保德煤矿奥陶纪灰岩水水化学特征及形成机理_张泽源.pdf

第 48 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.5 2020 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract Ordovician limestone karst water is the main threatening water source for mining activities in Baode coal mine, and it is one of the main water supply sources. Ordovician limestone karst water samples were systematically collected in Baode coal mine, and the s of correlation analysis, ion proportional coefficient, saturation index inversion simulation and Chlor-Alkali index were chosen to analyze the hydrochemical characteristics and its for- mation mechanism. The results showed that the water quality types of Ordovician limestone water changed from runoff zone to stagnant zone in a trend of HCO3-NaNaCa→HCO3Cl-NaCaCaMg→Cl-NaNaCa. The mass concentration of each ion was linearly related to TDS value, and positively correlated with TDS except for HCO – 3. Cationic alternating adsorption, BSR and solution filtration were the main function to control the hydrogeochemical environment of groundwater in the coal mine. According to the saturation indexSI calculation and simulation path, it was confirmed that calcite, dolomite and gypsum was dissolved in runoff zone, dolomite precipitation occured in stagnant zone, gypsum was always in unsaturated state and tended to dissolve. This conclusion would provide a basis for the pre- vention and control of water damage in deep coal mining and the utilization of mine water in Baode coal mine. Keywords Ordovician limestone water; hydrogeochemistry; ation mechanism; inverse geochemical modelling; Baode coal mine 开展区域地下水化学特征及形成机理研究，有助于深入分析区域地下水系统循环过程，进而对地 82 煤田地质与勘探 第 48 卷 下水的开发利用和保护管理提供科学依据[1]。我国 针对煤矿开采引起矿区地下水水化学环境变化的研 究起步于 20 世纪 90 年代， 目前已开展大量研究[2-5]。 水化学特征是矿井突水水源快速判别模型构建的重 要依据之一[6-7]。通常，对于矿区水化学研究多使用 模糊因子分析统计法[8]、神经网络判别模型[9]、灰色 关联度分析、系统聚类分析及同位素地球化学分析 法[10-11]。模糊因子分析法和神经网络判别模型对水 源判别具有较准确的计算；灰色关联度和系统聚类 分析通过仿真计算，以矿井突水判别模型作为核心, 结合矿井水质指标体系，设计矿井突水水源判别系 统，在系统中实现对水样的水化学特征分析和突水 水源判别；同位素地球化学分析法主要应用在污染 源示踪、地下水测年和地下水补给来源分析[12-15]等 方面。 华北型煤田的基底普遍发育含水性强、水压大 的奥陶纪灰岩简称奥灰，在矿井开采过程中，常 受到奥灰水突水威胁，据统计，华北地区共有 200 多个矿井受奥灰水危害。随着浅部煤层的枯竭，对 深部煤炭的采掘强度不断增加，深部开采造成的次 生构造会增强各含水层间的水力联系，改变原有地 下水流场，使奥灰水防治变得更为困难[12]。因此， 对奥灰水突水预测与防治成为矿井水害防治工作的 重点。位于黄河东岸的保德煤矿属典型的华北型煤 矿，其奥灰含水层厚度大，由黄河支流动态补给， 富水性较强；同时，奥灰含水层是该矿生产供水的 主要含水层， 过度疏放会严重破坏区域地下水环境。 如何在保障安全回采的基础上对地下水资源进行保 护，是目前亟待解决的难题。 本次以保德煤矿奥灰水为研究对象，对水样各 指标进行统计，采用描述性统计、变异系数分析、 相关性分析、离子比例系数法、矿物饱和指数反向 地球化学模拟等方法，分析煤矿开采以来奥灰水的 水文地球化学特征，探究奥灰水主要离子变化规律 和形成机理，重点分析奥灰水径流过程中发生的水 岩作用，为深部煤矿岩溶地下水的保护与利用及对 深部煤层开采奥灰水突水的风险性评估与防治提供 依据，同时对将来开展煤矿城市深部地下水污染调 查和修复研究奠定基础。 1 研究区地质与水文地质概况 保德煤矿位于山西省保德县城东约 13 km。井 田东西宽约 5.7 km， 南北长 14 km， 面积约 55.9 km2。 构造形态上为吕梁山西侧倾向西或北西西的波状起 伏单斜构造，无大断裂和褶皱，仅有零星小型断层 发育。岩层基本上呈南北走向，向西倾斜，倾角为 310。区内发育有奥陶系、石炭系、二叠系、新 生界地层，其中奥陶系地层岩性以灰岩、白云岩为 主， 分为马家沟组O2m、 峰峰组O2f。 马家沟组O2m 岩性以豹皮状灰岩为主，具隐晶质结构，中厚层状 构造，局部溶蚀发育，溶洞直径 57 mm，蜂窝状分 布；最大厚度 152.70 m。峰峰组O2f岩性以白云质 灰岩、碎屑灰岩为主，呈灰白色与深灰色，隐晶质结 构，厚层状构造，垂向节理发育，局部有星点及团块 状黄铁矿，中下部岩溶较发育；厚度 89.5131.14 m， 平均 104.33 m。 井田属天桥泉域排泄区，根据富水性分类，奥 灰含水层属富水性中等含水层，埋深 75423 m，水位 高程840 m。井田内单井涌水量为 3602 300 m3/d， 富水性差异显著。根据保德煤矿抽、放水试验资料 及水文地质勘探分析，奥灰含水层主要在井田东部 奥灰出露区铁匠铺、桥头镇接受大气降水入渗和 地表水入渗补给，无其他越流补给，奥灰水总体上 由东北部、东部、东南部向西部黄河天桥泉群方向 径流，在天桥泉群和黄河河谷低洼处排泄图 1。 2 采样与测试 在保德井田及外围共选取 23 个奥灰水取样 点图 1，共取得 46 组水样，其中径流区 8 组，弱 图 1 保德煤矿水文地质条件及采样点分布 Fig.1 Hydrogeological map and distribution of sampling points of water samples in Baode Coal mine 第 5 期 张泽源等 保德煤矿奥陶纪灰岩水水化学特征及形成机理 83 径流区 20 组， 滞流区 18 组。 对水样中 Ca2、 Mg2、 NaK、HCO – 3、Cl–、SO 2– 4、pH、TDS、硬度等指 标进行测定。 KNa采用火焰原子吸收分光光度法测定，测 试精度 RSD1；Ca2和 Mg2采用 EDTA 络合滴定 法测定，检出限为 0.1 mg/L；Cl–采用硝酸银滴定法 测定，检出限为 0.1 mg/L；SO 2– 4采用钡离子测重法 测定，检出限为 0.2 mg/L；HCO – 3采用酸滴定法，检出 限为 0.2 mg/L；TDS 根据各组分质量浓度计算获得； pH 和硬度分别采用玻璃电极和硬度计现场测定[16]。 检测数据用下式校核 2 100 xy E xy      （） 1 式中E 为相对误差，；x、y 分别为检测的阴、 阳离子浓度之和，mol/L。本次测定 E3，水样测 定数据可靠。 3 奥灰水水化学特征及相关性分析 3.1 奥灰水水化学特征 保德煤矿奥灰含水层不受上覆含水层补给，因 此，上覆含水层水对奥灰水水化学特征无影响；奥 灰水 pH 值为 7.828.30，中性略偏碱性。对水化学 数据进行统计分析，得到奥灰水主要离子特征。 由表 1 可知，径流区阳离子 KNa质量浓度相对 较高，平均值为 145.76 mg/L，标准差为 154.17 mg/L， 变异系数达到 1.06， 表明 KNa质量浓度沿程变化 大， 径流路径上存在大量岩盐溶解段。 阴离子 HCO – 3质 量浓度最高，平均达到 261.00 mg/L，阴离子变异系 数均较小，沿程浓度稳定。 弱径流区阴阳离子浓度均较径流区明显升高， 其中 Ca2、Mg2变异系数较大，表明沿路径地下水 与围岩发生反应，含水层水质发生较大变化。TDS 标准差为 344.49 mg/L ，说明弱径流区离子含量区 域差异大，Ca2、KNa、Cl–、SO 2– 4平均值、标准 差较小，但变异系数较大，表明这些离子在弱径流 区绝对含量高。 滞流区 KNa、Ca2、Mg2、Cl–的离子变异系 数均较大，除 HCO – 3外，各离子浓度均较弱径流区 大幅提升。TDS 标准差为 6 746.91 mg/L。反映滞流 区水化学类型的多样性和离子含量的差异性。 依据舒卡列夫水化学分类方法进行分类，研究区 水样存在 11 种水化学类型图 2，径流区 2 种HCO3- Na，HCO3-NaCa，弱径流区 5 种HCO3SO4-Na， HCO3SO4-NaCa ， HCO3Cl-Na ， HCO3Cl-NaCa ， HCO3Cl-CaMg，滞流区 4 种SO4-Na，ClSO4-Ca， Cl-Na，Cl-NaCa。 表 1 奥灰水水样分析结果 Table 1 Hydrochemical analysis data of Ordovician limestone water 离子质量浓度/mgL–1 区域 指标 pH TDS/mgL–1 NaK Ca2 Mg2 Cl– 2 4 SO - 3 HCO- AVG 8.04 541.28 145.76 41.00 20.63 19.06 36.95 261.00 SD 0.33 158.82 154.17 14.82 2.37 2.70 21.99 17.57 径流区 CV 0.04 0.29 1.06 0.36 0.16 0.14 0.60 0.07 AVG 7.87 809.70 146.18 66.17 26.10 108.60 144.50 316.33 SD 0.59 344.49 113.82 57.00 26.59 72.76 81.59 149.10 弱径流区 CV 0.08 0.43 0.78 0.86 1.02 0.67 0.56 0.47 AVG 7.49 5 403.30 1 232.10 528.96 154.06 2 697.04 666.55 124.21 SD 0.21 6 746.91 1 694.63 618.40 164.61 3 834.85 517.00 47.69 滞流区 CV 0.03 1.25 1.38 1.17 1.07 1.42 0.78 0.38 注AVG 为平均值；SD 为标准差；CV 为变异系数，无量纲。 由抽水地段奥灰水离子质量浓度柱状图图 3 可知，从抽 3 孔向西至抽 5 孔，Ca2质量浓度从 454.03 mg/L下降到126.00 mg/L 再上升到457.82 mg/L， Mg2质量浓度从 119.30 mg/L 下降到 33.32 mg/L 再 上升到 141.80 mg/L，这是由于取样点抽 2 和抽 4 距朱家川河较近， 地下水径流条件相对抽水地段其 他点较好，抽水地段地下水的 γCa2/γMg2γ 为 离子毫克当量浓度，meq/L，下同比值稳定在 2.0 左右图 4a，在碳酸岩地区地下水指标范围内。 向西由抽 2→抽 4→抽 1 径流过程中，Ca2质 量浓度明显增大，表明钙质灰岩溶解程度不断增 大，且奥灰水在井田内滞流时间较久。在该方向上， 84 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 2 保德煤矿奥灰水水化学 Piper 三线图 Fig.2 Piper diagram of Ordovician limestone water in Baode coal mine γSO 2– 4/γCl–比值由 2.49 下降至 0.14图 4b，表明 该段地下水全程存在岩盐溶解。抽 3 孔中 SO 2– 4离子 含量异常，质量浓度达到 1 051.53 mg/L，表明该孔 周围有大量石膏溶解。上述特征反映出抽水地段奥 灰水受含水层岩性、岩溶发育程度影响，水化学特 征存在差异。 图 3 抽水地段奥灰水主要离子含量柱状图 Fig.3 Main ion of Ordovician limestone water in pumping aera 图 4 抽水地段主要离子相关性 Fig.4 Correlation of major ions in the pumping area 3.2 各离子与 TDS 关系分析 通过相关性分析可以探究研究区奥灰水各水样点 水化学参数的一致性和差异性。分别计算径流区、弱 径流区及滞流区各离子与 TDS 相关系数表 2， 研究奥 灰水各离子与 TDS 的相关关系。径流区各因素均呈正 相关，由于存在大量石膏、方解石和白云石溶解，Ca2 和 TDS 相关性较高； 弱径流区各因素与 TDS 相关性均 低于 0.5，可能是由于弱径流区有朱家川河流经，各子 系统差异明显； 滞流区大部分离子与 TDS 相关性较低， 仅 HCO – 3和 TDS 相关性较高。TDS 含量与变异系数大 小顺序为径流区弱径流区1，由式6、式7推测，区域内发生石膏溶 解的同时也发生方解石和白云石溶滤作用；弱径流 区、滞流区由于 BSR 产生 H2S 气体与 3 HCO，同时 促进方解石或白云石沉淀生成， 使 cCa2/cSO 2– 41。 若 Ca2、Mg2、 3 HCO和 SO 2– 4离子仅来自反应 式 5 反 应 式 7 ， 应 有 γCa2Mg2/γ 3 HCO 2 4 SO 1[17]；若 NaK和 Cl–均来自式8中岩盐的 溶解，则有 cNaK/cCl–1。根据上述离子间的 浓度及毫克当量关系，在奥灰水径流区 γCa2 Mg2/γ 3 HCO 2 4 SO  1图 7b，且 γCa2Mg2/ γ 2 4 SO 1，分析为方解 石和白云石同时发生溶滤作用，阳离子交换作用使 Ca2或 Mg2含量减少[18]；在弱径流区，奥灰水径流 条件比径流区差，Ca2与 2 4 SO 质量浓度比小于 1， γCa2 Mg2/γ 3 HCO 2 4 SO 1，cNaK/cCl–0 时，地下水矿物属于过饱和状态；SI0， 则为溶解状态。计算方法[19-22]如下 T IAP SIlg K  10 式中IAP 为溶液中单一矿物的阴、阳离子活度积； KT为矿物在测定温度条件下热力学平衡常数。 表 3 模拟路径起止点矿物饱和指数计算结果 Table 3 Calculation results of the mineral saturation index of the starting and ending point on the simulated path 饱和指数 区域 石膏 白云石 方解石 径流区 –1.37 –1.32 –1.67 弱径流区 –1.33 1.29 –1.14 滞流区 –1.24 1.75 0.26 反向模拟水文地球化学路径， 出现 39 组模拟结 果，经分析选取一条与水动力场相匹配的结果进行 分析。表 3 反映了模拟路径起止点矿物饱和指数的 关系。在模拟路径上，径流区方解石、白云石、石 膏的 SI 值均小于 0，沿路径均溶解；沿模拟路径白 云石饱和指数不断增大，计算弱径流区白云石的 SI 值大于 0，处于过饱和状态，发生沉淀；在滞流区 方解石 SI 值大于 0，发生沉淀；石膏在模拟路径上 始终处于未饱和状态，全程均有溶解发生，其饱和 指数在模拟路径上呈增大的趋势，这有可能与煤矿 开采及人类活动导致地下水污染有关。 6 结 论 a. 保德煤矿区奥灰水存在 11 种水化学类 型，水化学类型由径流区到滞流区呈梯度变化，径 流区为 HCO3-NaNaCa型，弱径流区为 CO3Cl- NaCa CaMg型，滞流区为 Cl-NaNaCa型。 b. 保德煤矿奥灰水从径流区到滞流区的 TDS 不断增大，Ca2与 TDS 相关性最强，所有离子浓度 与 TDS 浓度均呈线性关系， 3 HCO浓度与 TDS 呈负 相关，其余离子均和 TDS 呈正相关关系。 c. 保德煤矿奥灰水水化学特征主要受阳离子 交替吸附、BSR 反应和溶滤沉析作用的影响。奥灰 水在径流区以阳离子交替吸附作用为主，方解石、 石膏和白云石大量溶解； 弱径流区以BSR反应为主， 白云石发生沉淀；滞流区以溶滤沉析作用为主，不 发生阳离子交替吸附作用，方解石沉淀。 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] 姜体胜，曲辞晓，王明玉，等. 北京平谷平原区浅层地下水化 学特征及成因分析[J]. 干旱区资源与环境，2017，3111 122–127. 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