采煤活動(dòng)對(duì)煤礦地下水化學(xué)特征的影響研究

呂情緒

(神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

地下水的化學(xué)成分是在長(zhǎng)期的徑流過(guò)程中與外界環(huán)境相互作用的產(chǎn)物，記錄著地下水的補(bǔ)給、運(yùn)移和循環(huán)規(guī)律[1-3]。但隨著采煤活動(dòng)的發(fā)展，會(huì)破壞原有的地層環(huán)境進(jìn)而使地下水中的無(wú)機(jī)及有機(jī)水化學(xué)成分發(fā)生改變，呈現(xiàn)出不同的水化學(xué)特征[4-5]。

近年來(lái)，學(xué)者們?cè)诘V區(qū)地下水水化學(xué)特征研究方面做了大量的工作。楊建[6]對(duì)呼吉爾特礦區(qū)葫蘆素煤礦水文地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，得到了第四系松散孔隙含水層、白堊系孔隙裂隙含水層和侏羅系砂巖裂隙含水層之間的聯(lián)系；方剛等[7]采用水質(zhì)全分析、同位素測(cè)試等多種方法對(duì)榆橫礦區(qū)巴拉素井田各類(lèi)水體的水文地球化學(xué)特征進(jìn)行了研究，得到了從地表水到地下水的水化學(xué)變化情況；張澤源等[8]綜合運(yùn)用相關(guān)性分析、離子比例系數(shù)、飽和指數(shù)反演、氯堿指數(shù)等方法對(duì)保德煤礦奧陶紀(jì)灰?guī)r水水化學(xué)特征進(jìn)行分析，得到了該含水層的水化學(xué)形成機(jī)理。但這些研究?jī)H側(cè)重于無(wú)機(jī)水化學(xué)特征的研究，而在長(zhǎng)期的水化學(xué)循環(huán)過(guò)程中和采煤活動(dòng)的影響下，地下水中的有機(jī)水化學(xué)組分也在發(fā)生變化。因此，將無(wú)機(jī)與有機(jī)成分相結(jié)合研究，更能反映出礦區(qū)的水文地球化學(xué)特征，分析采煤活動(dòng)對(duì)地下水的影響。

保德煤礦位于山西省保德縣境內(nèi)，地處黃河?xùn)|岸天橋巖溶泉域排泄區(qū)的末端，礦井主采石炭二疊系煤層。區(qū)域內(nèi)的主要含水層為奧陶系灰?guī)r含水層，分布區(qū)域廣，水量分布大，為煤礦生產(chǎn)過(guò)程中面臨的主要水害威脅。本文以保德煤礦為研究區(qū)，采集研究區(qū)地表水、地下水、礦井水包括采空區(qū)出水和水倉(cāng)水，從無(wú)機(jī)特征及有機(jī)特征2個(gè)方面系統(tǒng)分析研究區(qū)的水文地球化學(xué)特征及受采煤活動(dòng)的影響，以期為該區(qū)的礦井水害防治及水資源開(kāi)發(fā)利用提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

保德煤礦位于山西省保德縣境內(nèi)(圖1)，東西寬約5.7 km，南北長(zhǎng)約14.0 km，面積約55.9 km2。礦區(qū)地處黃河?xùn)|岸、屬黃土高原的晉西北邊緣，呈黃土溝峁、丘陵地貌，總體地勢(shì)中部低、南北高，井田內(nèi)地形切割嚴(yán)重，溝深坡陡，植被稀少，溝谷呈“V”字形，多呈南北向展布。區(qū)內(nèi)發(fā)育一條季節(jié)性河流即朱家川河，從井田中部穿過(guò)并匯入黃河。礦區(qū)屬北溫帶大陸性干燥氣候，年平均降雨量439 mm，大多集中在7月、8月份，年平均蒸發(fā)量1 711 mm。

圖1 采樣點(diǎn)位置分布Fig.1 Location distribution of sampling points

礦區(qū)基巖埋深為69～113 m，煤層為下二疊統(tǒng)山西組(P1s)和上石炭統(tǒng)太原組(C2t)。其中，山西組含煤4～5層，可采平均厚度6.90 m，太原組含煤7～8層，可采平均厚度14.87 m。礦區(qū)地下水主要接受大氣降水和地表河流水補(bǔ)給，主要有3大含水層：新生界松散巖類(lèi)孔隙含水層；石炭、二疊系基巖裂隙含水層；奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層。其中奧陶系灰?guī)r巖溶含水為主要含水層，埋藏深度76.0～422.6 m，水位標(biāo)高為+839 m，單井涌水量為360～2 300 m3/d，富水性差別較大，裂隙巖溶發(fā)育很不均勻。

2 樣品采集與檢測(cè)

2.1 樣品采集

為了解研究區(qū)地下水水化學(xué)特征，此次研究按照分層取樣的原則，包括地表水、泉水和深層地下水及礦井水，共采水樣14組，各水樣采集位置及水樣類(lèi)型見(jiàn)表1，分布如圖1所示。其中，鉆孔新鮮水、水源井水為奧陶系灰?guī)r水，地表水為煤礦西部的黃河水，泉水為淺層地下水，井下采空區(qū)出水為奧陶系灰?guī)r水經(jīng)過(guò)工作面后排出的水，水倉(cāng)水為礦井混合水。水樣采集選用1.0 L塑料瓶，采樣前先潤(rùn)洗3～5次，采樣后立即密封水樣，標(biāo)注編號(hào)、時(shí)間、地點(diǎn)等信息，并立即送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。

表1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位置及水樣類(lèi)型Tab.1 Location of sampling point and type of water sample in the study area

2.2 樣品檢測(cè)

3 結(jié)果與討論

3.1 無(wú)機(jī)水化學(xué)特征

3.1.1 一般水化學(xué)特征

表2 研究區(qū)水樣檢測(cè)分析Tab.2 Test results of water samples in the study area mg/L

利用Aq·QA軟件將常規(guī)離子繪制成Schoeller圖[11]，如圖2所示。由圖2可知，大部分采空區(qū)出水、水倉(cāng)水、鉆孔新鮮水K++Na+的濃度大于水源井水樣，而Ca2+和Mg2+的濃度小于水源井水樣，這是因?yàn)閵W陶系灰?guī)r水由東向西徑流過(guò)程中發(fā)生了離子交換作用，致使地下水中K++Na+濃度增加，Ca2+和Mg2+濃度減少，其反應(yīng)方程：

圖2 研究區(qū)水樣Schoeller圖Fig.2 Schoeller map of study area

Ca2+(Mg2+)(水)+Na+(K+)(巖)→Na+(K+)(水)+Ca2+(Mg2+)(巖)

3.1.2 水化學(xué)類(lèi)型

Piper 三線圖有助于了解地表水及地下水的主要離子組成和水化學(xué)類(lèi)型，根據(jù)表2繪制七大常規(guī)離子Piper三線圖[11-12]，如圖3所示。

圖3 Piper三線圖Fig.3 Piper trilinear chart of study area

3.2 有機(jī)水化學(xué)特征

溶解性有機(jī)質(zhì)(Dissolved Organic Matter，DOM)是動(dòng)植物殘?bào)w經(jīng)歷化學(xué)和微生物作用而形成的復(fù)雜有機(jī)化合物[12-13]。但由于地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的差異，不同含水層中DOM類(lèi)型和含量存在較大差異[14]。因此，需要利用定性(三維熒光光譜指紋技術(shù)測(cè)定DOM種類(lèi))與定量(UV254和TOC值表征DOM濃度)相結(jié)合的方式分析保德煤礦不同類(lèi)型水樣中有機(jī)成分特征。

3.2.1 三維熒光光譜特征

有機(jī)物結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)在特定波長(zhǎng)的紫外光激發(fā)照射下，會(huì)呈現(xiàn)不同波長(zhǎng)的熒光[15-16]。利用三維熒光光譜，將熒光強(qiáng)度以等高線的方式投影在以激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)為橫縱坐標(biāo)的平面上，以此來(lái)判別不同類(lèi)型的溶解性有機(jī)質(zhì)[17]。一般根據(jù)三維熒光峰位置的激發(fā)波長(zhǎng)(EX)和發(fā)射波長(zhǎng)(EM)，將溶解性有機(jī)質(zhì)劃分為5種類(lèi)型：即Ⅰ區(qū)(EX<250 nm、EM<330 nm)代表酪氨酸；Ⅱ區(qū)(EX<250 nm、330 nm380 nm)代表富里酸；Ⅳ區(qū)(EX>250 nm、EM<380 nm)代表溶解性微生物代謝產(chǎn)物；Ⅴ區(qū)(EX>250 nm、EM>380 nm)代表腐殖酸類(lèi)物質(zhì)[18-19]。分別選擇不同類(lèi)型水樣測(cè)定三維熒光光譜特征，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)水樣三維熒光光譜圖Fig.4 Three dimensional fluorescence spectra of water samples

由圖4可知，地表水和泉水只有一處熒光峰，分別在EX=291 nm、EM=414 nm和EX=273 nm、EM=386 nm處，均屬于Ⅴ區(qū)(腐殖酸類(lèi)物質(zhì))。說(shuō)明地表水和泉水水樣有機(jī)質(zhì)來(lái)源以陸源有機(jī)質(zhì)為主，這是因?yàn)榈乇硭腿c外界接觸較為頻繁，受到生物影響較大(例如動(dòng)植物殘余落入水中腐化后形成腐殖酸類(lèi)物質(zhì))。

鉆孔新鮮水和水源井有機(jī)物種類(lèi)有2種：Ⅱ區(qū)(色氨酸)和Ⅳ區(qū)(溶解性微生物代謝產(chǎn)物)，說(shuō)明奧陶系灰?guī)r水中的溶解性有機(jī)質(zhì)主要是通過(guò)微生物產(chǎn)生的。而礦井水(包括采空區(qū)出水和水倉(cāng)水樣)中有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要為色氨酸、溶解性微生物代謝產(chǎn)物及腐殖酸，礦井水與奧陶系灰?guī)r水相比，水中增加了一種有機(jī)質(zhì)即腐殖酸類(lèi)物質(zhì)。這是由于煤是植物遺體經(jīng)過(guò)生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成，含有大量的腐殖酸物質(zhì)，奧陶系灰?guī)r與煤層相互作用，在采礦活動(dòng)的影響下形成礦井水，使得礦井水中含有腐殖酸類(lèi)物質(zhì)。

3.2.2 UV254和TOC分析

通過(guò)對(duì)各水樣UV254和TOC的檢測(cè)分析，如圖5所示。

圖5 水樣有機(jī)質(zhì)含量柱狀圖Fig.5 Organic content histogram of water samples

可以明顯看出，H-1(黃河水)的UV254(0.052 cm-1)和TOC(5.592 mg/L)均大于其他水樣，這是由于地表水與外界環(huán)境聯(lián)系緊密，落葉、雜草等植物落入水體后，隨著腐敗的加劇，會(huì)增加河水中溶解性有機(jī)質(zhì)的濃度。而地下水中UV254與TOC值明顯低于地表水，是因?yàn)榈叵滤鄬?duì)地表水較為封閉，受外界環(huán)境影響較小。鉆孔新鮮水中UV254與TOC值最小，說(shuō)明在原生環(huán)境下，奧陶系灰?guī)r水中的溶解性有機(jī)質(zhì)含量較少。

另外，大部分采空區(qū)出水、水倉(cāng)水的UV254和TOC值大于其他奧陶系灰?guī)r水樣，說(shuō)明由于采煤活動(dòng)的影響，礦井水中有機(jī)質(zhì)含量增加。泉水的UV254(0.009 cm-1)和TOC(0.750 6 mg/L)大于水源井(S1和S2)，這是因?yàn)槿傻谒南禎撍懦觯谒南禎撍饕邮艿乇硭a(bǔ)給，所以有機(jī)質(zhì)含量也較高。

4 結(jié)論

(1)保德煤礦地表水、泉水和奧陶系灰?guī)r水的水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3-Na和HCO3-Ca，但位于滯留區(qū)的鉆孔新鮮水化學(xué)類(lèi)型為SO4-Na和SO4-Mg；位于弱徑流區(qū)或滯留區(qū)的奧陶系灰?guī)r水樣K++Na+濃度大于徑流區(qū)水樣，而Ca2+(Mg2+)濃度則相反，主要受離子交換作用和采煤活動(dòng)的影響。

(2)地表水和泉水中有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要為腐殖酸類(lèi)物質(zhì)，奧陶系灰?guī)r水有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要為色氨酸和溶解性微生物代謝產(chǎn)物，主要是通過(guò)微生物產(chǎn)生的，而礦井水有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為色氨酸、溶解性微生物代謝產(chǎn)物及腐殖酸，這是受采礦活動(dòng)影響，奧陶系灰?guī)r水流經(jīng)煤層，將煤中的腐殖酸類(lèi)物質(zhì)溶濾形成礦井水。

(3)地表水中UV254和TOC值較其他水樣高，與地表河流樹(shù)葉等植物的腐化溶解有關(guān)，礦井水中UV254和TOC值較奧陶系灰?guī)r水較高，與煤層中腐殖酸類(lèi)物質(zhì)的溶解有關(guān)。