谈赵庄煤业水化学数据库建立及水化学特征研究的重要意义

2023-08-31申晓峰

当代化工研究 2023年17期

＊申晓峰

（晋能控股装备制造集团赵庄煤业有限责任公司山西 046605）

引言

随着赵庄矿井开采水平和范围的不断加深和增大，矿井水文地质条件也日趋复杂，不同含水层水源对矿井开采过程的影响程度不同，在预防和治理过程中需选择不同的应对手段及措施。因此，为有效预防水害事故的发生，提高防治措施的针对性及有效性，针对赵庄煤矿不同含水层需建立健全的水化学资料档案及水化学标准数据库。本文针对赵庄矿水文地质资料及水化学数据资料进行分析，掌握井下不同含水层的水化学特征，建立完善的数据库，以便矿井开采中及时准确判别不同含水层的水源，确保矿井安全开采，进而推动赵庄煤矿实现更加稳健的发展。

1.水源标准数据库的建立

通过收集赵庄矿水文地质资料及矿井水化学资料，并对矿井井下含水层出水点、采空区、矿井周边的井、泉、地表河流、水库等水源进行调查及取样测试，对不同含水层水化学资料进行补充和完善，建立聚类分析、灰色关联分析及多组逐步判别分析模型。并用分析系统软件对不同含水层水化学基础数据库资料进行聚类分析、筛选，结合水样从取样到测试时的实际情况，剔除异常水质数据资料，建立赵庄矿水化学标准数据库。

2.矿区各含水层水化学特征分析

通过矿区对各含水层水化学类型及检测指标进行统计汇总，将相关数据资料录入数据库中，并对各含水层常规离子的组成及相关性进行进一步分析，具体如下：

(1)地表水

本次共采集地表水两个，采集地点所属矿井分别是赵庄矿、相邻矿井。晋煤矿区地表水阳离子以Ca2+为主，Mg2+次之，其中Ca2+当量百分含量为45.5%～60.3%，Mg2+当量百分含量为28.8%～41.5%，K++Na+百分含量非常少，仅为10.9%～13%；阴离子以HCO3-、SO42-为主，HCO3-当量百分含量为56.1%～61.8%，SO42-当量百分含量为29.3%～33.2%，Cl-当量百分含量非常少，仅为8.9%～10.7%；地表水的水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg；pH值为6.525～8.254，总硬度305.84～484.53mg/L，属于硬水～高硬水，矿化度为667.88～739.55mg/L。

(2)二叠系砂岩水

①离子组成情况本次共采集砂岩水14个样本，采集地点所属矿井周边5个矿。晋煤矿区砂岩水的14个水样中，水化学类型比较单一，均为HCO3-K+Na，且离子组成结构非常一致，反映出该含水层与其他含水层之间水力联系较少，自身补、径、排条件比较独立，形成了稳定、单一的水化学特征；砂岩水离子组成结构非常相似，阳离子均以K++Na+为主，Na+当量百分含量为91.6%～96.9%，Ca2+和Mg2+含量非常少，二者当量百分含量仅为3.1%～8.4%；阴离子以HCO3-为主，HCO3-当量百分含量为69.7%～92.5%，SO42-和Cl-含量非常少，当量百分含量为1.5%～21.5%，Cl-当量百分含量为3.7%～24.1%；pH值为7.588～8.859，总硬度21.85～67.82mg/L，矿化度为766.19～2875.63mg/L。

②相关性分析可揭示地下水水化学参数的相似相异性及来源的一致性和差异性，计算砂岩水样水质参数之间的Pearson系数，结果显示砂岩水中K++Na+与Ca2+、K++Na+与CO32-+HCO3-、K++Na+与Cl-、Ca2+与CO32-+HCO3-、CO32-+HCO3-与Cl-，相关系数均大于0.9，说明二者具有极高线性正相关性；Ca2+与Cl-相关系数大于0.7但小于0.90，属于高度线性正相关性，说明砂岩水与铝硅酸盐矿物的溶解有关。

(3)太灰水

①本次共采集太灰水20个样本，采集地点共计14个矿。通过多次抽放水试验得知，矿区含有多组灰岩含水层组，且由于各含水层水力联系比较密切，使得水化学类型比较复杂。太灰水可以分为两种类型，一种是HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3-Mg·Ca；HCO3·SO4-Ca·Mg型，其中有6个矿所采集的太灰水属于此类型，此类太灰水阳离子以Ca2+为主，Mg2+次之，Ca2+当量百分含量为41.4%～67.6%，Mg2+当量百分含量为24.5%～53.4%，K++Na+当量百分含量非常少，仅为3.3%～17.5%。

另一种为HCO3-K+Na、HCO3·SO4-K+Na、HCO3·SO4-K+Na·Ca型，其中3个矿所采集的太灰水为此类型水，与前者不同，此类水K++Na+含量较高，尤其是寺河二号井和长平矿，K++Na+当量百分含量达到93.8%～95.7%，Ca2+和Mg2+含量非常少，二者当量百分含量仅为4.3%～6.2%；太灰水阴离子均以HCO3-为主，SO42-次之，HCO3-当量百分含量为37.5%～85.1%，SO42-为1.9%～45.2%，Cl-当量百分含量非常少，仅为3.6%～26.7%；太灰水pH值为6.618～8.672，总硬度34.52～716.88mg/L，矿化度为559.94～2756.03mg/L。

②分析结果显示，太灰水中K++Na+与，相关系数为0.944＞0.9，属于极高线性正相关；Ca2+与Mg2+，相关系数为0.830＞0.8，属于高度线性正相关。

太灰水中Ca2+、Mg2+之间呈正相关性，表明它们之间具有相似的来源，白云石及方解石溶解，可导致Ca2+、Mg2+含量同时增加。

白云石溶解方程：CaMg(CO3)2→Ca2++Mg2++2CO32-。

方解石溶解方程：CaCO3→Ca2++CO32-。

K++Na+与CO32-+HCO3-之间正相关，表明地下水中钾长石和钠长石的风化溶解对的贡献。

(4)奥灰水

①本次共采集奥灰水13个样本，采集地点5个矿。矿区奥灰水阳离子中K++Na+含量特别少，这与砂岩水以K++Na+为主要阳离子及太灰水中部分阳离子以K++Na+为主要阳离子为主的情况完全不同，矿区奥灰水中K++Na+含量非常少，其当量百分含量为0.8%～25.3%；阳离子均以Ca2+、Mg2+为主，Ca2+当量百分含量为44.4%～63.7%，Mg2+当量百分含量为29.1%～41.2%。

②奥灰水中阴离子以HCO3-、为主，HCO3-当量百分含量为21.7%～67.9%，SO42-当量百分含量为26.7%～76.6%。与其他类型的水源不同，奥灰水中Cl-当量百分含量相当少，仅有1.5%～7%，平均为3.52%，而砂岩水Cl-平均当量百分含量为14.2%，太灰水为11.06%，3号煤层采空区积水为11.75%。

③矿奥灰水的水化学类型为SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg；奥灰水pH值为6.878～8.135，总硬度407.75～935.44mg/L，矿化度为714.86～1338.88mg/L。

④通过分析各离子的相关系数，可知奥灰水中Mg2+与SO42-，相关系数为0.937＞0.9，属于极高线性正相关，表明奥灰水与硫酸盐矿物的风化溶解有关。

(5)3号煤层采空区积水

①本次共采集3号煤层采空区积水19个样本，采集地点共6个矿。由于采空区积水不同于原始含水层，与采掘活动联系密切，煤层回采后形成的导水裂隙带会导通上覆含水层，加剧砂岩含水层之间的水力联系，有些煤层埋藏较浅的采空区，甚至会受到地表水的影响。因此3号煤层采空区积水水化学特征比较复杂，根据其水化学特征，将本次分析的3号煤层采空区积水的化学特征分为以下三类。

②砂岩水相似型：水化学类型为K+Na-HCO3，阳离子以K++Na+为主，当量百分含量达到90.4%～96%，Ca2+、Mg2+当量百分含量非常少，仅为4%～9.6%；阴离子以CO32-+HCO3-为主，当量百分含量达到71.5%～88%，SO42-和Cl-当量百分含量很少，仅为12%～28.5%。反映出所取的3号煤层采空区积水直接充水来源主要为上覆砂岩水。

③砂岩水与地表水混合型：水化学类型为HCO3·SO4-K+Na、HCO3-K+Na·Ca，阳离子表现出与砂岩水相似，仍然以K++Na+为主，但Ca2+、Mg2+含量较砂岩水较高，Ca2+、Mg2+当量百分含量为21.8%～50.7%，接近地表水；阴离子也与砂岩水相似以为主，但SO42-含量砂岩水较高，与地表水阴离子组成相似，反映出所取的3号煤层采空区积水大部分直接充水水源为砂岩水，但仍然有部分地表水大量渗入，使得样品反映出砂岩水与地表水混合的水化学特征。

④地表水相似型：从本次采集相邻6个矿井的3号煤层采空区积水水样分析来看，其水化学特征与地表水非常接近（见表1），其水化学类型均为HCO3·SO4-Ca·Mg，这与相邻矿井3号煤层埋藏浅且煤层存在露头区，大气降水及地表水可能会从3号煤层开采后产生的导水裂隙带、裂缝、塌陷坑等进入矿井的实际情况相吻合。说明6个矿井3号煤层采空区积水的直接充水水源为地表水。