羅通 李俊 趙成洲 桂和榮

摘 要：淮北煤田深層煤炭資源的開(kāi)采，二疊紀(jì)煤系砂巖裂隙水（簡(jiǎn)稱“煤系水”）的防治是煤礦防治水的重要對(duì)象。同時(shí)，煤系水在礦井水中所占比例較大，礦井水資源化利用有必要弄清煤系水的水文地球化學(xué)特征。為此，該研究于淮北煤田許疃煤礦采取了煤系砂巖水樣，獲取常規(guī)水化學(xué)組分測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)水樣的Piper三線圖與離子比例圖分析，揭示礦井深層煤系水水化學(xué)演變規(guī)律及主要的水文地球化學(xué)作用（以陽(yáng)離子交換作用與溶解作用為主）;并選取灌溉水作為礦井水資源化途徑之一，利用水質(zhì)指數(shù)法與Wilcox圖解進(jìn)行灌溉用水水質(zhì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，深層煤系水直接用于灌溉水時(shí)存在潛在的鹽堿害風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果為煤礦煤系水識(shí)別與礦井水資源化利用提供了水文地球化學(xué)方面的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤系水;常規(guī)水化學(xué);水化學(xué)形成作用;水資源化利用;淮北許疃煤礦

中圖分類號(hào) P641.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）03-0140-05

Abstract： For the exploitation of deep coal resources in Huaibei coalfield， the prevention and control of Permian coal measure sandstone fissure water （hereinafter referred to as “coal measure water”） is an important object of coal mine water prevention and control. At the same time， coal measure water accounts for a large proportion in mine water. It is necessary to clarify the hydrogeochemical characteristics of coal measure water for resource utilization of mine water. Therefore， Xutuan coal mine in Huaibei coalfield took coal measures sandstone water samples to obtain conventional hydrochemical component test data. Through the analysis of Piper three line diagram and ion proportion diagram of water samples， the hydrochemical evolution law and main hydrogeochemical effects （mainly cation exchange and dissolution） of deep coal measures in the mine are revealed; Irrigation water is selected as one of the ways of mine water resource utilization， and the water quality of irrigation water is evaluated by using water quality index method and Wilcox diagram. The results showed that there is a potential risk of salt and alkali damage when deep coal measure water is directly used for irrigation water. This study provides a hydrogeochemical basis for the identification of coal measure water and the resource utilization of mine water.

Key words： Coal measure water; Conventional water chemistry; Hydrochemical formation; Water resources utilization; Huaibei Xutuan coal mine

水環(huán)境質(zhì)量與水資源量關(guān)乎人類生產(chǎn)生活的正常運(yùn)行，受到了社會(huì)的持續(xù)關(guān)注[1，2]。在煤礦開(kāi)采工業(yè)中，地下采煤不僅受到深層地下水涌出帶來(lái)的安全威脅，大量深層地下水資源的抽排也可能受到污染。前人針對(duì)礦區(qū)深層地下水已開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，成果頗豐。例如，陳松通過(guò)煤礦區(qū)太灰水層的水常規(guī)、氫氧同位素及14C測(cè)試，利用傳統(tǒng)圖示及統(tǒng)計(jì)方法探討了地下水化學(xué)特征及演化，約束了深層地下水年齡及礦區(qū)內(nèi)的補(bǔ)徑排條件[3]。孫林華以任樓礦煤系含水層為主要研究對(duì)象，利用Visual Minteq軟件對(duì)水樣溶解態(tài)稀土的無(wú)機(jī)形態(tài)進(jìn)行了模擬分析，推論了深層地下水稀土元素分異的原因[4]。關(guān)磊聲對(duì)大同煤田多個(gè)礦區(qū)采空區(qū)水進(jìn)行了水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)后，提出了灌溉用水、工業(yè)用水與城市景觀用水等多種水資源化利用途徑[5]。因此，煤礦深層地下水的水質(zhì)特征與水環(huán)境質(zhì)量對(duì)后期水資源的利用開(kāi)發(fā)極為重要。為此，筆者選取淮北煤田許疃煤礦為研究區(qū)，以埋深在-600m左右的深層煤系水為研究對(duì)象，在探討其含水層水質(zhì)演化規(guī)律，并對(duì)其水環(huán)境質(zhì)量展開(kāi)評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地質(zhì)背景 淮北煤田位于安徽省北部，地跨宿州市、淮北市2個(gè)市，是中國(guó)年產(chǎn)煤千萬(wàn)噸的大型煤田（圖1）。許疃煤礦位于淮北煤田中南部，東北距宿州市約37km，西南距蒙城縣城約28km。礦井北端與童莊井田毗鄰，南端至板橋斷層，面積約53km2。井田開(kāi)采標(biāo)高范圍為-300～800m。

1.2 采樣點(diǎn)與樣品采集 許疃煤礦采煤工作集中于二疊系煤系地層，煤層編號(hào)從上而下分別編號(hào)為1煤、2煤…，7煤…，10煤，主采煤層為3煤、7煤、8煤，主采煤層的平均埋深在500m左右（圖2）。煤層上覆與下伏地層巖性主要為砂、泥巖，因此在煤層回采工作中，伴隨了大量深層煤系水的涌出。選取煤礦開(kāi)采工作面的多個(gè)出水點(diǎn)作為取樣點(diǎn)，在2014—2021年間對(duì)取樣點(diǎn)進(jìn)行了水樣采集工作，共獲取水樣14個(gè)。水樣采取流程嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，取好的水樣立即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)指標(biāo)測(cè)試并在24h內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室密封冷藏備用。

1.3 測(cè)試方法 首先，將取回的原始水樣進(jìn)行酸堿滴定，記錄消耗鹽酸的量V1、V2，再計(jì)算水樣中[CO2-3]、[HCO-3]的離子濃度。再將剩余的水樣抽濾后，并加入稀硝酸酸化備用，最后選擇離子色譜法（792Basic IC）測(cè)定Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+的離子濃度。為了保證測(cè)試精度，每5個(gè)測(cè)試樣品后均設(shè)置1個(gè)空白水樣進(jìn)行本底值的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理時(shí)控制各元素標(biāo)線R2>0.9999以滿足質(zhì)量控制要求。

1.4 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法 鈉離子百分比、鈉吸附比（SAR）、殘余碳酸鈉（RSC）及滲透系數(shù)（PI）分別表征地表水與地下水的鹽堿害與灌溉適宜程度[6]。4種水質(zhì)參數(shù)的水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別為詳見(jiàn)表1。各個(gè)水質(zhì)參數(shù)的計(jì)算公式如下：

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析 使用SPSS對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再應(yīng)用AQQA軟件對(duì)Piper三線圖進(jìn)行成圖，最后選擇Origin2020、CoreldrawX9繪制陰、陽(yáng)離子比例圖、Wilcox圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水常規(guī)離子元素含量特征 水常規(guī)離子測(cè)試結(jié)果列于表2。由表2可知，陽(yáng)離子中含量大小順序?yàn)镵++Na+>Ca2+>mg2+。其中，K++Na+在所有水樣中均為優(yōu)勢(shì)離子，含量范圍在287.27～783.56mg/L，平均值為517.87mg/L;其次為Ca2+，含量范圍在4.75～32.54mg/L，平均值為12.88mg/L;Mg2+最低，含量范圍在1.44～15.48mg/L，平均值為5.11mg/L。陰離子中含量大小順序?yàn)閇HCO-3]>Cl->[SO2-4]>[CO2-3]。其中，HCO3-在所有水樣中均為優(yōu)勢(shì)離子，含量范圍在510.52～1693.68mg/L，平均值為982.39mg/L;其次為Cl-，含量范圍在90.41～359.88mg/L，平均值為221.45mg/L;[CO2-3]含量最低，濃度范圍在0.00～138.77mg/L，平均值為32.22mg/L。

煤系砂巖地層水中，形成上述離子濃度特征的原因有以下幾點(diǎn)：（1）Na離子主要來(lái)源于巖鹽、泥頁(yè)巖及火成巖中的富鈉礦物（長(zhǎng)石和粘土礦物）的溶解作用因此在煤系地層中含量長(zhǎng)期處于優(yōu)勢(shì)狀態(tài);（2）而煤系地層中石膏等礦物的缺乏則導(dǎo)致了鈣離子。與硫酸根離子的濃度較低;（3）煤系地層砂巖水處于的環(huán)境較為封閉，與重碳酸根離子結(jié)合形成沉淀的陽(yáng)離子含量較低，則重碳酸根離子為煤系地層中濃度最大的陰離子。

2.2 水文地球化學(xué)過(guò)程

2.2.1 水化學(xué)類型演變 piper三線圖是piper于1944年提出的，現(xiàn)在被廣泛使用在地下水與地表水的水化學(xué)研究中。piper三線圖由2個(gè)三角形與1個(gè)菱形組成，左右2個(gè)三角形（即三元圖）分別代表了水樣的多個(gè)陰離子、陽(yáng)離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)。具體的水化學(xué)類型確定方式是K++Na+、Ca2+、Mg2+在三元圖中確定了唯一點(diǎn)，[HCO-3]+[CO2-3]、Cl-、[SO2-4]同樣在三元圖中確定了唯一點(diǎn)，將2點(diǎn)反向延長(zhǎng)至菱形中，其交點(diǎn)就反映了該水樣的水化學(xué)類型。

將許疃礦深層水樣數(shù)據(jù)輸入AQQA軟件中，得到2014—2021年水樣的piper三線圖（圖3），由此可觀察地下水的水化學(xué)類型演變規(guī)律。菱形區(qū)域顯示所有的水樣的水化學(xué)類型均屬于Na-HCO3。但具體到陰、陽(yáng)離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)上，水樣的水化學(xué)類型在2014—2021年間是有顯然變化的。首先，陽(yáng)離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)在多年間變化程度不大一直以鈉、鉀離子為主（百分?jǐn)?shù)大于90%），鈣、鎂離子的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)始終小于10%。而陰離子部分，則表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，總的演變規(guī)律是隨著重碳酸根離子和碳酸根離子的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)的下降，氯離子的比重越來(lái)越大。具體數(shù)值變化范圍是氯離子的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)由20%升至40%以上，而重碳酸根離子和碳酸根離子由90%下降至50%。這可能表明了，煤系地層水對(duì)巖鹽等礦物的進(jìn)一步溶解。綜上所述，許疃煤礦深層水在2014—2021年間主要發(fā)生的水化學(xué)作用是溶解作用，水化學(xué)類型由Na-HCO3型向Na-HCO3·Cl型演化。

2.2.2 水文地球化學(xué)過(guò)程 通過(guò)分析地下水中主要離子組成和離子比例特征，可以揭示地下水中主要化學(xué)成分的來(lái)源及可能存在的水文地球化學(xué)過(guò)程。當(dāng)?shù)叵滤械腘a+和Cl-僅來(lái)自巖鹽的溶解，則Na+和Cl-的毫克當(dāng)量比應(yīng)當(dāng)為1。由圖4a可知，許疃礦煤系含水層的水樣未見(jiàn)明顯的分布差異，所有水樣均在1∶1線下部，說(shuō)明巖鹽溶解不是煤系水樣中的Na+的唯一來(lái)源。關(guān)于Na+的來(lái)源，極有可能與2種狀況有關(guān)，一是沉積巖或巖漿巖中含Na礦物的風(fēng)化溶解，如長(zhǎng)石、云母等;二是陽(yáng)離子交替吸附作用，砂巖水中Ca2+、Mg2+在巖土表面的吸附能力高于Na+，當(dāng)水流經(jīng)砂、泥、灰?guī)r地層時(shí)，發(fā)生了吸附作用導(dǎo)致了Na的富集。

當(dāng)?shù)叵滤械腫SO2-4]和Ca2+均來(lái)自石膏的溶解時(shí)，[Ca2+]/[[SO2-4]]應(yīng)當(dāng)為1。由圖4b可見(jiàn)，煤系砂巖水分布在1∶1線的兩側(cè)，下側(cè)分布的水樣以2014年與2018年為主，上側(cè)分布的水樣集中于2019—2021年。整體反映了深層煤系水中[SO2-4]和Ca2+主要來(lái)自石膏的溶解。此外，煤系水中的[SO2-4]整體濃度較低，可能反映了煤系地層水整體處于一個(gè)較為封閉的狀態(tài)下。

2.3 灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià) 煤系深層地下水在淮北煤田礦井中的抽排量在200m3/h左右，因此，煤系水的資源化利用不僅可以保障煤炭資源的安全開(kāi)采，并且節(jié)約了當(dāng)?shù)販\層地下水資源的消耗。而煤礦的位置設(shè)置一般在郊外農(nóng)耕地區(qū)，則先選取一系列的灌溉水水質(zhì)指標(biāo)用于表征深層地下水作為灌溉用水的適宜性。

表3列出了許疃礦煤系水的灌溉水水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果。具體來(lái)看，水樣整體較好的Na+（%）暗示了水樣作為灌溉用水時(shí)有一定的鹽害風(fēng)險(xiǎn)。鈉吸附比來(lái)看，除1、10、11號(hào)水樣外，其余水樣顯示了灌溉水的不適宜性;RSC值則整體顯示灌溉用水的堿害風(fēng)險(xiǎn);最后，滲透系數(shù)PI值顯示了深層地下水的高滲透性，揭示了利用灌溉的性質(zhì)。

用水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部Wilcox圖繪制了灌溉水Wilcox圖解（圖5），進(jìn)一步評(píng)價(jià)許疃礦砂巖水用于灌溉的可行性[7]。圖5中橫縱坐標(biāo)分別代表電導(dǎo)率與Na+（%），將水樣投點(diǎn)后可以發(fā)現(xiàn)，水樣點(diǎn)集中與懷疑保留區(qū)與允許懷疑區(qū)分界線的附近。這說(shuō)明深層煤系水的灌溉利用需要進(jìn)一步的查明。

3 結(jié)論

（1）許疃煤礦深層地下水中水常規(guī)陰、陽(yáng)離子的濃度大小為：K++Na+>Ca2+>mg2+，[HCO-3 ]>Cl->[SO2-4]>[CO2-3]。這種規(guī)律在2014—2021年間始終保持，而水化學(xué)成分高低受到水巖作用控制。

（2）piper三線圖與離子比例圖共同反映了許疃煤礦深層水在2014—2021年間主要發(fā)生的水化學(xué)作用是陽(yáng)離子交替吸附作用，水化學(xué)類型由Na-HCO3型向Na-HCO3.Cl型演化，同時(shí)煤系地層水可能整體處于一個(gè)較為封閉的狀態(tài)下。

（3）基于水質(zhì)指數(shù)法與Wilcox圖解評(píng)價(jià)了深層地下水資源用于灌溉水的適用等級(jí)。結(jié)果表明，若深層地下水直接用于灌溉用水，將給土地帶來(lái)一定的鹽堿害風(fēng)險(xiǎn)。但PI值較高則表明地下水滲透性較好在處理后可進(jìn)行地下水的資源化利用，其中工業(yè)用水與景觀用水均是良好的利用方向。

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（責(zé)編：張宏民）

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