辛置煤矿主要含水层的自由排水柱淋滤实验与水岩作用机理

2019-05-08赵峰华孙红福朱孟浩

煤炭学报 2019年4期

赵峰华，郭元，孙红福，朱孟浩

(中国矿业大学 (北京) 地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

辛置煤矿拥有60多年的开采历史，该矿井水文地质条件复杂，造成其主要含水层水质和地下水环境复杂多变。辛置煤矿主要含水层包括二叠系K8砂岩裂隙承压含水层、石炭系太原组K3灰岩岩溶裂隙承压含水层、石炭系太原组K2灰岩岩溶裂隙承压含水层和奥陶系峰峰组O2f灰岩岩溶裂隙承压含水层，它们对应的水化学类型分别为HCO3-Na型、SO4-Na型、SO4-Ca·Mg型、SO4-Ca·Mg型(HCO3-Ca·Mg型)。其中石炭系K2灰岩含水层与奥陶系O2f灰岩含水层水质指标高度重叠，尽管目前有很多的水源判别方法[1-4]，但均无法对它们进行有效判识;而二叠系K8砂岩含水层与石炭系K3含水层水质指标也存在很多异常。为了深入研究辛置煤矿主要含水层的水化学特征和水岩相互作用机理，笔者对辛置煤矿4个主要含水层的岩芯样品进行了自由排水淋滤实验(AMIRAP387A)[5]研究。在矿井水水质预测动力学实验方面，柱淋滤实验比湿气单元实验更被广泛使用;目前被认可的标准柱淋滤方法包括ASTM D5744-12B,EPA1627和AMIRA P387A，但自由排水柱淋滤实验(AMIRAP387A)在实验设计方面如颗粒粒度、样品质量和淋滤液收集频率等方面比其他方法更灵活，而且该方法已经被国际性实验室(如ALS Global公司)作为标准在商业上推荐和使用[6]。自由排水柱淋滤实验能够快速地获得离子淋滤速率等水岩相互作用信息[7-12]。

1 样品采集与实验

1.1 样品采集和测试

本研究采集了辛置煤矿4个主要含水层的岩芯样品K8,K3,K2和O2，它们分别对应二叠系K8砂岩、石炭系K3灰岩、石炭系K2灰岩和奥陶系O2f灰岩。

采用X射线衍射仪(X-Ray Diffraction，XRD)对4个岩芯样品的矿物组成进行了定量分析测试，每个样品各取5 g并将其研磨成小于200目的粉末用于测试，测试仪器型号为日本理学D/MAX 2500，Cu 靶，X射线衍射仪工作电压为40 kV，工作电流100 mA。2θ扫描范围为2.6°～80°，步长0.01°，扫描速度为0.1°/s。采用X射线荧光法(XRF)对岩石样品进行元素全分析。仪器型号:飞利浦PW2404 X射线荧光光谱仪。

1.2 自由排水柱淋滤实验

自由排水淋滤实验用于矿山岩石和尾矿废石的产酸预测等地球化学影响研究，能够提供矿石的金属淋滤行为、硫化物反应速率、氧化动力学等水岩相互作用信息。

1.2.1实验装置设计

自由排水柱淋滤实验装置设计示意如图1所示，自由排水柱淋滤实验装置共有3层，最底层为滤液收集层，中间层是放置布氏漏斗的支撑层，最上层为加热灯架，3层的间隔可以根据实验需求自由调节，本实验中底层、中间层和顶层之间的距离分别为:22 cm和74 cm;加热灯要安装在淋滤柱上面保持岩石样品表面温度在30～35 ℃，目的是促进淋滤岩石的风化速率，并确保在下一次淋滤前淋滤材料彻底干燥，完成一个淋滤周期，本实验装置配备150 W的加热灯，每个加热灯之间的距离为10.5 cm，加热灯与中间层的垂直高度为47.2 cm;实验装置的中间层长度和宽度分别为180 cm和60 cm，中间布置了16个直径为7.5 cm的孔，这些可以放置不同规格的布氏漏斗，布氏漏斗之间的间距是13 cm×15.5 cm。根据设计图制作的自由排水柱淋滤实验装置如图2所示。

图1 自由排水柱淋滤实验装置设计示意Fig.1 Schematic diagram of free draining column leaching experiment device

图2 自由排水柱淋滤实验装置Fig.2 Device of free draining column leaching experiment

1.2.2实验流程

2 结果和讨论

2.1 岩芯样品的组成

岩芯样品的全岩XRD定量分析结果见表1。K8砂岩岩芯样品中石英占54.6%，长石占10.7%，黏土矿物共占34.7%;K3灰岩岩芯样品的矿物组成包括92%的方解石，5.6%的白云石和2.4%的石英;K2灰岩岩芯样品中含有73.8%的方解石、16.6%的黏土矿物和9.6%的石英;O2灰岩岩芯样中方解石和黄铁矿分别占98.4%和1.6%。岩芯样品XRD定性分析结果与定量分析结果存在差异，K8岩芯样品含有正长石、石英、伊利石和高岭石;K3岩芯样品除含有方解石、铁白云石和石英，还检测出黄铁矿;K2岩芯样品的矿物组成包括方解石、白云石、石英、高岭石和蒙脱石;O2岩芯样品不仅含有方解石和黄铁矿，还含有石英矿物。这主要是由于目前全岩XRD定量分析方法存在一定的精度误差[13]，对含量低的矿物不能准确定量。此外，4个岩芯样品的XRD定性分析和定量分析均未检测出石膏。

表1 岩石样品中的矿物成分含量Table 1 Mineral composition content of rock samples%

2.2 淋滤液的电导率

电导率可以作为水中溶解电离物质浓度的非特效标准，在特定温度下，水的电导率是离子浓度的函数。因此，可以通过水样电导率的大小反映水样中可溶解性电解质的总量。通过不同淋滤液电导率随时间的变化规律(图3)可以看出:二叠系K8砂岩淋滤液电导率变化规律显著有别于与3个灰岩(K3,K2和O2)淋滤液;而K3,K2和O2灰岩淋滤液电导率的变化范围和规律比较相近。

图3 淋滤液电导率随时间的变化规律Fig.3 Change of conductivity of leachate with time

二叠系K8砂岩淋滤液的电导率变化范围非常大，从第4周的720 μS不断降低至第24周的170 μS;前2个月的下降速率明显大于后5个月的下降速率。K8砂岩电导率的变化表明岩石中除石英、斜长石和黏土矿物外，还含有较多的易溶组分，才会使得K8砂岩的电导率明显高于灰岩的电导率。

3个灰岩淋滤液电导率在7个月的淋滤时间内均出现了多次波动，在12～20周时间内电导率维持在高位，随后在24周均出现降低，在28周电导率集体回升。K3,K2和O2灰岩淋滤液对应的电导率变化范围分别为192～270,141～210和201～316 μS。奥陶系O2f灰岩淋滤液的电导率总体高于石炭系太原组K3和K2灰岩淋滤液电导率;而K3灰岩淋滤液的电导率高于K2灰岩淋滤液电导率。这主要与3个灰岩中方解石和易溶盐的含量有关，O2,K3和K2灰岩中方解石的百分含量分别为98.4%,92.0%和73.8%。

2.3 淋滤液的常量组分特征

辛置煤矿K8,K3,K2和O2f含水层岩芯样品淋滤液总溶解固体(TDS)含量(图4)与电导率具有一致的变化规律。在最初的3个月中，二叠系K8砂岩样品淋滤液的TDS含量显著高于3个灰岩淋滤液的TDS，其次是奥陶系峰峰组O2f灰岩样品淋滤液，而太原组K2灰岩淋滤液的TDS最低;在后4个月的淋滤时间内，K8砂岩淋滤TDS不断降低直至与K3和K2灰岩淋滤液对应的TDS大致相同，而O2f灰岩淋滤液的TDS含量最高。

图4 淋滤液的总溶解固体含量随时间的变化规律Fig.4 Change of total dissolved solids of leachate with time

在7个月的淋滤周期内，二叠系K8砂岩淋滤液的TDS变化范围为86.7～400.9 mg/L，平均TDS为188.4 mg/L。3个灰岩的TDS变化幅度比较相近，但在大多数淋滤时间内O2淋滤液的TDS大于K3淋滤液的TDS，而K2灰岩对应的TDS最低。O2,K3和K2灰岩淋滤液对应的平均TDS分别为150.8，120和99.9 mg/L。O2,K3和K2灰岩淋滤液TDS变化范围分别为174～111.4,135～102.2和124.2～78.4 mg/L。

图5 淋滤液中常量组分随时间的变化规律Fig.5 Change of constituents in leachate with leaching time

图6 淋滤液常量组分的当量百分比Fig.6 Equivalent percentage distribution of the constant component in leachate

2.4 淋滤液的微量组分特征

二叠系K8砂岩含水层和石炭系太原组K3含水层具有明显的特征，很容易对含水层进行判定;但石炭系太原组K2灰岩和奥陶系O2f灰岩含水层水质参数相互重叠，很难将它们区分。为了深入研究分析K2灰岩和O2f灰岩水质，对它们淋滤液中的39个微量组分进行了全面地分析测试。通过对微量元素测试结果的对比发现:K2和O2f灰岩淋滤液中Fe,Mo,Sb,U和Sr的含量具有很好地区分度，可以作为区分K2和O2f灰岩含水层的重要参考指标。

K2和O2f灰岩淋滤液中Fe离子含量随淋滤时间的变化规律如图7所示。尽管在7个月的淋滤周期内Fe的含量出现明显的波动，但O2f灰岩淋滤液中Fe离子的含量均显著高于太原组K2灰岩淋滤液中Fe的含量。O2f灰岩淋滤液中Fe离子含量均高于0.028 μg/L，而K2灰岩淋滤液中Fe的含量均低于0.024 μg/L。

图7 淋滤液中Fe离子含量随时间的变化规律Fig.7 Change of Fe concentrations in leachate with time

K2和O2f灰岩淋滤液中Fe的含量分布规律与它们对应的K2和O2岩芯样品矿物组分含量具有很好一致性。K2和O2岩芯样品矿物组分的测试结果(表1)表明O2样品含有1.6%的黄铁矿，而K2岩石样品中没有检测出含铁的矿物。因此O2样品淋滤液中含有较多的Fe离子。

K2和O2灰岩淋滤中Mo,Sb,U和Sr离子含量特征与Fe离子含量分布规律正好相反(图8)，K2灰岩淋滤液中的Mo,Sb,U和Sr离子含量均显著高于O2灰岩淋滤。在这4个微量元素中，按照含量高低的顺序依次为Sr>Mo>Sb>U。

图8 淋滤液中Mo,Sb,U和Sr的质量浓度随时间的变化规律Fig.8 Change of Mo,Sb,U and Sr concentrations in leachate with time

天然水中锶的质量浓度为70 μg/L，变化范围为3～3 000 μg/L，主要以Sr2+形式存在于水中[14]。K2灰岩淋滤液中Sr离子含量范围为378～725 μg/L;而Fe离子含量灰岩淋滤液中Sr离子平均浓度为156 μg/L，最高浓度只有235 μg/L。

天然水体中Mo的质量浓度为0.5 μg/L，海水中为10 μg/L。K2灰岩淋滤液中Mo离子含量范围为24.3～166 μg/L[14];O2f灰岩淋滤液中Mo离子浓度均小于6.1 μg/L。K2和O2f灰岩淋滤中Mo的含量均高于天然水体。

Sb离子在K2和O2f灰岩淋滤液中的质量浓度分别为0.256～0.695 μg/L和0.070～0.153 μg/L，具有很好的区分度。天然水体中锑的平均质量浓度为0.22 μg/L，质量浓度范围为0.01～5 μg/L[14]。K2和O2f灰岩淋滤中Sb的含量均在天然水体的正常范围。

K2和O2f灰岩淋滤液中U离子区分度非常明显，它们对应的质量浓度范围分别为1.31～3.79 μg/L。铀在水溶液中的溶解度和存在形式对pH和Eh的变化非常敏感。铀为两性元素，在酸性溶液中大多数呈络阳离子，pH增高时则趋向于形成各种络阴离子。在天然水体中，在弱碱性溶液中铀容易与CO32-形成稳定的络合离子[14]。

Mo,Sb,U和Sr离子在K2和O2f灰岩淋滤液中含量分布规律能够与K2和O2岩芯样品中的微量元素含量(表2)很好对应。K2灰岩岩芯样品(K2)中Mo,Sb,U和Sr元素含量均显著高于O2f灰岩岩芯样品。