神東礦區(qū)礦井水水化學(xué)特征及其灌溉適宜性評(píng)價(jià)

呂情緒，李 果，許 峰，楊茂林，黃 歡

(1.神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719300； 2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054； 4.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

我國(guó)的煤炭資源與水資源分布呈逆向分布，西部地區(qū)煤炭資源相對(duì)豐富，但其水資源相對(duì)缺乏，大部分礦區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展受到水資源的嚴(yán)重制約[1]。在煤炭開采過(guò)程，產(chǎn)生了大量的礦井水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)噸煤開采約產(chǎn)生2 m3礦井水[2]，但礦井水的利用率僅為35%左右[3]，主要原因是礦井水水質(zhì)相對(duì)較差，不能直接利用，需要進(jìn)行預(yù)處理，其高額的成本限制了其利用。

近年來(lái)，礦井水資源化利用的研究逐步受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。顧大釗等[3]系統(tǒng)整理了我國(guó)礦井水的處理現(xiàn)狀，針對(duì)不同水質(zhì)的礦井水提出了適應(yīng)的處理工藝。閆佳偉等[4]梳理了我國(guó)在礦井水資源化利用方面的一些不足，分析了其制約因素，提出了一些對(duì)策及發(fā)展前景。方惠明等[5]總結(jié)了西部高礦化度礦井水的零排放技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合神東礦區(qū)提出了其零排放的工藝流程。從這些研究中可以發(fā)現(xiàn)，礦井水的水化學(xué)特征決定了其處理工藝及其成本。因此，對(duì)礦井水的水化學(xué)特征的研究非常重要。

近年來(lái)，已經(jīng)有學(xué)者開始對(duì)礦井水的水化學(xué)特征進(jìn)行了研究。郝春明等[6]以神東礦區(qū)為例，分析了其礦井水中F-的空間分布特征，并探討了其形成機(jī)制。Wang等[7]以郭家灣煤礦為研究對(duì)象，分析了井下不同地段礦井水水質(zhì)的差異性，并采用集對(duì)分析法對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。這些研究中多側(cè)重水化學(xué)特征研究，而對(duì)于缺水礦區(qū)礦井水的灌溉適用性研究相對(duì)較少。

神東礦區(qū)地處陜北內(nèi)蒙接壤帶，為黃土高原北緣與毛烏素沙漠過(guò)渡地帶東段，為我國(guó)14個(gè)億噸級(jí)煤炭生產(chǎn)基地之一[8]，在國(guó)家煤炭供給中起到關(guān)鍵性作用。但由于當(dāng)?shù)厮Y源短缺問(wèn)題制約了其高速發(fā)展，為此，如何高效利用當(dāng)?shù)氐V井水資源成為研究的熱點(diǎn)，而這當(dāng)中礦井水的水化學(xué)特征直接影響了其資源化的進(jìn)程。本文以神東礦區(qū)為例，采集了礦井水進(jìn)行水化學(xué)分析，研究礦井水水化學(xué)特征及其影響因素，并分析了其灌溉的適宜性，以期為制定礦井水處理工藝及高效利用方案提供參考。

1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)地處毛烏素沙地與黃土高原過(guò)渡地帶，為典型的干旱半干旱大陸性氣候，干旱少雨，蒸發(fā)量大，多年平均降雨量400 mm左右，年平均蒸發(fā)量2 300 mm左右，屬嚴(yán)重缺水地區(qū)[6]。神東礦區(qū)核心區(qū)主要分布有柳塔礦、烏蘭木倫礦、寸草塔礦、寸草塔二礦、布爾臺(tái)礦、補(bǔ)連塔礦、上灣礦、石圪臺(tái)礦、哈拉溝礦和大柳塔礦(包含活雞兔井)。

研究區(qū)井田內(nèi)地層由老至新有三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)，侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)，侏羅系中統(tǒng)直羅統(tǒng)(J2z)，新近系上新統(tǒng)三趾馬紅土(N2)及第四系(Q)。含水層主要有第四系松散層孔隙潛水含水層和中生界碎屑巖類裂隙承壓水(直羅組和延安組砂巖含水層)。其中，第四系孔隙潛水含水層富水性相對(duì)較強(qiáng)，基巖含水層富水性相對(duì)較弱[9]。

研究區(qū)可采煤層共8層，由上至下依次為11、12、22、31、42、43、44、52號(hào)煤層，部分煤層全區(qū)可采，部分煤層局部可采。

根據(jù)礦井充水因素分析，礦井煤層開采直接充水含水層為中生界碎屑巖類裂隙承壓水(直羅組和延安組砂巖含水層)，間接充水含水層為第四系含水層，部分礦區(qū)在地面溝谷區(qū)直接充水含水層可能包含第四系松散含水層。其充水通道主要為導(dǎo)水裂縫帶及天然裂隙帶。

2 水樣采集與分析

表1 礦井水采樣點(diǎn)位置Tab.1 Location of mine water sampling points

為了確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，每組礦井水樣品均進(jìn)行了3次測(cè)試，取其平均值作為最終結(jié)果，以消除誤差。此外，根據(jù)陰陽(yáng)離子的毫克當(dāng)量數(shù)，通過(guò)分析計(jì)算陰陽(yáng)離子電荷平衡誤差(CBE)來(lái)驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的有效性，其計(jì)算公式為[10-11]：

(1)

式中，ma和mc分別為陰陽(yáng)離子的毫克當(dāng)量濃度。

經(jīng)過(guò)重復(fù)檢測(cè)和電荷平衡分析，12件樣品測(cè)試結(jié)果均有效且CBE在±5%范圍內(nèi)。

3 結(jié)果與討論

3.1 一般水化學(xué)特征

所有采取的礦井水樣測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表2。

所有礦井水樣品的pH值為7.64～8.48，都為弱堿性水。TDS為275.13～3 090.14 mg/L，平均值為1 641.734 mg/L。除了M7和M9水樣TDS小于1 000 mg/L，其余礦井水礦化度均大于1 000 mg/L(圖1)，為高礦化度礦井水。這主要是因?yàn)镸7水樣和M9水樣埋深較淺，受到新鮮的淺層第四系含水層的補(bǔ)給，導(dǎo)致其TDS相對(duì)較小；而M10水樣是42煤上部含水層，埋深較大，不易接受補(bǔ)給，因此TDS大。礦井水的TH為19.21～804.01 mg/L，平均233.22 mg/L，其中M5和M8水樣的TH大于400 mg/L，其余水樣TH均較小。

表2 礦井水質(zhì)測(cè)試結(jié)果Tab.2 List of mine water quality test results mg/L(除pH值外)

3.2 氟離子特征

礦井水中F-質(zhì)量濃度最高為6.75 mg/L，其中7個(gè)礦井水樣F-質(zhì)量濃度均大于1 mg/L，為高氟礦井水。根據(jù)圖1可知，TDS高的礦井水其F-濃度同樣較高，呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。這是由于TDS高的礦井水其補(bǔ)給較差，長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生水—巖作用，圍巖中的含氟礦物成分不斷融入水中，導(dǎo)致礦井水中的F-濃度較高。

圖1 TDS柱狀圖及TDS與F-相關(guān)關(guān)系Fig.1 TDS histogram and correlation between TDS and F-

根據(jù)取樣地點(diǎn)的空間分布，位于西北部的補(bǔ)連塔煤礦和布爾臺(tái)煤礦礦井水中氟離子濃度相對(duì)較高，均大于2 mg/L，而位于東南部的哈拉溝煤礦和石圪臺(tái)煤礦礦井水中氟離子濃度相對(duì)較低，氟離子濃度整體呈現(xiàn)出西北高、東南低的特征。同時(shí)，對(duì)比補(bǔ)連塔煤礦M1和M2與M3發(fā)現(xiàn)，M2和M3中氟離子濃度高于M1，說(shuō)明開采下水平煤層時(shí)礦井水中氟離子濃度會(huì)呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。這是因?yàn)槊簩勇裆钤酱螅溲a(bǔ)給條件越差，越不易接受新鮮水源補(bǔ)給，加之長(zhǎng)期水巖作用，導(dǎo)致水中氟離子濃度逐步升高。

3.3 水化學(xué)類型

Piper三線圖是用來(lái)判別礦井水的水化學(xué)類型最有效的方法之一[12-13]。根據(jù)研究區(qū)礦井水的主要離子含量繪制Piper三線圖，如圖2所示。

圖2 Piper三線圖Fig.2 Piper trilinear diagram

3.4 水化學(xué)影響因素

(1)水—巖作用。研究區(qū)礦井水在漫長(zhǎng)的徑流過(guò)程中不斷與其周邊圍巖發(fā)生水巖作用，同時(shí)也可能受到大氣降水和蒸發(fā)的影響。研究不同水體水化學(xué)特征的影響因素，對(duì)掌握其水化學(xué)成因有著非常重要的影響。目前Gibbs圖常被用來(lái)探討地下水的形成機(jī)制[14-15]。

(2)陽(yáng)離子交換作用。從圖3(b)可以看出，一部分地下水水化學(xué)樣品落于曲線外部，這可能是由于礦井水在徑流過(guò)程發(fā)生了陽(yáng)離子反交換作用，導(dǎo)致地下水中的Na+濃度增大。

圖3 Gibbs圖Fig.3 Gibbs diagram

目前，大部分學(xué)者均采用國(guó)外學(xué)者Schoeller提出的2個(gè)參數(shù)(CAI-1和CAI-2)來(lái)判斷地下水中是否發(fā)生陽(yáng)離子反交換作用[16-17]。其計(jì)算公式為：

(2)

(3)

當(dāng)CAI-1和CAI-2均為正值時(shí)，說(shuō)明發(fā)生了陽(yáng)離子交換作用，其反應(yīng)式為方程式(4)；當(dāng)兩指標(biāo)均為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明發(fā)生了反陽(yáng)離子交換作用，其反應(yīng)式為方程式(5)[18]。

2Na+(Ca，Mg)X2(Ca，Mg)2++2NaX

(4)

(Ca，Mg)2++2NaX2Na++(Ca，Mg)X2

(5)

根據(jù)研究區(qū)礦井水化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制了CAI-1和CAI-2的關(guān)系(圖4)。由圖4可看出，CAI-1和CAI-2兩指標(biāo)均為負(fù)值，說(shuō)明了研究區(qū)礦井水確實(shí)發(fā)生了陽(yáng)離子反交換作用(反應(yīng)式(5))，即礦井水中的Ca2+和Mg2+與其周圍砂巖中Na+發(fā)生了交換，導(dǎo)致礦井水中的Na+濃度增大。

圖4 CAI-1和CAI-2關(guān)系Fig.4 Relationship between CAI-1 and CAI-2

3.5 灌溉適宜性評(píng)價(jià)

神東礦區(qū)地處干旱半干旱地區(qū)，水資源及其匱乏。由礦井水水化學(xué)特征分析可知，礦井水為高鹽高氟礦井水，不適合生活飲用。隨著神東礦區(qū)建設(shè)綠色礦山的推進(jìn)，用于地面植被灌溉的量越來(lái)越大，因此非常有必要開展礦井水植被灌溉適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

灌溉水的鹽堿害直接影響植物的生長(zhǎng)。鹽害通常用電導(dǎo)率(EC)表征，其除了直接影響植被生產(chǎn)外，還間接影響土壤的結(jié)構(gòu)、滲透率和通氣性[19]。堿害通常用鈉吸附率(SAR)和鈉百分含量表征，其計(jì)算公式分別為：

(6)

(7)

根據(jù)灌溉水鹽堿害分類圖(圖5(a))可知，神東礦區(qū)礦井水的電導(dǎo)率普遍較大，50%的礦井水EC值大于2 250，位于鹽害極高(C4)范圍內(nèi)，58%的礦井水SAR值大于18，位于堿害高(S3)范圍內(nèi)，即研究區(qū)礦井水的鹽堿害較嚴(yán)重，未經(jīng)過(guò)處理前，不適宜進(jìn)行植被灌溉。同樣的，根據(jù)鈉百分含量與EC關(guān)系圖(圖5(b))可知，50%的礦井水中鈉百分含量大于80%，為不適合灌溉用水。綜上可知，神東礦區(qū)礦井水絕大部分不適宜直接用于植被灌溉，需要提前將礦井水進(jìn)行預(yù)處理，降低其礦化度及Na+含量。如果長(zhǎng)期用礦井水進(jìn)行植被灌溉，不但會(huì)直接影響植被的生長(zhǎng)，而且會(huì)影響土壤的板結(jié)，造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)[20]。

圖5 灌溉水鹽堿害分類和ρ(Na)與EC曲線Fig.5 Classification chart of saline alkali damage of irrigation water and chart of ρ(Na) and EC

3.6 社會(huì)效益分析

通過(guò)水化學(xué)特征研究發(fā)現(xiàn)，神東礦區(qū)礦井水為高TDS、高F-水。雖然研究區(qū)處于干旱半干旱水資源短缺地區(qū)，礦井水在未進(jìn)行處理之前，若作為飲用水源供給居民用水會(huì)產(chǎn)生一系列的健康危害，輕者使牙齒產(chǎn)生斑釉，關(guān)節(jié)疼痛，重者會(huì)影響骨骼發(fā)育，致使喪失勞動(dòng)力。同時(shí)，通過(guò)灌溉的適宜性分析發(fā)現(xiàn)，礦井水直接作為灌溉用水，同樣會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生一系列的影響，長(zhǎng)期灌溉含高Na+的高TDS、EC礦井水，會(huì)產(chǎn)生鹽堿害問(wèn)題，嚴(yán)重者土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞，導(dǎo)致植被生長(zhǎng)嚴(yán)重受損，使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境受到一定的影響。因此，本研究在安全供水、健康灌溉、生態(tài)保護(hù)等方面具有明顯的社會(huì)效益。

4 結(jié)論

本文為確定神東礦區(qū)水化學(xué)特征，采集了12組礦井水樣品進(jìn)行分析，采用多種方法，分析了礦井水的水化學(xué)特征及其影響機(jī)制。

(2)礦井水主要水化學(xué)類型為HCO3·SO4·(Cl) -Na及HCO3·SO4·(Cl) -Na·Ca。煤層埋深較淺的礦井水主要受巖石風(fēng)化控制，而埋深相對(duì)較深礦井水，主要受濃縮作用控制。同時(shí)研究區(qū)礦井水中還發(fā)生了陽(yáng)離子反交換作用。

(3)研究區(qū)50%的礦井水EC值大于2 250，58%的礦井水SAR值大于18，50%的礦井水中鈉百分含量大于80%，大部分礦井水不適合進(jìn)行直接灌溉。