饱和指数法和稳定指数法在太灰水碳酸盐溶沉判别中的应用

许继影,戴洪宝,夏青森,孙月柔

(1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000;2.宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000)

饱和指数法和稳定指数法在太灰水碳酸盐溶沉判别中的应用

许继影1,戴洪宝2,夏青森1,孙月柔1

(1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000;2.宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000)

目的 近年来煤层底板灰岩水给矿井安全生产带来严重威胁，采用水文地球化学方法进行太灰水碳酸盐溶沉判别研究，以此判断其径流强弱，进而对涌突水可能性进行预测。方法 以淮北煤田五沟煤矿10份太灰水水样为研究对象，现场采样并进行样品测试，采用饱和指数法的饱和指标IL和稳定指数法的稳定指数指标IR进行水样的碳酸盐溶解或沉淀状态判别。结果 五沟矿太灰水中含碳酸盐岩的地下水IL值在0.44～1.6之间，IR值在3.88～6.39之间。依据判别准则，均处于沉淀状态，且两种方法判别结果一致，即该区太灰水不具有溶蚀能力。结论 该矿区的地下岩溶水在该区域排泄不畅，发生滞流，致使地水中溶解盐类逐渐增多，二氧化碳、氧气等气体逐步耗尽，最终丧失溶解能力；地下水径流缓慢，与其它水力联系较差，从水文地球化学角度分析，太灰水涌突水可能性较小。

饱和指数;稳定指数;溶沉判别

0 引 言

地表水下渗到地下后，若是和围岩介质有一定长的时间接触且需要经过一定长距离的缓慢径流，才达取样地点，则表示该区地下水循环较深，含水层岩溶发育程度较弱,从而导致径流迟缓[1]。这样的现象在水文地球化学特征中则表现为水中碳酸盐岩溶质过饱和，即沉淀态，反之则为溶解态[2]。

本文以安徽省淮北煤田临涣矿区境内的五沟煤矿为研究区，该矿位于北裸露区的太灰和奥灰含水层的部分区域，由大气降水补给，而径流和排泄则向南部平原地区[3]。其中10煤层下太灰水组对开采10煤产生威胁。选自区内10个代表性的水样，采用饱和指数和稳定指数2个指标分析其溶解、沉淀状态，进而对矿区太灰水的径流条件和水动力条件进行分析，尝试为矿井涌突水提供一种新的判断方法，为矿井安全生产提供参考[4]。

1 测试与结果

在五沟矿勘探和生产阶段，选取10个对L1-4层灰岩进行抽水试验的钻孔，获取10份水样，用蜡密封，将水样编号1～10，并注明对应的钻孔类型，然后送实验室检测。

1.1 测试项目

本次溶沉判断需测试的地下水常规水化学指标包含：

(1)常规离子：Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、K++Na+、Ca2+等；

(2)水质综合指标：pH、硬度、碱度、总溶解固体等[5]。

1.2 测试结果

通过常规水化学分析测试，得到的五沟矿水样中阴阳离子的含量(表1)。

表1 水样阴阳离子含量及pH (单位：mol·L-1)

2 溶沉判别

水-岩作用的过程中有一个时间较长的过饱和阶段，因此工程中常用饱和指数法或稳定指数法来进行判断。

2.1 饱和指数算法

利用求饱和指数公式：IL=pH0-pHs，其中IL饱和指数；pH0-实测pH；pHs-平衡时pH。判断标准[6]如下：

IL=0，稳定状态

IL>0，沉淀状态

IL<0，未饱和状态，CO2过量

2.2 稳定指数算法

利用稳定指数公式：IR=2(pHs)-pH20，其中pH20为20 ℃时实测pH。其判断标准[7]如下：

IR=6.5～7.0，基本稳定

IR<6.0，沉淀状态

IR>7.8～8.0，溶蚀状态

2.3 计算过程

pHS可由表2中查pKa2-pKS后计算求得。

表2 20 ℃时水中碳酸盐岩石pKa2-pKs表

表3 样品1阴阳离子含量及pH

以五沟矿水样编号为1的样品为例，

由表3知Ca2+的含量、矿化度、碱度、pH，从表2查出pKa2-pKS=2.50，则

IL=pH0-pHS=7.68-6.69=0.98>0

IR=2(pHS)-pH20=2*6.69-7.68=5.7<6.0

故，编号1的水样处于沉淀状态。

2.4 计算结果

依次类推，可以算出剩余水样的IL、IR值，计算结果见表4。

表4 水样中碳酸盐岩饱和指数IL及稳定指数IR

3 结 论

研究结果表明，五沟矿灰水上段中含碳酸盐岩的地下水均处于沉淀状态，即不具有溶蚀能力。说明该矿区的地下岩溶水在该区域排泄不畅，发生滞流，致使地水中溶解盐类逐渐增多，二氧化碳、氧气等气体逐步耗尽，最终丧失溶解能力；地下水径流缓慢，与其它水力联系较差，从水文地球化学角度分析，太灰水涌突水可能性较小。

[1]窦顺梅,陈繁荣,杨永强,等.花岗岩地区水-岩反应次生矿物的沉淀饱和指数估算[J].地球化学,2010,39(04):326-336.

[2]陈国军,丁庆和,凡净.淮南潘二矿A组煤层首采面底板水害条件勘查与分析[J].山东煤炭科技,2016(01):119-121.

[3]张磊,许光泉,刘泽功,等.A组煤层底板灰岩水水质特征及其形成机理[J].煤炭工程,2010(04):60-63.

[4]程玉山,徐会武,刘荣江,等.饱和指数和稳定指数计算方法研究[J].清洗世界,2012,28(09):17-21.

[5]彭鹏,宋汉周,吴志伟.基于化学热力学的饱和指数模型求解方法的改进[J].水文地质工程地质,2009,36(05):76-79.

[6]刘金辉,史维浚,孙占学.反应条件指数及其与饱和指数的关系初步探讨[J].地学前缘,2005,12(S1):124-126.

[7]王婷,陈鹏,尹玲玲.矿物饱和指数对矿区地下水化学场特性的研究[J].矿业安全与环保,2006,33(06):24-25.

[责任编辑：毛微曦 英文编辑：刘彦哲]

Application of Saturation Index and Stabilization Index Method to Solution-Precipitation Discrimination on Limestone Water from Taiyuan Formation

XU Ji-ying1,DAI Hong-bao2,XIA Qing-sen1,SUN Yue-rou1

(1.School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China; 2.School of Environment and Surveying Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

Objective In recent years,limestone water under the coal seam floor brings serious threat to the mine safety production.The hydrogeochemical method was studied for solution-precipitation discrimination,thus determining the runoff intensity and forecasting the possibility of water inrush.Methods By taking ten water samples from Taiyuan Formation of Wu-gou coal mine of Huaibei coalfield as the research object,they were sampled at the scene and tested in the laboratory.And dissolution and precipitation of samples were discriminated by saturation index method(IL)and stabilization index method(IR).ResultsILvalue of samples was between 0.44～1.6.IRvalue of samples was between 3.88～6.39.According to the criterion,all samples were in a state of precipitation,and the two methods judging the result had the same results.To sum up,the groundwater from Taiyuan Formation had no dissolution ability.Conclusion The karst groundwater of the mine area has drainage difficulty,which leads to gradual increase of the water soluble salts and gradual exhaustion of Carbon dioxide,oxygen and other gases,eventually losing solvency.Groundwater runoff is slow,and other hydraulic connection is poor.With analysis from the perspective of hydro-geochemistry,groundwater water inrush of Taiyuan Formation is less likely to happen.

saturation index;stabilization coefficient;solution-precipitation discrimination

国家大学生创新创业训练项目(20151039019)；宿州区域发展协同创新中心开放课题(2015SZXTZXKF03);宿州学院校级科研项目(2014YKF03)

许继影(1986-)，女，安徽淮北人，硕士，助教，主要研究方向为水文地质与工程地质。

TD 163

B

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.05.004

来稿日期：2016-08-01