神東礦區礦井水水化學特征及其灌溉適宜性評價

呂情緒，李 果，許 峰，楊茂林，黃 歡

(1.神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719300； 2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054； 4.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054)

我國的煤炭資源與水資源分布呈逆向分布，西部地區煤炭資源相對豐富，但其水資源相對缺乏，大部分礦區位于干旱半干旱地區，其經濟社會發展受到水資源的嚴重制約[1]。在煤炭開采過程，產生了大量的礦井水。據統計，我國噸煤開采約產生2 m3礦井水[2]，但礦井水的利用率僅為35%左右[3]，主要原因是礦井水水質相對較差，不能直接利用，需要進行預處理，其高額的成本限制了其利用。

近年來，礦井水資源化利用的研究逐步受到國內學者的關注。顧大釗等[3]系統整理了我國礦井水的處理現狀，針對不同水質的礦井水提出了適應的處理工藝。閆佳偉等[4]梳理了我國在礦井水資源化利用方面的一些不足，分析了其制約因素，提出了一些對策及發展前景。方惠明等[5]總結了西部高礦化度礦井水的零排放技術及其優缺點，結合神東礦區提出了其零排放的工藝流程。從這些研究中可以發現，礦井水的水化學特征決定了其處理工藝及其成本。因此，對礦井水的水化學特征的研究非常重要。

近年來，已經有學者開始對礦井水的水化學特征進行了研究。郝春明等[6]以神東礦區為例，分析了其礦井水中F-的空間分布特征，并探討了其形成機制。Wang等[7]以郭家灣煤礦為研究對象，分析了井下不同地段礦井水水質的差異性，并采用集對分析法對其水質進行了評價。這些研究中多側重水化學特征研究，而對于缺水礦區礦井水的灌溉適用性研究相對較少。

神東礦區地處陜北內蒙接壤帶，為黃土高原北緣與毛烏素沙漠過渡地帶東段，為我國14個億噸級煤炭生產基地之一[8]，在國家煤炭供給中起到關鍵性作用。但由于當地水資源短缺問題制約了其高速發展，為此，如何高效利用當地礦井水資源成為研究的熱點，而這當中礦井水的水化學特征直接影響了其資源化的進程。本文以神東礦區為例，采集了礦井水進行水化學分析，研究礦井水水化學特征及其影響因素，并分析了其灌溉的適宜性，以期為制定礦井水處理工藝及高效利用方案提供參考。

1 研究區概況

神東礦區地處毛烏素沙地與黃土高原過渡地帶，為典型的干旱半干旱大陸性氣候，干旱少雨，蒸發量大，多年平均降雨量400 mm左右，年平均蒸發量2 300 mm左右，屬嚴重缺水地區[6]。神東礦區核心區主要分布有柳塔礦、烏蘭木倫礦、寸草塔礦、寸草塔二礦、布爾臺礦、補連塔礦、上灣礦、石圪臺礦、哈拉溝礦和大柳塔礦(包含活雞兔井)。

研究區井田內地層由老至新有三疊系上統永坪組(T3y)，侏羅系中下統延安組(J1-2y)，侏羅系中統直羅統(J2z)，新近系上新統三趾馬紅土(N2)及第四系(Q)。含水層主要有第四系松散層孔隙潛水含水層和中生界碎屑巖類裂隙承壓水(直羅組和延安組砂巖含水層)。其中，第四系孔隙潛水含水層富水性相對較強，基巖含水層富水性相對較弱[9]。

研究區可采煤層共8層，由上至下依次為11、12、22、31、42、43、44、52號煤層，部分煤層全區可采，部分煤層局部可采。

根據礦井充水因素分析，礦井煤層開采直接充水含水層為中生界碎屑巖類裂隙承壓水(直羅組和延安組砂巖含水層)，間接充水含水層為第四系含水層，部分礦區在地面溝谷區直接充水含水層可能包含第四系松散含水層。其充水通道主要為導水裂縫帶及天然裂隙帶。

2 水樣采集與分析

表1 礦井水采樣點位置Tab.1 Location of mine water sampling points

為了確保測試結果的準確性和有效性，每組礦井水樣品均進行了3次測試，取其平均值作為最終結果，以消除誤差。此外，根據陰陽離子的毫克當量數，通過分析計算陰陽離子電荷平衡誤差(CBE)來驗證測試結果的有效性，其計算公式為[10-11]：

(1)

式中，ma和mc分別為陰陽離子的毫克當量濃度。

經過重復檢測和電荷平衡分析，12件樣品測試結果均有效且CBE在±5%范圍內。

3 結果與討論

3.1 一般水化學特征

所有采取的礦井水樣測試結果統計表見表2。

所有礦井水樣品的pH值為7.64～8.48，都為弱堿性水。TDS為275.13～3 090.14 mg/L，平均值為1 641.734 mg/L。除了M7和M9水樣TDS小于1 000 mg/L，其余礦井水礦化度均大于1 000 mg/L(圖1)，為高礦化度礦井水。這主要是因為M7水樣和M9水樣埋深較淺，受到新鮮的淺層第四系含水層的補給，導致其TDS相對較小；而M10水樣是42煤上部含水層，埋深較大，不易接受補給，因此TDS大。礦井水的TH為19.21～804.01 mg/L，平均233.22 mg/L，其中M5和M8水樣的TH大于400 mg/L，其余水樣TH均較小。

表2 礦井水質測試結果Tab.2 List of mine water quality test results mg/L(除pH值外)

3.2 氟離子特征

礦井水中F-質量濃度最高為6.75 mg/L，其中7個礦井水樣F-質量濃度均大于1 mg/L，為高氟礦井水。根據圖1可知，TDS高的礦井水其F-濃度同樣較高，呈現較好的相關性。這是由于TDS高的礦井水其補給較差，長時間發生水—巖作用，圍巖中的含氟礦物成分不斷融入水中，導致礦井水中的F-濃度較高。

圖1 TDS柱狀圖及TDS與F-相關關系Fig.1 TDS histogram and correlation between TDS and F-

根據取樣地點的空間分布，位于西北部的補連塔煤礦和布爾臺煤礦礦井水中氟離子濃度相對較高，均大于2 mg/L，而位于東南部的哈拉溝煤礦和石圪臺煤礦礦井水中氟離子濃度相對較低，氟離子濃度整體呈現出西北高、東南低的特征。同時，對比補連塔煤礦M1和M2與M3發現，M2和M3中氟離子濃度高于M1，說明開采下水平煤層時礦井水中氟離子濃度會呈現升高的趨勢。這是因為煤層埋深越大，其補給條件越差，越不易接受新鮮水源補給，加之長期水巖作用，導致水中氟離子濃度逐步升高。

3.3 水化學類型

Piper三線圖是用來判別礦井水的水化學類型最有效的方法之一[12-13]。根據研究區礦井水的主要離子含量繪制Piper三線圖，如圖2所示。

圖2 Piper三線圖Fig.2 Piper trilinear diagram

3.4 水化學影響因素

(1)水—巖作用。研究區礦井水在漫長的徑流過程中不斷與其周邊圍巖發生水巖作用，同時也可能受到大氣降水和蒸發的影響。研究不同水體水化學特征的影響因素，對掌握其水化學成因有著非常重要的影響。目前Gibbs圖常被用來探討地下水的形成機制[14-15]。

(2)陽離子交換作用。從圖3(b)可以看出，一部分地下水水化學樣品落于曲線外部，這可能是由于礦井水在徑流過程發生了陽離子反交換作用，導致地下水中的Na+濃度增大。

圖3 Gibbs圖Fig.3 Gibbs diagram

目前，大部分學者均采用國外學者Schoeller提出的2個參數(CAI-1和CAI-2)來判斷地下水中是否發生陽離子反交換作用[16-17]。其計算公式為：

(2)

(3)

當CAI-1和CAI-2均為正值時，說明發生了陽離子交換作用，其反應式為方程式(4)；當兩指標均為負值時，說明發生了反陽離子交換作用，其反應式為方程式(5)[18]。

2Na+(Ca，Mg)X2(Ca，Mg)2++2NaX

(4)

(Ca，Mg)2++2NaX2Na++(Ca，Mg)X2

(5)

根據研究區礦井水化學測試數據，繪制了CAI-1和CAI-2的關系(圖4)。由圖4可看出，CAI-1和CAI-2兩指標均為負值，說明了研究區礦井水確實發生了陽離子反交換作用(反應式(5))，即礦井水中的Ca2+和Mg2+與其周圍砂巖中Na+發生了交換，導致礦井水中的Na+濃度增大。

圖4 CAI-1和CAI-2關系Fig.4 Relationship between CAI-1 and CAI-2

3.5 灌溉適宜性評價

神東礦區地處干旱半干旱地區，水資源及其匱乏。由礦井水水化學特征分析可知，礦井水為高鹽高氟礦井水，不適合生活飲用。隨著神東礦區建設綠色礦山的推進，用于地面植被灌溉的量越來越大，因此非常有必要開展礦井水植被灌溉適應性評價。

灌溉水的鹽堿害直接影響植物的生長。鹽害通常用電導率(EC)表征，其除了直接影響植被生產外，還間接影響土壤的結構、滲透率和通氣性[19]。堿害通常用鈉吸附率(SAR)和鈉百分含量表征，其計算公式分別為：

(6)

(7)

根據灌溉水鹽堿害分類圖(圖5(a))可知，神東礦區礦井水的電導率普遍較大，50%的礦井水EC值大于2 250，位于鹽害極高(C4)范圍內，58%的礦井水SAR值大于18，位于堿害高(S3)范圍內，即研究區礦井水的鹽堿害較嚴重，未經過處理前，不適宜進行植被灌溉。同樣的，根據鈉百分含量與EC關系圖(圖5(b))可知，50%的礦井水中鈉百分含量大于80%，為不適合灌溉用水。綜上可知，神東礦區礦井水絕大部分不適宜直接用于植被灌溉，需要提前將礦井水進行預處理，降低其礦化度及Na+含量。如果長期用礦井水進行植被灌溉，不但會直接影響植被的生長，而且會影響土壤的板結，造成土壤結構的破壞，進而影響植被的生長[20]。

圖5 灌溉水鹽堿害分類和ρ(Na)與EC曲線Fig.5 Classification chart of saline alkali damage of irrigation water and chart of ρ(Na) and EC

3.6 社會效益分析

通過水化學特征研究發現，神東礦區礦井水為高TDS、高F-水。雖然研究區處于干旱半干旱水資源短缺地區，礦井水在未進行處理之前，若作為飲用水源供給居民用水會產生一系列的健康危害，輕者使牙齒產生斑釉，關節疼痛，重者會影響骨骼發育，致使喪失勞動力。同時，通過灌溉的適宜性分析發現，礦井水直接作為灌溉用水，同樣會對植物產生一系列的影響，長期灌溉含高Na+的高TDS、EC礦井水，會產生鹽堿害問題，嚴重者土壤結構遭受破壞，導致植被生長嚴重受損，使當地生態環境受到一定的影響。因此，本研究在安全供水、健康灌溉、生態保護等方面具有明顯的社會效益。

4 結論

本文為確定神東礦區水化學特征，采集了12組礦井水樣品進行分析，采用多種方法，分析了礦井水的水化學特征及其影響機制。

(2)礦井水主要水化學類型為HCO3·SO4·(Cl) -Na及HCO3·SO4·(Cl) -Na·Ca。煤層埋深較淺的礦井水主要受巖石風化控制，而埋深相對較深礦井水，主要受濃縮作用控制。同時研究區礦井水中還發生了陽離子反交換作用。

(3)研究區50%的礦井水EC值大于2 250，58%的礦井水SAR值大于18，50%的礦井水中鈉百分含量大于80%，大部分礦井水不適合進行直接灌溉。