辛置煤礦主要含水層的自由排水柱淋濾實驗與水巖作用機理

趙峰華，郭 元，孫紅福，朱孟浩

(中國礦業大學 (北京) 地球科學與測繪工程學院,北京 100083)

辛置煤礦擁有60多年的開采歷史，該礦井水文地質條件復雜，造成其主要含水層水質和地下水環境復雜多變。辛置煤礦主要含水層包括二疊系K8砂巖裂隙承壓含水層、石炭系太原組K3灰巖巖溶裂隙承壓含水層、石炭系太原組K2灰巖巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系峰峰組O2f灰巖巖溶裂隙承壓含水層，它們對應的水化學類型分別為HCO3-Na型、SO4-Na型、SO4-Ca·Mg型、SO4-Ca·Mg型(HCO3-Ca·Mg型)。其中石炭系K2灰巖含水層與奧陶系O2f灰巖含水層水質指標高度重疊，盡管目前有很多的水源判別方法[1-4]，但均無法對它們進行有效判識;而二疊系K8砂巖含水層與石炭系K3含水層水質指標也存在很多異常。為了深入研究辛置煤礦主要含水層的水化學特征和水巖相互作用機理，筆者對辛置煤礦4個主要含水層的巖芯樣品進行了自由排水淋濾實驗(AMIRAP387A)[5]研究。在礦井水水質預測動力學實驗方面，柱淋濾實驗比濕氣單元實驗更被廣泛使用;目前被認可的標準柱淋濾方法包括ASTM D5744-12B,EPA1627和AMIRA P387A，但自由排水柱淋濾實驗(AMIRAP387A)在實驗設計方面如顆粒粒度、樣品質量和淋濾液收集頻率等方面比其他方法更靈活，而且該方法已經被國際性實驗室(如ALS Global公司)作為標準在商業上推薦和使用[6]。自由排水柱淋濾實驗能夠快速地獲得離子淋濾速率等水巖相互作用信息[7-12]。

1 樣品采集與實驗

1.1 樣品采集和測試

本研究采集了辛置煤礦4個主要含水層的巖芯樣品K8,K3,K2和O2，它們分別對應二疊系K8砂巖、石炭系K3灰巖、石炭系K2灰巖和奧陶系O2f灰巖。

采用X射線衍射儀(X-Ray Diffraction，XRD)對4個巖芯樣品的礦物組成進行了定量分析測試，每個樣品各取5 g并將其研磨成小于200目的粉末用于測試，測試儀器型號為日本理學D/MAX 2500，Cu 靶，X射線衍射儀工作電壓為40 kV，工作電流100 mA。2θ掃描范圍為2.6°～80°，步長0.01°，掃描速度為0.1°/s。采用X射線熒光法(XRF)對巖石樣品進行元素全分析。儀器型號:飛利浦PW2404 X射線熒光光譜儀。

1.2 自由排水柱淋濾實驗

自由排水淋濾實驗用于礦山巖石和尾礦廢石的產酸預測等地球化學影響研究，能夠提供礦石的金屬淋濾行為、硫化物反應速率、氧化動力學等水巖相互作用信息。

1.2.1實驗裝置設計

自由排水柱淋濾實驗裝置設計示意如圖1所示，自由排水柱淋濾實驗裝置共有3層，最底層為濾液收集層，中間層是放置布氏漏斗的支撐層，最上層為加熱燈架，3層的間隔可以根據實驗需求自由調節，本實驗中底層、中間層和頂層之間的距離分別為:22 cm和74 cm;加熱燈要安裝在淋濾柱上面保持巖石樣品表面溫度在30～35 ℃，目的是促進淋濾巖石的風化速率，并確保在下一次淋濾前淋濾材料徹底干燥，完成一個淋濾周期，本實驗裝置配備150 W的加熱燈，每個加熱燈之間的距離為10.5 cm，加熱燈與中間層的垂直高度為47.2 cm;實驗裝置的中間層長度和寬度分別為180 cm和60 cm，中間布置了16個直徑為7.5 cm的孔，這些可以放置不同規格的布氏漏斗，布氏漏斗之間的間距是13 cm×15.5 cm。根據設計圖制作的自由排水柱淋濾實驗裝置如圖2所示。

圖1 自由排水柱淋濾實驗裝置設計示意Fig.1 Schematic diagram of free draining column leaching experiment device

圖2 自由排水柱淋濾實驗裝置Fig.2 Device of free draining column leaching experiment

1.2.2實驗流程

2 結果和討論

2.1 巖芯樣品的組成

巖芯樣品的全巖XRD定量分析結果見表1。K8砂巖巖芯樣品中石英占54.6%，長石占10.7%，黏土礦物共占34.7%;K3灰巖巖芯樣品的礦物組成包括92%的方解石，5.6%的白云石和2.4%的石英;K2灰巖巖芯樣品中含有73.8%的方解石、16.6%的黏土礦物和9.6%的石英;O2灰巖巖芯樣中方解石和黃鐵礦分別占98.4%和1.6%。巖芯樣品XRD定性分析結果與定量分析結果存在差異，K8巖芯樣品含有正長石、石英、伊利石和高嶺石;K3巖芯樣品除含有方解石、鐵白云石和石英，還檢測出黃鐵礦;K2巖芯樣品的礦物組成包括方解石、白云石、石英、高嶺石和蒙脫石;O2巖芯樣品不僅含有方解石和黃鐵礦，還含有石英礦物。這主要是由于目前全巖XRD定量分析方法存在一定的精度誤差[13]，對含量低的礦物不能準確定量。此外，4個巖芯樣品的XRD定性分析和定量分析均未檢測出石膏。

表1 巖石樣品中的礦物成分含量Table 1 Mineral composition content of rock samples%

2.2 淋濾液的電導率

電導率可以作為水中溶解電離物質濃度的非特效標準，在特定溫度下，水的電導率是離子濃度的函數。因此，可以通過水樣電導率的大小反映水樣中可溶解性電解質的總量。通過不同淋濾液電導率隨時間的變化規律(圖3)可以看出:二疊系K8砂巖淋濾液電導率變化規律顯著有別于與3個灰巖(K3,K2和O2)淋濾液;而K3,K2和O2灰巖淋濾液電導率的變化范圍和規律比較相近。

圖3 淋濾液電導率隨時間的變化規律Fig.3 Change of conductivity of leachate with time

二疊系K8砂巖淋濾液的電導率變化范圍非常大，從第4周的720 μS不斷降低至第24周的170 μS;前2個月的下降速率明顯大于后5個月的下降速率。K8砂巖電導率的變化表明巖石中除石英、斜長石和黏土礦物外，還含有較多的易溶組分，才會使得K8砂巖的電導率明顯高于灰巖的電導率。

3個灰巖淋濾液電導率在7個月的淋濾時間內均出現了多次波動，在12～20周時間內電導率維持在高位，隨后在24周均出現降低，在28周電導率集體回升。K3,K2和O2灰巖淋濾液對應的電導率變化范圍分別為192～270,141～210和201～316 μS。奧陶系O2f灰巖淋濾液的電導率總體高于石炭系太原組K3和K2灰巖淋濾液電導率;而K3灰巖淋濾液的電導率高于K2灰巖淋濾液電導率。這主要與3個灰巖中方解石和易溶鹽的含量有關，O2,K3和K2灰巖中方解石的百分含量分別為98.4%,92.0%和73.8%。

2.3 淋濾液的常量組分特征

辛置煤礦K8,K3,K2和O2f含水層巖芯樣品淋濾液總溶解固體(TDS)含量(圖4)與電導率具有一致的變化規律。在最初的3個月中，二疊系K8砂巖樣品淋濾液的TDS含量顯著高于3個灰巖淋濾液的TDS，其次是奧陶系峰峰組O2f灰巖樣品淋濾液，而太原組K2灰巖淋濾液的TDS最低;在后4個月的淋濾時間內，K8砂巖淋濾TDS不斷降低直至與K3和K2灰巖淋濾液對應的TDS大致相同，而O2f灰巖淋濾液的TDS含量最高。

圖4 淋濾液的總溶解固體含量隨時間的變化規律Fig.4 Change of total dissolved solids of leachate with time

在7個月的淋濾周期內，二疊系K8砂巖淋濾液的TDS變化范圍為86.7～400.9 mg/L，平均TDS為188.4 mg/L。3個灰巖的TDS變化幅度比較相近，但在大多數淋濾時間內O2淋濾液的TDS大于K3淋濾液的TDS，而K2灰巖對應的TDS最低。O2,K3和K2灰巖淋濾液對應的平均TDS分別為150.8，120和99.9 mg/L。O2,K3和K2灰巖淋濾液TDS變化范圍分別為174～111.4,135～102.2和124.2～78.4 mg/L。

圖5 淋濾液中常量組分隨時間的變化規律Fig.5 Change of constituents in leachate with leaching time

圖6 淋濾液常量組分的當量百分比Fig.6 Equivalent percentage distribution of the constant component in leachate

2.4 淋濾液的微量組分特征

二疊系K8砂巖含水層和石炭系太原組K3含水層具有明顯的特征，很容易對含水層進行判定;但石炭系太原組K2灰巖和奧陶系O2f灰巖含水層水質參數相互重疊，很難將它們區分。為了深入研究分析K2灰巖和O2f灰巖水質，對它們淋濾液中的39個微量組分進行了全面地分析測試。通過對微量元素測試結果的對比發現:K2和O2f灰巖淋濾液中Fe,Mo,Sb,U和Sr的含量具有很好地區分度，可以作為區分K2和O2f灰巖含水層的重要參考指標。

K2和O2f灰巖淋濾液中Fe離子含量隨淋濾時間的變化規律如圖7所示。盡管在7個月的淋濾周期內Fe的含量出現明顯的波動，但O2f灰巖淋濾液中Fe離子的含量均顯著高于太原組K2灰巖淋濾液中Fe的含量。O2f灰巖淋濾液中Fe離子含量均高于0.028 μg/L，而K2灰巖淋濾液中Fe的含量均低于0.024 μg/L。

圖7 淋濾液中Fe離子含量隨時間的變化規律Fig.7 Change of Fe concentrations in leachate with time

K2和O2f灰巖淋濾液中Fe的含量分布規律與它們對應的K2和O2巖芯樣品礦物組分含量具有很好一致性。K2和O2巖芯樣品礦物組分的測試結果(表1)表明O2樣品含有1.6%的黃鐵礦，而K2巖石樣品中沒有檢測出含鐵的礦物。因此O2樣品淋濾液中含有較多的Fe離子。

K2和O2灰巖淋濾中Mo,Sb,U和Sr離子含量特征與Fe離子含量分布規律正好相反(圖8)，K2灰巖淋濾液中的Mo,Sb,U和Sr離子含量均顯著高于O2灰巖淋濾。在這4個微量元素中，按照含量高低的順序依次為Sr>Mo>Sb>U。

圖8 淋濾液中Mo,Sb,U和Sr的質量濃度隨時間的變化規律Fig.8 Change of Mo,Sb,U and Sr concentrations in leachate with time

天然水中鍶的質量濃度為70 μg/L，變化范圍為3～3 000 μg/L，主要以Sr2+形式存在于水中[14]。K2灰巖淋濾液中Sr離子含量范圍為378～725 μg/L;而Fe離子含量灰巖淋濾液中Sr離子平均濃度為156 μg/L，最高濃度只有235 μg/L。

天然水體中Mo的質量濃度為0.5 μg/L，海水中為10 μg/L。K2灰巖淋濾液中Mo離子含量范圍為24.3～166 μg/L[14];O2f灰巖淋濾液中Mo離子濃度均小于6.1 μg/L。K2和O2f灰巖淋濾中Mo的含量均高于天然水體。

Sb離子在K2和O2f灰巖淋濾液中的質量濃度分別為0.256～0.695 μg/L和0.070～0.153 μg/L，具有很好的區分度。天然水體中銻的平均質量濃度為0.22 μg/L，質量濃度范圍為0.01～5 μg/L[14]。K2和O2f灰巖淋濾中Sb的含量均在天然水體的正常范圍。

K2和O2f灰巖淋濾液中U離子區分度非常明顯，它們對應的質量濃度范圍分別為1.31～3.79 μg/L。鈾在水溶液中的溶解度和存在形式對pH和Eh的變化非常敏感。鈾為兩性元素，在酸性溶液中大多數呈絡陽離子，pH增高時則趨向于形成各種絡陰離子。在天然水體中，在弱堿性溶液中鈾容易與CO32-形成穩定的絡合離子[14]。

Mo,Sb,U和Sr離子在K2和O2f灰巖淋濾液中含量分布規律能夠與K2和O2巖芯樣品中的微量元素含量(表2)很好對應。K2灰巖巖芯樣品(K2)中Mo,Sb,U和Sr元素含量均顯著高于O2f灰巖巖芯樣品。

表2 K2和O2f樣品中Mo,Sb,U和Sr元素含量Table 2 Mo,Sb,U and Sr content of K2 and O2f samplesμg/g

2.5 淋濾液與實際含水層水樣對比

因此，辛置煤礦各含水層的水化學特征均受巖性、埋藏條件、地下水補徑排及水動力條件的控制，含水層實際水質比淋濾液更為復雜多變。在進行煤礦突水水源判別的時候，不僅需要參考淋濾實驗提供寶貴信息，而且需要將各含水層的補徑排等條件考慮進去，才能對突水水源進行準確判識。

3 結 論

(4)K2和O2f灰巖淋濾液中Fe,Mo,Sb,U和Sr的含量具有很好地區分度，O2f灰巖淋濾液中Fe離子濃度顯著高于K2灰巖淋濾液，而Mo,Sb,U和Sr離子正好相反，對于未發生脫硫酸反應的水樣，該特征可以作為判別K2和O2f灰巖含水層的參考因素。