酸性礦井水入滲過程中水巖作用分析

沙雙雙

(山西焦煤汾西礦業環保處，山西 介休 032000)

引 言

煤炭在開采過程中受到外界環境影響，煤巖層中的硫化物在氧氣、水、微生物等共同作用下，經過一系列的地球化學作用，形成酸性礦井水[1-2]。不僅正常生產的礦井會產生酸性礦井水，廢棄的礦井在廢棄后的幾十年內仍可以持續不斷的產生[3]。此外，礦井開采出來的矸石由于不同程度地含有硫化物，在雨淋作用下會產生以硫酸鹽為主的酸性水[4]。礦井酸性水會對礦區生態環境造成影響。隨著人們對環境保護的重視程度日益增加，對酸性礦井水的預防以及治理工作的受重視程度不斷增高。

近年來，大量學者對酸性礦井水的產生機理、主要成分以及酸性水對環境的時間效應進行了大量的基礎研究，并取得了顯著的成果[5-7]。但是對于酸性礦井水在巖層滲透中的遷移演化規律研究卻不常見。因此，筆者采用土柱淋溶實驗方法對酸性礦井中的介質遷移規律進行研究，以便為酸性礦井水防治工作的開展提供一定的借鑒。

1 取樣方法

實驗取樣樣品來自于山西焦煤汾西礦業所屬一主力礦井，采用蛇形取樣法(“Z”字形取樣法)，以便取得的樣品更具有代表性。取10個樣品，并將取得的樣品進行混合，采用四分法進行縮分，取回的樣品經過干燥、粉碎、篩分[30目(0.613 mm)]后保存。

2 實驗與分析

2.1 實驗過程

表1 實驗本底值

表2 模擬酸性礦井水成分

2.2 分析方法

3 結果分析

3.1 硬度變化

實驗過程表明，滲濾液遷移到測試孔后，滲濾液中的硬度值及鈣、鎂離子等含量迅速增加，通過測量的數據跟表2中的數據比對可以發現，在較長的一段時間內，滲濾液的硬度值及鈣、鎂離子等含量均是高于表2中對應的數據值。從質量守恒定律可以得出，較模擬酸性礦井水成分增加的鈣、鎂離子等來源于土柱本身的可溶解性物質，經過淋溶實驗以及巖體與蒸餾水之間的相互作用，土柱內的大部分可溶性離子基本都已經滲濾出來。因此，可以確定，滲濾液中多出的鈣、鎂離子等主要是酸性礦井水與巖體之間的相互作用，造成滲濾液中的鈣、鎂離子等含量增高。

同時，由于該礦處于太原組，巖層中含有大量的石灰巖以及砂巖，且石灰巖中含有白云巖、方解石以及鈉長石凳，這些礦物質與酸性礦井水發生的化學反應如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

從上述化學反應式可以看出，酸性礦井水與土柱之中的巖體發生化學反應，產生大量的鈣、鎂離子，同時造成酸性溶液的pH值增高。

3.2 硫酸鹽與氯化物的變化

實驗中氯離子與硫酸根離子的變化規律較為相近，具體如圖1所示。

圖1 氯離子與硫酸根離子隨時間變化規律

氯離子較為穩定，在進行淋溶過程中與其他物質之間基本不發生化學反應，僅僅進行氯離子的交換或者絡合，當濃度增高到一定值后趨于穩定。從硫酸根的變化曲線可以發現，硫酸根離子隨時間的變化滯后于氯離子，主要是由于介質對離子的吸附阻礙了硫酸根離子的向外遷移。同時，測定的滲濾液濃度未高于淋溶液也表明土柱內基本沒有硫酸根離子的重新生成及滲出。

3.3 鐵離子與pH變化

具體的鐵離子與pH值的變化情況以及變化趨勢曲線如圖2、圖3所示。

圖2 鐵離子隨時間變化曲線

圖3 pH值隨時間變化曲線

從圖2、圖3可以看出，鐵離子以及pH值的變化趨勢呈現出逆相關，鐵離子隨著時間的增加含量逐漸增高，pH值隨著時間的延長逐漸降低，同時，鐵離子及pH值測定結果與原采用的滲濾液相差較為明顯。可以看出，當pH值較低時，溶液中有大量的H+，Fe2+被氧化成Fe3+時，消耗大量的H+離子，pH值增高。當pH值增加到6以上時，Fe3+容易出現水解，產生絮凝沉淀，造成滲濾液中的鐵離子含量降低，同時，滲濾液中的pH值降低，具體發生的化學反應如式(4)～式(5)所示。

(4)

(5)

4 結論

酸性礦井水與巖體發生化學反應，造成滲濾液中的鈣離子、鎂離子含量增加，溶液的總硬度增加明顯，同時，由于土柱是多孔隙介質，對硫酸根離子具有較強的吸附作用，因此，溶液中硫酸根離子的變化不明顯。反應過程中消耗大量的H+離子，滲濾液pH值最后接近中性。