采煤活动对煤矿地下水化学特征的影响研究

2021-06-03吕情绪

能源与环保 2021年5期

吕情绪

(神华神东煤炭集团有限责任公司技术研究院，陕西神木 719315)

地下水的化学成分是在长期的径流过程中与外界环境相互作用的产物，记录着地下水的补给、运移和循环规律[1-3]。但随着采煤活动的发展，会破坏原有的地层环境进而使地下水中的无机及有机水化学成分发生改变，呈现出不同的水化学特征[4-5]。

近年来，学者们在矿区地下水水化学特征研究方面做了大量的工作。杨建[6]对呼吉尔特矿区葫芦素煤矿水文地球化学特征进行研究，得到了第四系松散孔隙含水层、白垩系孔隙裂隙含水层和侏罗系砂岩裂隙含水层之间的联系；方刚等[7]采用水质全分析、同位素测试等多种方法对榆横矿区巴拉素井田各类水体的水文地球化学特征进行了研究，得到了从地表水到地下水的水化学变化情况；张泽源等[8]综合运用相关性分析、离子比例系数、饱和指数反演、氯碱指数等方法对保德煤矿奥陶纪灰岩水水化学特征进行分析，得到了该含水层的水化学形成机理。但这些研究仅侧重于无机水化学特征的研究，而在长期的水化学循环过程中和采煤活动的影响下，地下水中的有机水化学组分也在发生变化。因此，将无机与有机成分相结合研究，更能反映出矿区的水文地球化学特征，分析采煤活动对地下水的影响。

保德煤矿位于山西省保德县境内，地处黄河东岸天桥岩溶泉域排泄区的末端，矿井主采石炭二叠系煤层。区域内的主要含水层为奥陶系灰岩含水层，分布区域广，水量分布大，为煤矿生产过程中面临的主要水害威胁。本文以保德煤矿为研究区，采集研究区地表水、地下水、矿井水包括采空区出水和水仓水，从无机特征及有机特征2个方面系统分析研究区的水文地球化学特征及受采煤活动的影响，以期为该区的矿井水害防治及水资源开发利用提供理论支持。

1 研究区概况

保德煤矿位于山西省保德县境内(图1)，东西宽约5.7 km，南北长约14.0 km，面积约55.9 km2。矿区地处黄河东岸、属黄土高原的晋西北边缘，呈黄土沟峁、丘陵地貌，总体地势中部低、南北高，井田内地形切割严重，沟深坡陡，植被稀少，沟谷呈“V”字形，多呈南北向展布。区内发育一条季节性河流即朱家川河，从井田中部穿过并汇入黄河。矿区属北温带大陆性干燥气候，年平均降雨量439 mm，大多集中在7月、8月份，年平均蒸发量1 711 mm。

图1 采样点位置分布Fig.1 Location distribution of sampling points

矿区基岩埋深为69～113 m，煤层为下二叠统山西组(P1s)和上石炭统太原组(C2t)。其中，山西组含煤4～5层，可采平均厚度6.90 m，太原组含煤7～8层，可采平均厚度14.87 m。矿区地下水主要接受大气降水和地表河流水补给，主要有3大含水层：新生界松散岩类孔隙含水层；石炭、二叠系基岩裂隙含水层；奥陶系碳酸盐岩岩溶含水层。其中奥陶系灰岩岩溶含水为主要含水层，埋藏深度76.0～422.6 m，水位标高为+839 m，单井涌水量为360～2 300 m3/d，富水性差别较大，裂隙岩溶发育很不均匀。

2 样品采集与检测

2.1 样品采集

为了解研究区地下水水化学特征，此次研究按照分层取样的原则，包括地表水、泉水和深层地下水及矿井水，共采水样14组，各水样采集位置及水样类型见表1，分布如图1所示。其中，钻孔新鲜水、水源井水为奥陶系灰岩水，地表水为煤矿西部的黄河水，泉水为浅层地下水，井下采空区出水为奥陶系灰岩水经过工作面后排出的水，水仓水为矿井混合水。水样采集选用1.0 L塑料瓶，采样前先润洗3～5次，采样后立即密封水样，标注编号、时间、地点等信息，并立即送至实验室进行检测。

表1 研究区采样点位置及水样类型Tab.1 Location of sampling point and type of water sample in the study area

2.2 样品检测

3 结果与讨论

3.1 无机水化学特征

3.1.1 一般水化学特征

表2 研究区水样检测分析Tab.2 Test results of water samples in the study area mg/L

利用Aq·QA软件将常规离子绘制成Schoeller图[11]，如图2所示。由图2可知，大部分采空区出水、水仓水、钻孔新鲜水K++Na+的浓度大于水源井水样，而Ca2+和Mg2+的浓度小于水源井水样，这是因为奥陶系灰岩水由东向西径流过程中发生了离子交换作用，致使地下水中K++Na+浓度增加，Ca2+和Mg2+浓度减少，其反应方程：

图2 研究区水样Schoeller图Fig.2 Schoeller map of study area

Ca2+(Mg2+)(水)+Na+(K+)(岩)→Na+(K+)(水)+Ca2+(Mg2+)(岩)

3.1.2 水化学类型

Piper 三线图有助于了解地表水及地下水的主要离子组成和水化学类型，根据表2绘制七大常规离子Piper三线图[11-12]，如图3所示。

图3 Piper三线图Fig.3 Piper trilinear chart of study area

3.2 有机水化学特征

溶解性有机质(Dissolved Organic Matter，DOM)是动植物残体经历化学和微生物作用而形成的复杂有机化合物[12-13]。但由于地质和水文地质条件的差异，不同含水层中DOM类型和含量存在较大差异[14]。因此，需要利用定性(三维荧光光谱指纹技术测定DOM种类)与定量(UV254和TOC值表征DOM浓度)相结合的方式分析保德煤矿不同类型水样中有机成分特征。

3.2.1 三维荧光光谱特征

有机物结构中的官能团在特定波长的紫外光激发照射下，会呈现不同波长的荧光[15-16]。利用三维荧光光谱，将荧光强度以等高线的方式投影在以激发波长和发射波长为横纵坐标的平面上，以此来判别不同类型的溶解性有机质[17]。一般根据三维荧光峰位置的激发波长(EX)和发射波长(EM)，将溶解性有机质划分为5种类型：即Ⅰ区(EX<250 nm、EM<330 nm)代表酪氨酸；Ⅱ区(EX<250 nm、330 nm380 nm)代表富里酸；Ⅳ区(EX>250 nm、EM<380 nm)代表溶解性微生物代谢产物；Ⅴ区(EX>250 nm、EM>380 nm)代表腐殖酸类物质[18-19]。分别选择不同类型水样测定三维荧光光谱特征，如图4所示。

图4 研究区水样三维荧光光谱图Fig.4 Three dimensional fluorescence spectra of water samples

由图4可知，地表水和泉水只有一处荧光峰，分别在EX=291 nm、EM=414 nm和EX=273 nm、EM=386 nm处，均属于Ⅴ区(腐殖酸类物质)。说明地表水和泉水水样有机质来源以陆源有机质为主，这是因为地表水和泉水与外界接触较为频繁，受到生物影响较大(例如动植物残余落入水中腐化后形成腐殖酸类物质)。

钻孔新鲜水和水源井有机物种类有2种：Ⅱ区(色氨酸)和Ⅳ区(溶解性微生物代谢产物)，说明奥陶系灰岩水中的溶解性有机质主要是通过微生物产生的。而矿井水(包括采空区出水和水仓水样)中有机质类型主要为色氨酸、溶解性微生物代谢产物及腐殖酸，矿井水与奥陶系灰岩水相比，水中增加了一种有机质即腐殖酸类物质。这是由于煤是植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用转变而成，含有大量的腐殖酸物质，奥陶系灰岩与煤层相互作用，在采矿活动的影响下形成矿井水，使得矿井水中含有腐殖酸类物质。

3.2.2 UV254和TOC分析

通过对各水样UV254和TOC的检测分析，如图5所示。

图5 水样有机质含量柱状图Fig.5 Organic content histogram of water samples

可以明显看出，H-1(黄河水)的UV254(0.052 cm-1)和TOC(5.592 mg/L)均大于其他水样，这是由于地表水与外界环境联系紧密，落叶、杂草等植物落入水体后，随着腐败的加剧，会增加河水中溶解性有机质的浓度。而地下水中UV254与TOC值明显低于地表水，是因为地下水相对地表水较为封闭，受外界环境影响较小。钻孔新鲜水中UV254与TOC值最小，说明在原生环境下，奥陶系灰岩水中的溶解性有机质含量较少。

另外，大部分采空区出水、水仓水的UV254和TOC值大于其他奥陶系灰岩水样，说明由于采煤活动的影响，矿井水中有机质含量增加。泉水的UV254(0.009 cm-1)和TOC(0.750 6 mg/L)大于水源井(S1和S2)，这是因为泉水由第四系潜水排出，第四系潜水主要接受地表水补给，所以有机质含量也较高。