王治文，李艷龍，孫建軍，王 亮

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

我國煤炭資源儲量豐富，長期的煤礦開采引發(fā)了諸多水文地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。礦井水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響著礦井涌水量的大小及礦井水化學(xué)特征[3-4]，區(qū)域水文地球化學(xué)場演變作用過程，也影響礦井水的特征成分及其演化方向[5]。

大同煤田煤炭資源儲量巨大，經(jīng)過近四十年的高強(qiáng)度開采，侏羅系煤層內(nèi)賦存了規(guī)模體系較大的采空區(qū)，特殊的干旱黃土地貌為淺埋的采空區(qū)提供了良好的充水水源及導(dǎo)水通道條件。因大同市水資源嚴(yán)重短缺，多年來居民供水緊張，對采空區(qū)水資源優(yōu)化利用技術(shù)的研究具有重要意義。針對上述問題研究了韓家洼煤礦采空區(qū)水在不同固液、不同浸泡時間條件下污染物的溶解釋放規(guī)律，從而為煤礦采空區(qū)水的資源化利用提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

韓家洼井田位于神頭泉域北部邊界附近，屬神頭泉域補(bǔ)給區(qū)。井田及周邊地區(qū)無地表水體賦存，大氣降水通過垂直滲透的方式補(bǔ)給煤系地層砂巖裂隙含水層。井田中部的北泉溝于雨季有短暫洪流，為礦井地下水的重要補(bǔ)給源。井田內(nèi)的含水層主要有第四系松散巖類孔隙含水層、風(fēng)化殼碎屑巖裂隙含水層、下石盒子組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層、太原組砂巖裂隙含水層及奧陶系碳酸鹽巖類巖溶含水層組。

根據(jù)韓家洼煤礦提供的2015 年至2020 年6月礦井涌水量觀測統(tǒng)計(jì)資料分析，2017 年至2020年礦井正常涌水量為28.5～31.6 m3/h，礦井最大涌水量為30～37.6 m3/h。

2 采空區(qū)水質(zhì)評價

根據(jù)韓家洼煤礦提供的水質(zhì)檢測報(bào)告，韓家洼煤礦采空區(qū)水的主要離子成分及含量如表1 所示。

表1 韓家洼煤礦采空區(qū)水質(zhì)檢測報(bào)告

由表1 可以發(fā)現(xiàn)，韓家洼煤礦采空區(qū)積水中總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì)（TDS）、總硬度值均較高，水體遭受輕度污染。結(jié)果顯示礦井水在采空區(qū)經(jīng)過了長期淋溶，導(dǎo)致煤層采空區(qū)內(nèi)垮落的砂巖、石灰?guī)r中的眾多沉積鹽類進(jìn)入水體并充分溶解，采空區(qū)水中的Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-增多，導(dǎo)致礦井水中的礦化度增高。

另外重金屬Fe 明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值，礦井水中氟化物的指標(biāo)也在合理的數(shù)值范圍內(nèi)。從表1 中數(shù)據(jù)整體分析來看，韓家洼礦區(qū)含水層的水質(zhì)比較好，屬于Ⅱ類水質(zhì)，為礦井水的處理和凈化提供了有利的條件。

按照國家 《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017） 中的部分標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對韓家洼煤礦井下水水質(zhì)進(jìn)行評價，主要評價因子如下：硬度、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氯化物、氨氮、硫酸鹽，水質(zhì)評價結(jié)果如表2 所示。

表2 地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分析項(xiàng)目

從表2 的數(shù)據(jù)可知： 韓家洼煤礦井下礦井水永久硬度、暫時硬度的濃度含量都達(dá)到地下水Ⅲ類的標(biāo)準(zhǔn)值。礦井水中Ca2+和Mg2+的濃度均比較高，需要利用凈化工藝進(jìn)一步降低其濃度才能達(dá)到深度處理目標(biāo)，處理后的礦井水可以作為礦區(qū)職工洗浴用水及景觀用水等。

3 采空區(qū)煤體浸泡試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了探究韓家洼煤礦采空區(qū)水污染物的溶解釋放規(guī)律，本次在韓家洼煤礦采取了新鮮煤樣，并對其進(jìn)行了煤體浸泡試驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)過程如下：

本次試驗(yàn)結(jié)合煤礦采空區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)，主要分析煤體在不同固液比條件下浸泡隨時間變化水中溶出各離子成分的變化趨勢，本試驗(yàn)采取平行雙樣進(jìn)行測試分析。

實(shí)驗(yàn)前，分別稱取3 類煤樣各400 g、200 g、100 g，粒度≤10 mm，置于2 500 mL 試劑瓶中，加入去離子水2 000 mL，初始pH 值為7，混合后的溶液形成的固、液質(zhì)量比分別為1∶5、1∶10、1∶20，期間進(jìn)行間歇式攪動，測定不同浸泡時間的上清液。

試驗(yàn)測試過程中，測定濾液中的主要水質(zhì)因子：氯化物（C1-）、鈉（Na+）、硫酸鹽（SO42-）、總硬度（CaCO3）、鈣（Ca2+）、鐵（Fe3+）、耗氧量（OC）、總?cè)芙庑怨腆w（TDS）、pH 值等，并確定主要污染因子。

按照上述實(shí)驗(yàn)步驟，針對韓家洼煤樣在不同固液比下分別浸泡10、20、30 天后，采取上清液進(jìn)行水質(zhì)全分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)的水質(zhì)全分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤樣浸泡后水中陽離子主要為Ca2+、Mg2+，其次為K+、Na+，陰離子主要為HCO3-，其次為SO42-、Cl-；主要污染因子為總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽；pH 為偏堿性，鐵離子、硝酸鹽含量較低，這與采空區(qū)實(shí)際采樣的水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果中各主要離子成分的比例基本一致。

為了進(jìn)一步探究煤樣在不同固液比條件下隨時間變化的水質(zhì)演化規(guī)律，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，繪制了各水質(zhì)影響因子在1∶5、1∶10、1∶20 固液比條件下分別浸泡10、20、30 天的變化曲線，如圖1、圖2 所示。

圖1 不同固液比條件下浸泡總硬度分析結(jié)果

圖2 不同固液比條件下浸泡TDS 分析結(jié)果

由圖1、圖2 可以看出，在不同固液比條件下對煤樣進(jìn)行浸泡處理，隨著浸泡時間的變化，浸泡液中主要陰陽離子及總硬度、TDS 等指標(biāo)均呈上升趨勢，且固液比越大，各主要參數(shù)的浸出濃度越高，這與水與煤體發(fā)生溶濾作用密切相關(guān)。

4 結(jié)論

1）根據(jù)大同市左云韓家洼煤礦采空區(qū)水水質(zhì)檢測結(jié)果，對韓家洼采空區(qū)水污染程度進(jìn)行了初步評價，發(fā)現(xiàn)韓家洼礦井水中溶解性總固體及總硬度均較高，采空區(qū)水輕度污染。

2）通過煤體浸泡試驗(yàn)，探討了采空區(qū)水中污染物的溶解釋放規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著浸泡時間的變化，浸泡液中主要陰陽離子及總硬度、TDS等指標(biāo)均呈上升趨勢，且固液比越大，各主要參數(shù)的浸出濃度越高，這與采空區(qū)水與殘留煤體、煤矸石發(fā)生溶濾作用有關(guān)。

3）煤礦區(qū)采空區(qū)水的水質(zhì)演化是一個非常復(fù)雜的過程，涉及地下水動力場、水化學(xué)場、溫度場以及微生物群落等多因素耦合，其具體機(jī)理及過程模擬尚需進(jìn)一步研究探索。