神東礦區頂板垮落巖體在不同水化學條件下的離子遷移特征

蘇 琛,吳 敏,唐佳偉,包一翔,劉兆峰,薛 蕊,張海琴,蔣斌斌

(1.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京 102209;2.中國地質大學(北京) 水資源與環境學院,北京 100083)

針對西部水資源緊缺與西部礦區煤礦礦井水外排造成水資源損失的問題,顧大釗等[1]提出以采空區剩余的煤柱壩體和人工壩體構成的封閉空間組成煤礦地下水庫,對煤炭開采過程中產生的礦井水進行儲存。同時,由于采空區內有大量的垮落巖體,在礦井水儲存過程中,礦井水與采空區內頂板垮落巖體存在水巖相互作用,在一定程度上影響礦井水水質。在對煤礦地下水庫進出水的水質參數連續監測時,發現地下水庫對礦井水的硬度、有機物等有不同程度的去除作用。但因為地下水庫入庫礦井水水質、垮落巖體成分等不同,經煤礦地下水庫作用后的凈化效果也有所不同,且不同礦區的地質環境存在較大差異,其建成的地下水庫對礦井水水質是否具有凈化作用也尚不明確,因此需要對煤礦地下水庫的凈化機理進行研究,探究垮落巖體在不同水化學條件下的離子的遷移規律。

國內外對水巖相互作用根據研究目的不同可以分為對地下水化學性質的影響、水巖作用過程研究、以及巖石力學性質的影響3個方向[1-6]。目前,國內外學者針對水巖作用對地下水化學性質影響及過程方面按照研究尺度[7-13]不同,可以分為宏觀規律研究和微觀機理研究2種類型:宏觀規律研究主要以土柱模擬實驗、靜態浸泡實驗以及軟件模擬等研究手段為主;微觀機理研究主要從微觀尺度上對樣品的晶體結構、表面化學性質等進行表征、建模并進行分子動力學模擬等。如張金陵等[7]以泥巖、砂巖為研究對象,測試其在不同溶液浸泡條件下的電導率、TDS變化規律,探究典型巖石的水巖相互作用機理。趙峰華等[9]通過設計自由排水柱淋濾實驗裝置,對巖心礦物的金屬淋濾行為、硫化物反應速率、氧化動力學等水巖相互作用信息進行研究。房滿義等[10]按照固液質量比1∶10對大柳塔煤礦地下水庫水巖作用機理進行研究,結果表明頂板巖石對礦井水中的金屬離子具有吸附作用。姜騰達[11]采用攪拌平衡法考察了蒙脫石、伊利石、高嶺石對水中低濃度二價陽離子的吸附特征,并采用拉格爾格倫偽一級動力學方程及偽二級動力學方程對吸附數據進行線性擬合。

筆者選取內蒙古哈拉溝煤礦地下水庫頂板垮落巖體為研究對象,對頂板垮落巖體進行化學組成分析以及結構表征,開展不同水化學條件下的離子遷移特征規律研究,并結合巖體表征數據,揭示地下水庫中的水巖作用機理。

1 實驗材料與方法

1.1 主要試劑及材料

主要實驗試劑及材料為:氯化鈣(Innochem,CaCl2,分析純)、氯化鎂(aladdin,MgCl2,分析純)、氯化鈉(RHAWN,NaCl,分析純)、氯化鉀(天津市光復科技發展有限公司,KCl,分析純)、三氯化六氨合鈷(RHAWN,[Co(NH3)6]Cl3,優級純)、超純水,巖石樣品以哈拉溝煤礦地下水庫內頂板垮落巖體為實驗材料,混合均勻破碎后分別過20目(0.85 mm)、40目(0.45 mm)、80目(0.2 mm)、120目(0.125 mm)篩,烘干后備用。

1.2 實驗方法

(1)陽離子交換容量。陽離子交換容量(Cation Exchange Capacity,CEC)指巖石、礦物和松散沉積物等所能吸附陽離子的總量,以每千克樣品中含有各種陽離子的物質的量來表示,即 mol+/kg。陽離子交換容量的測定方法有醋酸銨溶液法、氯化鋇法、三氯化六氨合鈷法[14-15]等,筆者以HJ 889—2017《土壤陽離子交換量的測定三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法》為基礎,將樣品與三氯化六氨合鈷溶液混合后收集上清液并經0.22 μm針式濾膜過濾后置于比色管中檢測吸光度,對垮落巖體的離子交換容量進行計算。

(2)水巖耦合靜態吸附-溶出實驗。分別配置陽離子質量濃度為250 mg/L的KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2溶液,將垮落巖體研磨至120目以下,按固液質量比為1∶10倒入錐形瓶中對垮落巖體進行浸泡[16-20]。將錐形瓶置于搖床中,設置搖床轉速為150 r/min進行反應,間隔24 h進行采樣,共反應11 d,對溶液中的陰陽離子、反應前后垮落巖體的CEC進行檢測。

1.3 主要實驗儀器及檢測方法

(1)巖樣化學組成及礦物成分。采用日本理學ZSX Primus II 型號X射線熒光光譜儀(XRF)對垮落巖體進行元素分析;采用德國布魯克D8 ADVANCE型號X射線衍射分析儀(XRD)對垮落巖體的礦物成分進行表征。

(2)溶液中離子質量濃度檢測。采用德國斯派克SPECTRO ARCOS型等離子體電感耦合發射光譜儀(ICP-AES)對溶液中的陽離子質量濃度進行定量分析;采用美國賽默飛ICS 2100型號離子色譜(IC)對溶液中的陰離子質量濃度進行定量分析。

(3)溶液吸光度檢測。采用美國哈希DR3900型分光光度計對溶液在不同波長處的吸光度進行測定。

2 結果與討論

2.1 采空區頂板垮落巖體理化性質分析

2.1.1 采空區頂板垮落巖體的主要組成成分

該礦區地下水庫內采空區頂板垮落巖體的XRF結果(表1)表明,其主要包含Si、Al、C等元素,由此可以推測該地區地下水庫內的巖石主要由硅鋁酸鹽、碳酸鹽礦物及少量殘煤組成。其中常見金屬元素的質量占比由高到底為:K>Mg>Ca>Na,此外巖石中Ti質量分數也相對較高。

表1 采空區頂板垮落巖體化學組成

采空區頂板垮落巖體的XRD結果如圖1所示,其主要礦物組成為:石英、高嶺石、微斜長石、鈉長石、伊利石、綠泥石、赤鐵礦及金紅石。各礦物的質量分數見表2,與大柳塔煤礦、辛置煤礦等礦區巖石的理化性質對比可知[9,16],石英為煤系巖層中最常見的礦物質,含量最高;高嶺石、伊利石、綠泥石為該礦區采空區頂板垮落巖體中的主要黏土礦物;其余幾種也都是與煤共生的常見礦物質。

2.1.2 采空區頂板垮落巖體的陽離子交換容量

按照1.2節對采空區頂板垮落巖體的陽離子交換容量進行測定,結果見表3。在該粒徑范圍[21-22]下采空區頂板垮落巖體的陽離子交換容量范圍為93～134 mmol+/kg。粒徑越小,與溶液接觸的比表面積越大,其陽離子交換容量及增加幅度越大。

圖1 采空區頂板垮落巖體XRD圖Fig.1 X-ray diffraction pattern of caving rock sample

表2 采空區頂板垮落巖體礦物組成

表3 不同粒徑采空區頂板垮落巖體的陽離子交換容量

根據前期煤礦地下水庫入庫、出庫礦井水的水質數據檢測結果及相關文獻[17]可知,礦井水中主要陽離子為K+、Ca2+、Na+、Mg2+四種,其余陽離子如Fe2+、Mn2+等陽離子含量較少,且因礦區而異,故對采空區頂板垮落巖體中交換性鹽基離子的測定有助于后續分析4種陽離子的變化情況。采用ICP-AES對交換性鹽基離子進行檢測,結果見表4。

不同粒徑的采空區頂板垮落巖體樣品中可交換陽離子中交換性鈣占比平均值為1.049 mg/g,其次為交換性鎂為0.238 mg/g且不同粒徑條件下其變化較小,交換性鈉為0.221 mg/g,交換性鉀最少為0.106 mg/g。

2.2 靜態吸附-溶出實驗分析

2.2.1 不同水化學條件下離子變化規律

(1)不同水化學條件下Ca2+的變化規律。在Ca2+初始質量濃度為250 mg/L條件下對采空區頂板垮落巖體開展浸泡實驗,每隔24 h檢測溶液中Ca2+的變化情況,結果如圖2所示。Ca2+的變化趨勢具有明顯的階段性:浸泡初期,Ca2+的質量濃度由250 mg/L急劇下降,1 d后離子質量濃度下降至最低點223.1 mg/L;Ca2+質量濃度下降至最低點后小幅上升(2～5 d)并趨于穩定(>5 d),穩定時其質量濃度均值為234.8 mg/L。

表4 不同粒徑采空區頂板垮落巖體的交換性鹽基離子

圖2 不同鹽溶液體系中主要離子質量濃度Fig.2 Mass concentration of major ions in different salt solution systems

在Ca2+初始質量濃度為0,Mg2+、K+、Na+質量濃度分別為250 mg/L的3種體系下與采空區頂板垮落巖體開展浸泡實驗,溶液中Ca2+質量濃度的變化情況如圖3所示。在不同的時間段內,各體系中Ca2+質量濃度的變化規律基本相同,具有明顯的階段性。根據Ca2+的溶出速度可以將其分為2個階段:快速反應階段(0～1 d)、緩慢反應階段(>2 d),在本次實驗中未等到Ca2+質量濃度平衡點。快速反應階段中Ca2+質量濃度大幅上升,Mg2+體系下Ca2+增加幅度最大,質量濃度為64.7 mg/L;其次為K+體系,質量濃度為21.0 mg/L;最低為Na+體系,質量濃度為13.3 mg/L,由此可以表明在該水巖體系下陽離子交換能力為Mg2+>K+>Na+。實驗結束時,其質量濃度分別為89.9、40.8、28.1 mg/L,即在該實驗條件下采空區頂板垮落巖體的最大的Ca2+交換量為0.899 mg/g小于交換性鈣,且有繼續升高趨勢。

圖3 不同體系中Ca2+質量濃度變化情況Fig.3 Variation of Ca2+ mass concentration in different systems

圖4 不同體系中Mg2+質量濃度變化情況Fig.4 Variation of Mg2+ mass concentration in different systems

(2)不同水化學條件下Mg2+的變化規律。在Mg2+初始質量濃度為250 mg/L條件下對采空區頂板垮落巖體開展浸泡實驗,每隔24 h檢測溶液中Mg2+質量濃度的變化情況,結果如圖4所示。Mg2+的變化趨勢與高鈣體系中Ca2+質量濃度的變化趨勢類似,不同點在于Mg2+的劇烈反應階段持續時間較長,質量濃度在48 h后下降至最低點為234.6 mg/L,之后有小幅上升趨勢(2～5 d)并趨于穩定(>5 d),穩定時其質量濃度均值為234.8 mg/L。

在Mg2+初始質量濃度為0,Ca2+、K+、Na+質量濃度分別為250 mg/L的3種體系下與采空區頂板垮落巖體開展浸泡實驗,溶液中Mg2+質量濃度的變化情況如圖4所示。在不同的時間段內,各體系中Mg2+質量濃度的變化規律基本相同,具有明顯的階段性。根據Mg2+的溶出速度可以將其分為3個階段:快速反應階段(0～1 d)、緩慢反應階段(1～9 d)、穩定階段(9 d之后)。在快速反應階段中Mg2+質量濃度大幅上升,Ca2+體系下Mg2+增加幅度最大,質量濃度為14.6 mg/L;其次為K+體系,質量濃度為10.6 mg/L;最低為Na+體系,質量濃度為3.8 mg/L,由此可以表明在該水巖體系下陽離子交換能力為Ca2+>K+>Na+。緩慢反應階段Mg2+質量濃度緩慢上升且有部分波動,最終穩定階段時3種體系下的Mg2+質量平均濃度分別為16.3、8.5、6.1 mg/L,即在3種體系中采空區頂板垮落巖體最大Mg2+交換量為0.163 mg/g小于交換性鎂。

(3)不同水化學條件下Na+的變化規律。在Na+初始質量濃度為250 mg/L條件下對采空區頂板垮落巖體開展浸泡實驗,每隔24 h檢測溶液中Na+的變化情況,結果如圖5所示。與上述3種離子的變化規律不同,在高鈉體系中Na+質量濃度不僅沒有下降,反而在浸泡24 h內由250 mg/L上升至260.8 mg/L,之后持續小幅波動較為穩定,穩定時其質量濃度均值為263.4 mg/L。

圖5 不同體系中Na+質量濃度變化情況Fig.5 Variation of Na+ mass concentration in different systems

在Na+初始質量濃度為0,Ca2+、K+、Mg2+質量濃度分別為250 mg/L的3種體系下與采空區頂板垮落巖體開展浸泡實驗,溶液中Na+質量濃度的變化情況如圖5所示。在3種體系下,Na+質量濃度變化情況類似,可以明顯分為2個階段:快速反應階段(0～1 d)、較穩定階段(2 d之后)。快速反應階段后3種體系下Na+質量濃度分別為12.2、11.0、15.1 mg/L,穩定之后Na+質量濃度平均值分別為13.4、13.1、13.2 mg/L。3種體系下Na+的變化情況及平衡質量濃度相同,在陽離子質量濃度為250 mg/L時Na+的最大交換量為0.134 mg/g小于交換性鈉。

(4)不同水化學條件下K+的變化規律。在K+初始質量濃度為250 mg/L條件下對采空區頂板垮落巖體開展浸泡實驗,每隔24 h檢測溶液中K+質量濃度的變化情況,結果如圖5所示。K+質量濃度的變化趨勢與高鈣體系中Ca2+質量濃度的的變化趨勢類似,具有明顯的階段性:浸泡初期,K+質量濃度由250 mg/L急劇下降,24 h后離子質量濃度下降至最低點202.7 mg/L,離子質量濃度下降至最低點后小幅上升并趨于穩定,穩定時其質量濃度均值為210.8 mg/L。

在K+初始質量濃度為0,Ca2+、Mg2+、Na+質量濃度分別為250 mg/L體系下與采空區頂板垮落巖體開展浸泡實驗,溶液中K+質量濃度的變化情況如圖6所示。在3種體系下,K+的質量濃度變化情況與上述Na+類似,不同點在于高鈣、高鎂體系中平衡時的K+平均質量濃度均為5.9 mg/L高于高鈉體系中平衡時K+質量濃度4.6 mg/L,由此可以進一步說明Ca2+、Mg2+的離子交換能力高于K+、Na+,即在該體系下K+的最大交換量為0.059 mg/g小于交換性鉀。上述數據進一步表明當鹽溶液中陽離子交換能力大于K+時,最大交換限值與溶液中陽離子質量濃度有關,且金屬陽離子的存在可能會抑制含鉀、鈉的硅鋁酸鹽的溶解。

圖6 不同體系中K+質量濃度變化情況Fig.6 Variation of K+ mass concentration in different systems

2.2.2 浸泡后采空區頂板垮落巖體離子交換容量

浸泡反應結束后,使用定性濾紙進行固液分離,將分離出的固體于50 ℃下烘干24 h后進行離子交換容量測定,測定結果見表5。浸泡實驗后部分陽離子吸附于采空區頂板垮落巖體表面,因此反應后陽離子交換容量有所上升。除以KCl為浸泡液的采空區頂板垮落巖體外,其余3份離子交換容量接近,平均值為180.9 mmol+/kg,而KCl浸泡過的采空區頂板垮落巖體的陽離子交換能力雖有所上升,但相對較小為165.4 mmol+/kg。該現象發生的原因可能是由于交換格位上的陽離子由K+替換,由于測定陽離子交換容量時,無法迅速將吸附的K+交換下來,導致其陽離子交換容量有所減小[22-23]。

表5 不同水化學條件下反應后采空區頂板垮落巖體 陽離子交換容量

2.3 水-巖耦合離子遷移轉化規律

2.3.1 主要離子遷移規律解析

由實驗方案可知,上述實驗主要與溶濾作用及離子交換/吸附作用相關。對于陽離子而言,若初始質量濃度較低,則主要發生溶濾作用,浸泡后質量濃度有所上升;若初始質量濃度較高,則離子交換/吸附作用占主要因素,浸泡后質量濃度有所下降[29-30]。

根據XRD結果,可以將該地區采空區頂板垮落巖體組成成分分為2部分:黏土礦物與非黏土礦物,非黏土礦物為石英(占比30%以上)、長石類(微斜長石、鈉長石占比10%以下)、金紅石、赤鐵礦等,主要的黏土礦物為伊利石、高嶺石、綠泥石總占比可達50%以上。非黏土礦物中,石英結構較為穩定,金紅石含量較少對離子質量濃度變化影響較小[23-27]。長石族礦物為硅鋁酸鹽結構,在以三維排列的硅鋁氧四面體為單元形成的架狀結構中填充著起平衡電性作用的陽離子如K+、Na+等。與水接觸時,長石表面會發生一系列反應,如水合、溶解等如式(1)所示,同時長石類礦物在低、中、高溫條件下具有明顯的孔道結構礦物特征,能表現出一定的離子交換性,如式(2)所示。而黏土礦物則主要與離子交換/吸附作用有關。

(1)

(2)

(1)溶濾作用。溶濾作用主要與非黏土礦物有關,2.2節實驗結果表明,初始質量濃度為0時,交換至水溶液中的離子質量濃度由高到低的順序為:Ca2+>Na+> Mg2+>K+。

(a)溶液中Na+、Cl-來源。反應前后不同溶液中Cl-質量濃度變化如圖7所示,反應前后Cl-質量濃度有所上升,且變化幅度為2.1%～3.6%。由此可得出在上述4種實驗體系中,采空區頂板垮落巖體對Cl-幾乎無吸附作用,其質量濃度上升主要是由于巖鹽(NaCl)的溶解導致;且由XRF結果(表1)可知,氯元素質量分數(以氧化物記)為0.007 7%,遠低于F、N、S等無機元素,且XRD中難以檢出巖鹽的存在,因此Cl-質量濃度上升幅度較小。

圖7 不同體系反應前后溶液中Cl-質量濃度Fig.7 Mass concentration of Cl- in solution before and after reaction of different systems

溶液中Na+的主要來源可以分為3部分:① 主要成分為NaCl的巖鹽溶解,則溶液中Na+和Cl-的變化幅度相同;② 含鈉元素的硅酸巖礦物溶解,如鈉長石的溶解式(1)等;③ Ca2+、Mg2+、K+等離子與巖石中的Na+發生離子交換作用等。相比于浸泡前,溶液中的Na+質量濃度與Cl-質量濃度均有所增加。實驗結束后Na+當量濃度增量(Δ[Na+])與Cl-當量濃度增量(Δ[Cl-])的關系如圖8所示,不同水化學條件下的Δ[Na+]質量濃度與Δ [Cl-]質量濃度的比均在1∶1的直線上方,Na+相對過量[24-29]。結合XRD結果可知,巖鹽的含量及溶解量較少,在該礦區煤礦地下水庫下溶液中Na+的增加主要來源為鈉長石的溶解(式(1))及離子交換。

圖8 Δ[Na+]與Δ[Cl-]關系Fig.8 Scatter diagram of Δ[Na+] and Δ[Cl-]

圖與Δ[Ca2++Mg2+]關系Fig.9 Scatter diagram of and Δ[Ca2++Mg2+]

圖與Δ[Ca2+]關系Fig.10 Scatter diagram of and Δ[Ca2+]

(3)

(4)

(2)陽離子交換/吸附作用。由2.2節可知,反應后采空區頂板垮落巖體的陽離子交換總量有所增加,溶液中高質量濃度離子質量濃度有所下降,由此可知在水巖相互作用中發生了陽離子交換/吸附作用。該礦區采空區頂板垮落巖體中高嶺石、伊利石、綠泥石均為片狀黏土礦物(層狀硅酸鹽),3種黏土礦物的主要礦物特征和化學結構見表6,其中綠泥石含量較少,主要對高嶺石及伊利石進行分析。

高嶺石和伊利石的結構如圖11所示,高嶺石的主要晶體結構由硅氧四面體和鋁氧八面體組成,而伊利石屬于層間缺失型結構,1/4～1/2的Si4+由Al3+替代,四面體中產生的負電荷由層間離子K+抵消,K+存在于硅氧四面體所形成的六方孔洞中,因此其晶格結合較為牢固,層間距固定,遇水后難以發生膨脹[30]。

表6 不同黏土礦物的礦物特征及結構

圖11 黏土結構示意Fig.11 Schematic diagram of clay structure

高嶺石和伊利石的吸附能力主要來自于以下3個方面[30-31]:① Si—O四面體中的Si4+由Fe3+替換或者Al—O八面體中Al3+與Mg2+、Ca2+發生同晶置換,從而使得相應片層帶有永久負電荷,吸附陽離子;② 在高于等電點(高嶺石:pH=4.6,伊利石:pH=3.2)時,內表面單元層羥基失去質子成負電性,與金屬離子發生配位作用,如式(5)～(8)所示;③ 物理吸附:也稱范德華吸附,它是由礦物和離子間范德華力所引起,吸附作用較弱。

(5)

(6)

(7)

(8)

在煤礦地下水庫中的水-巖耦合體系下,進出水pH為中性,同時結合反應后XRD結果(圖12)可知,反應前后高嶺石層間距幾乎沒有變化,而通過離子交換的陽離子進入層間會在一定程度上改變其層間距,由此可以推測采空區頂板垮落巖體中的高嶺石組分主要是通過羥基水解的作用從而對離子產生吸附作用。伊利石的吸附作用也主要由于溶液中羥基水解,同時存在部分同晶置換作用,置換掉伊利石層間陽離子。由上述分析結果可知,在該煤礦地下水庫的采空區頂板垮落巖體中起主要吸附作用的為伊利石和高嶺石,且伊利石吸附/離子交換作用更強。

2.3.2 不同水化學條件下離子遷移轉化規律

由2.2節可知,在溶液中初始質量濃度為0時,采空區頂板垮落巖體中交換至水溶液中的離子總量由高到低的順序為:Ca2+>Na+>Mg2+>K+。

不同水化學條件下的Ca2+、Mg2+的遷移轉化規律與溶液初始質量濃度有關。初始溶液中包含的離子交換能力越強,Ca2+、Mg2+交換至水溶液中質量濃度越大;而在高鈣/高鎂體系中,受溶解度、SI值等的影響,Ca2+、Mg2+的存在減緩溶濾作用,同時與黏土礦物發生離子交換/吸附作用,導致Ca2+、Mg2+質量濃度有所下降。相對于Ca元素而言,Mg元素含量較少且主要存在于黏土礦物中,較為穩定。

圖12 反應后采空區頂板垮落巖體XRD結果Fig.12 XRD of caving rock sample after reaction

Na元素則主要存在于鈉長石等非黏土礦物中,且Na+的離子交換能力最小,在任意水化學條件中,Na+質量濃度均有所上升,且對其他離子影響較小。

K元素在黏土及非黏土礦物中均有存在,雖然鉀元素含量高于其他3種元素,但由于伊利石、綠泥石等結構較為穩定,因此交換至水溶液中的K+最少。

因此可以針對不同的礦井水水質進行分質儲存及利用,當礦井水中Ca2+、Mg2+離子質量濃度較高時,可以將礦井水灌入地下水庫,通過水巖相互作用可以在一定程度上降低礦井水的硬度。

3 結 論

(1)哈拉溝煤礦地下水庫內采空區頂板垮落巖體主要由石英、含鋁硅酸鹽礦物等組成,其中石英占比最高30%以上,其次為伊利石、高嶺石、綠泥石等黏土礦物占比50%以上,同時也存在長石類、赤鐵礦等非黏土礦物。

(2)該礦區采空區頂板垮落巖體的陽離子交換容量范圍為93～134 mmol+/kg,粒徑越小離子交換容量越大。交換性鹽基離子中交換性鈣為1.049 mg/g,交換性鎂為0.238 mg/g,交換性鈉為0.221 mg/g,交換性鉀最少為0.106 mg/g。

(3)在不同鹽溶液體系下不同離子的遷移規律有所不同,鈉體系溶液中陽離子質量濃度均有所升高,其他3種體系中,原有離子質量濃度均有所下降。反應后,采空區頂板垮落巖體的陽離子交換容量均有所增加,鈣、鎂、鈉體系下的增加幅度相同且高于鉀體系下增加幅度。

(4)對于該礦區而言,采空區頂板垮落巖體中的Na元素較容易通過溶濾作用等進入水體中且難以降低;溶液中Ca元素較高時,容易發生吸附/離子交換作用,降低離子質量濃度,反之Ca元素則較容易溶出。Mg、K的元素遷移規律與Ca類似,但其主要以黏土礦物形式存在,溶濾作用較小。而溶濾作用主要與長石類、赤鐵礦等非黏土礦物有關,離子交換作用主要為伊利石,其次為高嶺石,再次為綠泥石等黏土礦物。

(5)該礦區采空區頂板垮落巖體中交換至水溶液中的離子總量由高到低的順序為:Ca>Na> Mg>K,與采空區頂板垮落巖體中交換性鹽基離子含量順序相同。

綜上所述,建議該礦區礦井水進行分質處理,當礦井水普遍Ca2+、Mg2+含量較高,將礦井水灌入地下水庫,通過水巖耦合作用可以在一定程度上降低礦井水的硬度。