酸性矿井水入渗过程中水岩作用分析

沙双双

(山西焦煤汾西矿业环保处，山西 介休 032000)

引 言

煤炭在开采过程中受到外界环境影响，煤岩层中的硫化物在氧气、水、微生物等共同作用下，经过一系列的地球化学作用，形成酸性矿井水[1-2]。不仅正常生产的矿井会产生酸性矿井水，废弃的矿井在废弃后的几十年内仍可以持续不断的产生[3]。此外，矿井开采出来的矸石由于不同程度地含有硫化物，在雨淋作用下会产生以硫酸盐为主的酸性水[4]。矿井酸性水会对矿区生态环境造成影响。随着人们对环境保护的重视程度日益增加，对酸性矿井水的预防以及治理工作的受重视程度不断增高。

近年来，大量学者对酸性矿井水的产生机理、主要成分以及酸性水对环境的时间效应进行了大量的基础研究，并取得了显著的成果[5-7]。但是对于酸性矿井水在岩层渗透中的迁移演化规律研究却不常见。因此，笔者采用土柱淋溶实验方法对酸性矿井中的介质迁移规律进行研究，以便为酸性矿井水防治工作的开展提供一定的借鉴。

1 取样方法

实验取样样品来自于山西焦煤汾西矿业所属一主力矿井，采用蛇形取样法(“Z”字形取样法)，以便取得的样品更具有代表性。取10个样品，并将取得的样品进行混合，采用四分法进行缩分，取回的样品经过干燥、粉碎、筛分[30目(0.613 mm)]后保存。

2 实验与分析

2.1 实验过程

表1 实验本底值

表2 模拟酸性矿井水成分

2.2 分析方法

3 结果分析

3.1 硬度变化

实验过程表明，渗滤液迁移到测试孔后，渗滤液中的硬度值及钙、镁离子等含量迅速增加，通过测量的数据跟表2中的数据比对可以发现，在较长的一段时间内，渗滤液的硬度值及钙、镁离子等含量均是高于表2中对应的数据值。从质量守恒定律可以得出，较模拟酸性矿井水成分增加的钙、镁离子等来源于土柱本身的可溶解性物质，经过淋溶实验以及岩体与蒸馏水之间的相互作用，土柱内的大部分可溶性离子基本都已经渗滤出来。因此，可以确定，渗滤液中多出的钙、镁离子等主要是酸性矿井水与岩体之间的相互作用，造成渗滤液中的钙、镁离子等含量增高。

同时，由于该矿处于太原组，岩层中含有大量的石灰岩以及砂岩，且石灰岩中含有白云岩、方解石以及钠长石凳，这些矿物质与酸性矿井水发生的化学反应如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

从上述化学反应式可以看出，酸性矿井水与土柱之中的岩体发生化学反应，产生大量的钙、镁离子，同时造成酸性溶液的pH值增高。

3.2 硫酸盐与氯化物的变化

实验中氯离子与硫酸根离子的变化规律较为相近，具体如图1所示。

图1 氯离子与硫酸根离子随时间变化规律

氯离子较为稳定，在进行淋溶过程中与其他物质之间基本不发生化学反应，仅仅进行氯离子的交换或者络合，当浓度增高到一定值后趋于稳定。从硫酸根的变化曲线可以发现，硫酸根离子随时间的变化滞后于氯离子，主要是由于介质对离子的吸附阻碍了硫酸根离子的向外迁移。同时，测定的渗滤液浓度未高于淋溶液也表明土柱内基本没有硫酸根离子的重新生成及渗出。

3.3 铁离子与pH变化

具体的铁离子与pH值的变化情况以及变化趋势曲线如图2、图3所示。

图2 铁离子随时间变化曲线

图3 pH值随时间变化曲线

从图2、图3可以看出，铁离子以及pH值的变化趋势呈现出逆相关，铁离子随着时间的增加含量逐渐增高，pH值随着时间的延长逐渐降低，同时，铁离子及pH值测定结果与原采用的渗滤液相差较为明显。可以看出，当pH值较低时，溶液中有大量的H+，Fe2+被氧化成Fe3+时，消耗大量的H+离子，pH值增高。当pH值增加到6以上时，Fe3+容易出现水解，产生絮凝沉淀，造成渗滤液中的铁离子含量降低，同时，渗滤液中的pH值降低，具体发生的化学反应如式(4)～式(5)所示。

(4)

(5)

4 结论

酸性矿井水与岩体发生化学反应，造成渗滤液中的钙离子、镁离子含量增加，溶液的总硬度增加明显，同时，由于土柱是多孔隙介质，对硫酸根离子具有较强的吸附作用，因此，溶液中硫酸根离子的变化不明显。反应过程中消耗大量的H+离子，渗滤液pH值最后接近中性。