(cè)地下水污染[18-19]等。

華北型石炭–二疊紀(jì)煤田作為我國主要的原煤產(chǎn)地[20]，在面臨嚴(yán)重水害問題的同時(shí)，也面臨地下水水質(zhì)惡化、水量衰減、礦井水污染等多方面問題，為適應(yīng)國家對(duì)煤礦區(qū)環(huán)境保護(hù)的要求，深部地下水水化學(xué)特征、富水性特征及成因機(jī)制是目前研究和探索的目標(biāo)[21]。山東巨野煤田新巨龍煤礦位于山東省菏澤市巨野縣境內(nèi)，地下水TDS在3～10 g/L，硫酸鹽濃度高，受地下水影響，礦井水TDS偏高，水處理難度大，隨著煤礦開采，地下含水層還將受開采影響，對(duì)其水化學(xué)特征及成因機(jī)制的分析和研究十分有必要。

筆者以新巨龍煤礦地下水為研究對(duì)象，對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水水化學(xué)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、取樣進(jìn)行分析測(cè)試，綜合氫氧同位素和水化學(xué)分析測(cè)試結(jié)果，通過變異系數(shù)分析、Piper圖解、同位素分析、相關(guān)性分析、Gibbs圖解、離子比值關(guān)系和礦物飽和指數(shù)等分析方法，探究煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水水化學(xué)特征及成因機(jī)制，以期為該區(qū)地下水、礦井水演化和特征污染物運(yùn)移擴(kuò)散的研究奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為該煤礦高TDS、高硫酸鹽礦井水處理、資源化利用以及礦井水水源判別提供理論依據(jù)，可指導(dǎo)煤礦防治水工作。

1 新巨龍煤礦區(qū)場(chǎng)地概況

1.1 自然地理

新巨龍煤礦位于菏澤市巨野縣龍堌鎮(zhèn)境內(nèi)，屬黃河沖洪積平原，地形平坦，地勢(shì)略呈西北高東南低，地面高程為+40.01～+46.14 m，平均+43.26 m，自然地形坡度為2‰；井口高程+44.8 m。地表水系比較發(fā)育，河流溝渠縱橫成網(wǎng)，且多系人工開掘的季節(jié)性河流，主要有洙水河等，并與區(qū)內(nèi)各溝渠貫通，旱季可引水灌溉，雨季可防洪排澇。

1.2 水文地質(zhì)

礦井為全隱蔽的華北型石炭–二疊紀(jì)煤田，煤系以奧陶系石灰?guī)r為基底，沉積石炭系本溪組、石炭–二疊系太原組，二疊系山西組和石盒子群，上覆地層為新近系、第四系；主要含煤地層為太原組和山西組，主采二疊系山西組3煤，開采深度800～1 300 m[22]。區(qū)內(nèi)地層大致呈走向南北、傾向東的單斜構(gòu)造，發(fā)育有次一級(jí)寬緩褶曲并伴有一定數(shù)量的斷層，構(gòu)造復(fù)雜程度中等。

含水層自上而下有新生界砂礫層孔隙含水層、二疊系石盒子群砂巖、山西組3煤層頂、底板砂巖(簡(jiǎn)稱3砂)裂隙含水層、石炭–二疊系太原組石灰?guī)r(三灰、十下灰)及奧陶系石灰?guī)r(簡(jiǎn)稱奧灰)巖溶裂隙含水層(圖1)，主采3煤主要充水水源有底板奧灰水、太原組三灰水、頂板山西組3煤頂?shù)装迳皫r水和新近系砂巖水。根據(jù)區(qū)域規(guī)律，未開發(fā)前淺層地下水順地勢(shì)徑流，深層地下水隨著補(bǔ)給與排泄區(qū)的分布變化而變化，地下水循環(huán)慢，徑流微弱。受礦區(qū)排水影響，各含水層水位將發(fā)生分異。各含水層靜止水位差別不大，水力聯(lián)系程度差，多數(shù)無直接聯(lián)系。

圖1 新巨龍煤礦水文地質(zhì)柱狀圖

2 材料與方法

2.1 水質(zhì)資料來源及水樣采集

為分析研究區(qū)地下含水層水化學(xué)特征及水質(zhì)變化情況，本文整理了該煤礦場(chǎng)區(qū)勘探階段至建井(1999—2008)，以及正式投產(chǎn)至今(2008—2018)2個(gè)階段的所有水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，并于2020年10月在新巨龍煤礦目前已開挖的巷道及工作面進(jìn)行取樣。歷史和取樣測(cè)試取得的水質(zhì)數(shù)據(jù)共計(jì)76個(gè)，其中新近系水樣15個(gè)、山西組3砂水樣29個(gè)、太原組三灰水樣21個(gè)、奧灰水樣11個(gè)。

2.2 樣品測(cè)試

3 結(jié)果與討論

3.1 煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水水化學(xué)特征

3.1.1 水化學(xué)特征

為研究該煤礦區(qū)場(chǎng)地地下含水層水化學(xué)特征及水質(zhì)演化情況，根據(jù)整理的研究區(qū)歷史水質(zhì)資料，結(jié)合本次研究的取樣測(cè)試結(jié)果，重點(diǎn)分析對(duì)目前正在開采的山西組3煤有影響的新近系底部孔隙(新近系)含水層、3煤頂?shù)装迳皫r裂隙(3砂)含水層、太原組第三層灰?guī)r巖溶裂隙(三灰)含水層及奧陶系灰?guī)r(奧灰)巖溶裂隙含水層的水質(zhì)特征。

通過SPSS軟件對(duì)水化學(xué)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1；運(yùn)用AqQA水化學(xué)分析軟件，分析各含水層中的常規(guī)水化學(xué)成分，得到地下水的Durov圖(圖2)。

表1 含水層水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值

注：Min為最小值；Max為最大值；Avg為平均值；SD為標(biāo)準(zhǔn)差；CV為變異系數(shù)，無量綱。

圖2 新巨龍煤礦地下水Durov圖

根據(jù)SPSS對(duì)水化學(xué)參數(shù)的梳理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合各含水層的Durov圖(圖2)，從常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)來看，pH值在6.5～11.1，呈中性略偏堿性，其中奧灰含水層pH值相差較大，最小值為7.2，最大值為11.1，說明其賦存環(huán)境可能存在不均的情況。

3.1.2 水化學(xué)類型

為分析該礦區(qū)地下水水質(zhì)的變化情況，以煤礦建井時(shí)間為界，根據(jù)水質(zhì)資料繪制各含水層建井前后的地下水水化學(xué)Piper三線圖，如圖3所示。

圖3 新巨龍煤礦地下水Piper三線圖

總體來看，除新近系外，隨著礦井建設(shè)和煤礦開采，3砂、三灰和奧灰含水層的水化學(xué)類型發(fā)生一定程度的變化，且深部含水層的變化更為明顯，說明受開采影響，地下含水層的水文地球化學(xué)條件發(fā)生了改變，含水層水體受到擾動(dòng)，水化學(xué)組分隨之發(fā)生變化。

3.1.3 同位素特征

根據(jù)氫氧穩(wěn)定同位素特征可以更好地了解地下水的水文地球化學(xué)作用，通過分析其組成特征可以研究深層地下水水循環(huán)及動(dòng)態(tài)特征。研究區(qū)取樣測(cè)得的氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)見表2，根據(jù)各水樣的δ2H、δ18O值繪制δ2H–δ18O關(guān)系圖(圖4)。從圖4可以看出，研究區(qū)所取的3個(gè)地下水水樣：3砂、三灰和奧灰水，在圖中的落點(diǎn)位置相對(duì)集中，位于大氣降水線的右下方，存在18O正向漂移現(xiàn)象，研究區(qū)所取水樣的含水層溫度較高，在43～54℃，地下水在高溫情況下長(zhǎng)時(shí)間與巖石礦物接觸發(fā)生18O交換，其中砂巖含水層中水體主要與硅酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)，灰?guī)r含水層中水體主要與碳酸鹽巖發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致水體中的18O含量增加[23]。

表2 氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)

注：為氘過量參數(shù)。

圖4 新巨龍煤礦區(qū)地下水δ2H與δ18O的相關(guān)關(guān)系

地下水中，氘過量參數(shù)可以總體反映水巖反應(yīng)中18O的交換程度，地下水中18O的含量取決于巖石的含氧化合物組分、含水層的溫度和地下水在含水層內(nèi)滯留時(shí)間的長(zhǎng)短。地?zé)崴跓醿?chǔ)中滯留時(shí)間越長(zhǎng)，徑流速度越慢，其水巖相互作用越明顯，值越小[24]。表2中對(duì)各水樣的值進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示只有3砂、三灰和奧灰地下水的值為負(fù)，為–2.20‰～ –4.64‰；地表水和礦井水的均為正值，說明區(qū)域地下含水層中，水體有明顯的熱交換趨勢(shì)，水循環(huán)緩慢，水交替作用弱，隨著水體和圍巖間相互作用時(shí)間越久，與含氧礦物中的18O交換越多。

3.2 煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水水化學(xué)成因

3.2.1 水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性

各含水層的TDS濃度存在明顯不同，同時(shí)TDS值與各離子濃度的相關(guān)性也不盡相同，通過分析各離子與TDS之間的相關(guān)性可以解釋離子的來源和TDS變化的原因[25]。利用SPSS軟件中雙變量相關(guān)性分析方法對(duì)各含水層地下水的TDS和常規(guī)離子進(jìn)行相關(guān)性分析，得到各含水層水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣，見表3。

3.2.2 水動(dòng)力因素

表3 含水層水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*表示相關(guān)性顯著水平在0.05(雙尾)；**表示相關(guān)性顯著水平在 0.01(雙尾)。

3.2.3 水化學(xué)組分來源

圖5 新巨龍煤礦地下水Gibbs圖

地下水成因除溶濾作用外，還有離子的交換作用。確定含水層中是否發(fā)生陽離子交換作用可以通過計(jì)算氯堿指數(shù)CAI-1和CAI-2進(jìn)行分析。若CAI-1和CAI-2均為正值，進(jìn)行正向陽離子交換，發(fā)生如式(1)的反應(yīng)；若CAI-1和CAI-2均為負(fù)值，則進(jìn)行反向陽離子交換作用，發(fā)生式(2)的反應(yīng)[31]。

圖6 新巨龍煤礦地下水離子比值關(guān)系

3.2.4 礦物溶解平衡

礦物飽和指數(shù)可以用于評(píng)估礦物與地下水之間的平衡和反應(yīng)[33]，根據(jù)礦物相對(duì)地下水飽和指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可以確定地下水系統(tǒng)中的反應(yīng)礦物。水溶液相對(duì)礦物的飽和指數(shù)SI計(jì)算公式為：

圖7 氯堿指數(shù)

圖8 新巨龍煤礦γ(Ca2++Mg2+––)和γ(Na+–Cl–)比值關(guān)系

式中：IAP為礦物所含組分在水溶液中的離子活度積；為礦物溶解反應(yīng)時(shí)的平衡常數(shù)。

當(dāng)SI＜0時(shí)，表示該礦物相對(duì)于水溶液未達(dá)到飽和，為溶解狀態(tài)；

當(dāng)SI=0時(shí)，表示水溶液與礦物正好處于平衡狀態(tài)；

當(dāng)SI＞0時(shí)，表示該礦物相對(duì)水溶液處于過飽和狀態(tài)。

利用PHREEQC軟件計(jì)算出該區(qū)各含水層方解石、白云石、石膏和鹽巖的飽和指數(shù)，如圖9所示。

圖9顯示該區(qū)方解石和白云石的飽和指數(shù)均大于0，處于飽和狀態(tài)；石膏的飽和指數(shù)小于0，除三灰外，飽和指數(shù)接近0，雖處于未飽和狀態(tài)，但有達(dá)到飽和的趨勢(shì)；鹽巖的飽和指數(shù)在–5.0左右，處于未飽和狀態(tài)。從石膏和鹽巖處于未飽和狀態(tài)可以說明，地下水中石膏和鹽巖的溶解占離子作用的主導(dǎo)地位，也是導(dǎo)致該地區(qū)SO4-Na型水呈現(xiàn)出高TDS的原因。

圖9 新巨龍煤礦地下水SI與TDS關(guān)系

4 結(jié)論

a. 新巨龍煤礦區(qū)地下水均為弱堿性水，TDS普遍偏高，深部含水層地下水TDS小于淺部，水化學(xué)類型以SO4-Na型為主，隨著煤礦開采，水化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，部分組分離子變異系數(shù)較大，新近系和3砂水水化學(xué)類型未發(fā)生明顯變化，三灰和奧灰水的水化學(xué)類型由單一的SO4-Na型增加了SO4·HCO3-Na和SO4-Ca·Mg型，同時(shí)由于深層地下水溫度偏高，含水層水體中存在18O的正向漂移。

b. 煤礦區(qū)地下水水動(dòng)力條件差，含水層溫度高，長(zhǎng)時(shí)間高溫水巖作用、蒸發(fā)濃縮作用、巖鹽和硫酸鹽礦物溶濾作用以及一定程度的陽離子交換作用，是該區(qū)高硫酸鹽、高TDS的SO4-Na型地下水的主要成因。

c. 對(duì)煤礦區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因機(jī)制的研究可為該煤礦高TDS、高硫酸鹽礦井水處理、資源化利用以及污染防控提供重要支撐；同時(shí)可為后續(xù)礦井水水源判別提供理論依據(jù)，指導(dǎo)煤礦防治水工作的進(jìn)行。

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Hydrochemical characteristics and genetic mechanism of high TDS groundwater in Xinjulong Coal Mine

ZHANG Yuzhuo1, XU Zhimin1, ZHANG Li1, LYU Weikui2, YUAN Huiqing1, ZHOU Lijie1, GAO Yating1, ZHU Lulu1

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. Shandong Xinjulong Energy Co. Ltd., Heze 274918, China)

coal mining area; high salinity; hydrochemical characteristics; hydrochemistry genesis; ion ratio; saturation index

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語音講解

P641.3

A

1001-1986(2021)05-0052-11

2021-01-19；

2021-06-21

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFC1805400)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2020ZDPY0201)

張玉卓，1996年生，女，陜西西安人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)及礦井水害防治. E-mail：zyz1996@cumt.edu.cn

徐智敏，1981年生，男，四川簡(jiǎn)陽人，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榈V井水文地質(zhì)及礦井水害防治. E-mail：xuzhimin@cumt.edu.cn

張玉卓，徐智敏，張莉，等. 山東新巨龍煤礦區(qū)場(chǎng)地高TDS地下水水化學(xué)特征及成因機(jī)制[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：52–62. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.006

ZHANG Yuzhuo，XU Zhimin，ZHANG Li，et al. Hydrochemical characteristics and genetic mechanism of high TDS groundwater in Xinjulong Coal Mine[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：52–62. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.006

(責(zé)任編輯 周建軍)