寧夏紅一煤礦地下水水化學和環境同位素特征研究及應用

毛興軍

（寧夏回族自治區煤田地質局，寧夏 銀川 750002）

寧夏紅一煤礦地下水水化學和環境同位素特征研究及應用

毛興軍

（寧夏回族自治區煤田地質局，寧夏 銀川 750002）

研究紅一煤礦地下水水化學和同位素特征，是有效開展礦井防治水工作的前提和基礎。運用水文地球化學及環境同位素方法（測試、統計、表示、分析等），通過分析礦井前期水文地質資料，結果表明：該礦主要含水層地下水水化學類型均為舒卡列夫B組，水化學組成以SO42-、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+離子為主，水化學特征存在一定差異；地下水水化學玫瑰圖模型直觀、快速、準確、可操作性強，可作為快速判別礦井涌水水源的技術手段之一；礦井地下水總體以50年前補給水為主，受現代水微弱滲入補給，徑流、排泄、更新條件差；同時進一步指出，環境同位素兩種方法間接反映的水文地質特征相一致。

紅一煤礦；含水層；水文地球化學特征；環境同位素；補給來源

紅一煤礦位于寧夏回族自治區東北部紅墩子礦區，西南距銀川市約30km。井田內水系不發育，常年地表徑流的有井田西側的黃河、半截溝及井田北部的兵溝。該礦為紅墩子礦區首建礦井，井田面積30.8km2。煤系地層為二疊系山西組和石炭系太原組，主要開采煤層為4煤、5（下）煤、8煤、9煤和10煤。

該礦于2010年開工建設，先后施工井筒3個。由于古近系含水層涌水量較大，3個井筒全部采用凍結法施工，最大凍結深度449m。在建井階段，發生涌水現象3次。前期工作對井田水文地質特征認識程度較低。為了有效開展礦井防治水工作，研究地下水水化學特征尤為必要。

1　主要含水層特征

1.1含水層劃分情況

自上而下劃分為：第Ⅰ含水層（第四系松散巖類孔隙潛水含水層）；第Ⅱ含水層組（古近系及基巖風化帶碎屑巖孔隙裂隙承壓含水層）；第Ⅲ含水層組（二疊系孫家溝組、石盒子組碎屑巖裂隙承壓含水層）；第Ⅳ含水層組（山西組碎屑巖裂隙承壓含水層）；第Ⅴ含水層組（太原組砂巖裂隙承壓含水層）；第Ⅵ含水層組（土坡組砂巖裂隙承壓含水層）；第Ⅶ含水層組（奧陶系碳酸鹽巖裂隙承壓含水層）。見圖1。

1.2含水層主要特征

含水層中對礦井建設和開采有影響的，主要是第Ⅱ～第Ⅶ含水層組。其中第Ⅱ含水層組富水性中等，對井巷掘進危害尤為突出。第Ⅳ、第Ⅴ含水層弱富水～中等富水，為煤層開采時的直接充水含水層。該礦井水文地質類型為復雜型。

2　主要含水層水化學特征

地下水在地殼巖石中賦存和運移過程中，其化學成分不斷發生變化，同時也“標記”了地下水的形成環境和形成過程。研究地下水的化學特征有助于判斷其補給來源、含水層交替程度以及各含水層之間、含水層和地表水之間的水力聯系程度，從而有助于判斷礦井充水水源，確定可能充水地段和采取相應的防治水措施。

2.1地下水化學成分分析

以水質全分析項目為主，主要有：

（1）陽離子：包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等8種。其中NH+、Fe2+、Fe3+、Al3+四4種離子濃度微弱，不作為分析重點。

（3）水質評價指標：總硬度、永久硬度、暫時硬度、礦化度、pH值等。見表1。

圖1　含水層特征示意圖

表1　各含水層地下水化學成分及濃度統計表

2.2水化學特征表示與分類

（1）庫爾洛夫式。按照庫爾洛夫式表示法，陰陽離子均按照毫克當量百分數自大而小的順序排列，小于10%離子不予標示，見表2。

（2）舒卡列夫分類。根據地下水中Na+、Ca2+、Mg2+、、、Cl-（K+合并于Na+）6種主要離子及礦化度，對毫克當量百分數小于25%的離子不予考慮。按三步法確定含水層舒卡列夫分類代碼，見表3。

表2　各含水層庫爾洛夫式

表2　各含水層水化學分析表

2.3主要含水層水化學玫瑰圖模型的建立

含水層水質特征采樣測試工作一般在采煤至少一年前完成，以便在采煤后準確判別礦井涌水水源。本次利用該礦井20個水樣全分析資料，繪制完成了第Ⅱ～第Ⅶ含水層地下水水化學玫瑰圖，如圖2～圖8所示。

含水層地下水水化學玫瑰圖如下：第Ⅱ含水層陽離子相對陰離子摩爾濃度偏低，陰離子、Cl-和陽離子Na+、Ca2+、Mg2+摩爾濃度分布基本均勻；第Ⅲ含水層陰離子SO4

2-、Cl-摩爾濃度基本均勻分布，陽離子Na+、Ca2+、Mg2+摩爾濃度呈遞減形態；第Ⅳ、第Ⅴ含水層圖形態相似，主要區別在于Na+與Ca2+、Mg2+摩爾濃度差異；第Ⅵ含水層陰離子摩爾濃度相對陽離子明顯偏低，Na+摩爾濃度明顯較Ca2+、Mg2+高，右翼呈窄長條尖峰狀；第Ⅶ含水層呈現出兩翼蝴蝶狀，Cl-、Na+以峰值形式分布。

2.4含水層水化學特征分析

（2）各含水層礦化礦化度1.5～5.1g/L，按照舒卡列夫分類方法，均劃分為B組。

（3）各含水層水質為弱堿性水～堿性水，硬度普遍較高，為硬水～特硬水。其中，第Ⅶ含水層總硬度最高達到1708.49P（CaCO3）mg/L。

（4）第Ⅱ含水層礦化度相對較低。第Ⅲ～第Ⅵ含水層礦化度變化不大。第Ⅶ含水層礦化度最高，為高礦化度咸水。

（5）根據各含水層化學組分特征判斷，各含水層形成作用以溶濾、離子交換吸附作用為主；第Ⅱ含水層地下水徑流速度相對較快；第Ⅲ～第Ⅶ含水層水體較為封閉。

2.5水化學玫瑰圖在判別涌水水源中的應用

水化學特征是含水層最本質的特征。一旦礦井發生涌水和突水現象，及時準確地判斷涌水水源，是防治水的關鍵所在，前提是要了解各含水層水化學特征，并分別建立各含水層水化學玫瑰圖模型。

為了驗證上述水化學玫瑰圖模型的判別效果，2013年10月在該礦一采區運輸巷掘進過程中的涌水點采取水樣（初期涌水量為6.4m3/h，48小時后穩定在0.6m3/h）。水樣測試單位、測試項目及繪圖方法與判別模型均相同。

通過繪制水化學玫瑰圖（見圖8-YS），并與以上玫瑰圖模型對比分析認為：該水樣主要陽離子與陰離子種類與第Ⅳ、第Ⅴ含水層完全相同，硬度、礦化度、離子摩爾濃度形態均等特征，與Ⅳ含水層相似，但Cl-、SO42- 兩種離子摩爾濃度比值存在一定差異，與Ⅴ含水層存在一些共性。綜合判斷礦井涌水水源主要為Ⅳ含水層，有部分Ⅴ含水層水混入。

圖2　第Ⅱ含水層地下水化學玫瑰圖

圖3　第Ⅲ含水層地下水化學玫瑰圖

圖4　-第Ⅳ含水層地下水化學玫瑰圖

圖5　第Ⅴ含水層地下水化學玫瑰圖

圖6　第Ⅵ含水層地下水化學玫瑰圖

圖7　第Ⅶ含水層地下水化學玫瑰圖

圖8　YS地下水化學玫瑰圖

3　主要含水層同位素特征分析

3.1環境同位素應用原理及方法

環境同位素作為天然示蹤劑標記著天然水和地下水的形成過程。通過研究各水體中同位素的分布和變化規律，揭示地下水的起源、補給以及相互之間的水力聯系，這一方法在國內外水文地質工作中已經得到廣泛認可。

穩定氫氧同位素（2H，18O ）源于海洋，在運移過程具有守恒性。一方面反映大氣降水進入地下前的信息，同時在進入地下后，平均含量不會隨時間而變化。因此，常用以推斷地下水來源及其混合情況。研究氫氧穩定同位素，常用的指標是千分位偏差值δ（‰）和豐度比值R（AT%）：

式中D為氫（H）的同位素氘（2H），R標準為國際標準樣品，代號為SMOW。氚（3H或T）是氫的放射性同位素，半衰期T1/2=12.623年。氚起源于大氣層和人工核實驗，在高空生成后很快以HTO形式參與自然界水循環。在天然條件下，大氣降水氚濃度約在10TU以上。這種含氚的降水進入地下水系統后，其氚濃度按照放射性衰變規律而減少，可根據測年數學模型推算地下水年齡，即：t=λlg（A0/At），t為地下水年齡，氚濃度At可通過取樣進行測定，氚衰變常數λ為40.75，A0為初始氚濃度值，可采用距離最近的觀測站資料值。

實際工作中，利用氚濃度定量計算地下水演化年齡的意義不大，常用對比參照法估測其年齡。即根據水樣氚濃度測試結果，與前人研究成果進行比對，定性估計地下水的年齡范圍，并分析其補給更新能力等特征。

3.2樣品采集與測試

本次選擇測試的同位素有D、18O和T三種。采取的水樣包括黃河水、池塘水、主要含水層水樣共11組。測試項目：氚濃度（TU）、δ2H/1H及豐度（AT%）、δ18O /16O及豐度（AT%）、TDS（電導率法測得的溶解性總固體含量）。測試結果如表4所示。其中：電導率與含鹽量的對應關系為：1ms/cm×（0.55～0.7）=0.55～0.7g/L）。

表4　水化學氫氧環境同位素測試成果表

3.3δD和δ18O特征與分析

（1）繪制δD/δ18O關系圖。本次采用的大氣降水線方程式為：

δD=8.73δ18O+10

將上述11組樣品的δD和δ18O的對應值（落點）分別繪制在δD與δ18O關系圖上（見圖9）。以大氣降水線作為參考，在圖上進行比較，當δD和δ18O落點十分接近或落在大氣降水線上時，說明水樣起源于大氣降水；當δD和δ18O的落點越靠近大氣降水線時，說明地下水中含有大氣降水的比例越高，受大氣降水補給條件越好；當δD和δ18O的落點偏離大氣降水線越遠時，說明地下水含有大氣降水的比例越低，受大氣降水補給條件越差。

圖9　δ18O與δD關系圖

（2）水樣特征分析。總體來看，11組水樣中溶解性總固體含量變化較大，在1.25～13.20ms/cm之間。水樣中同位素分餾現象較為明顯。δ18O變化范圍為-10.08‰～-6.40‰，δD變化范圍為-82.04‰～-56.64‰。根據TDS值和圖2所示，分析認為：①黃河水樣：TDS值1.25ms/cm，在水樣中最低，δD值明顯高于地下水。水樣落點與大氣降水線基本重合，充分說明并驗證了水樣主要起源于大氣降水。②水塘水樣：TDS值3.92ms/cm，高于黃河水，δD、δ18O值在水樣中均為最高，水樣落點距離大氣降水線比黃河水稍遠，二次蒸發強烈，存在少量地下水混合現象。③第Ⅶ含水層水樣（S10孔）：TDS含量13.20ms/cm，為水樣中最高值。水樣落點偏離大氣降水線最遠，說明該含水層受大氣降水補給條件最差，無水力聯系。④第Ⅴ、第Ⅵ含水層水樣（S6孔、S7孔）：TDS含量在7.05～7.21ms/cm之間。水樣落點與大氣降水線較遠，地下水受大氣降水補給條件微弱，基本無水力聯系。⑤其它水樣：TDS含量在6.37～7.51ms/ cm之間。水樣落點較為接近大氣降水線，含水層中含有大氣降水的比例相對較高，存在一定的水力聯系。

3.4氚濃度測試結果分析

經氚濃度測試結果表明，地表水體水樣（黃河水、池塘水）氚濃度均大于14.01±3.38TU。其它含水層水樣氚濃度明顯較小，大多數小于3TU；對照前人研究成果（見表5），分析認為：

表5　建立在氚含量基礎上的地下水的近似年齡

（1）地表水體年齡在5～10a以下，為典型的現代水，受大氣降水和淺層地下水補給，水力聯系密切，徑流、排泄條件良好。

（2）大多數地下含水層氚濃度小于3TU。分析認為：地下水年齡較長，以50年前補給水為主，受到近期水微弱補給混合。含水層總體與上部現代水水力聯系極差，地下水體封閉，徑流滯緩、排泄條件差。

（3）個別水樣（S2孔、S4孔）氚濃度（大于5TU）略微高于其它含水層。分析認為：含水層以50年前補給水和近期水混合為主，所取水樣的第Ⅱ、第Ⅴ含水層含水層局部接受上部現代水補給，但補給條件總體微弱。

4　結論

（1）經定量測試和定性分析表明，該礦各主要含水層地下水化學組成與水質特征存在一定差異，但總體上陰離子以SO42-、Cl-為主，陽離子以Na+、Ca2+、Mg2+離子為主，水化學類型均為舒卡列夫B組。

（2）建立了各主要含水層水化學玫瑰圖判別模型。通過實例驗證表明，該方法直觀、快速、準確、經濟，可操作性強，可作為快速判別礦井出水水源的手段和方法之一。

（3）應用環境同位素分布特征，揭示了該礦含水層總體以50年前補給水為主，受現代水微弱補給，地下水體封閉，徑流、排泄、更新條件較差。同時，穩定氫氧同位素與放射性氚兩種方法間接反映的水文地質特征相一致。

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TD742

A

1671-3818（2016）09-0009-04

毛興軍（1971-），男，寧夏人，1993年畢業于阜新礦業學院，高級工程師，主要從事煤田地質、水文地質工作。