干濕循環次數對砂巖破碎巖石礦井水化學特征影響分析

王玉嬌

（山西焦煤山煤國際豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

受我國淘汰落后煤礦產能能源政策以及實際生產影響，2022 年我國廢棄礦井的數量約為1.1×104處，預計2030 年數量可到達1.5×104[1]。據文獻統計[2]，我國關閉礦井造成地下空間體量巨大，初步統計現有廢棄礦井可利用地下空間體積可達156 億m3左右，主要為采空區。國內外學者針對廢棄礦井儲水空間特點和特征開展了廣泛的研究，其中利用廢棄礦井采空區建設地下水庫和抽水蓄能電站是最具代表性的利用模式[3-4]。

地下儲水庫運營期間，普遍存在庫水頻繁漲落引起的干濕循環劣化巖石效應，水巖作用是影響劣化效應的關鍵因素之一。水巖作用（Water Rock Interaction，簡稱“WRI”）可以根據物理、化學作用類型劃分為水力作用和水化學作用，其中水化學作用是煤礦地下儲水庫儲水介質劣化的重要原因。

水化學作用主要是煤系沉積巖內部微觀組成沉積物礦物與礦井水之間所發生的復雜的溶解、水化、離子交換和溶蝕等多方面作用。由于這種化學作用使礦物趨于溶解的趨勢，進而改變了煤系沉積巖的微觀-亞宏觀孔隙結構以及沉積礦物成分，使得煤系沉積巖的孔隙率增加，導致了宏觀裂隙發生萌生、擴展、發育、交錯等生長行為，最終誘發巖體的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、變形模量、內摩擦角等物理力學參數迅速劣化，威脅采空區上覆巖層的穩定性?？紤]到煤礦地下水庫的服役時間長，地下水對庫體巖石的水化學作用不容忽視，亟需研究。

目前，國內外針對水-巖相互作用的研究主要集中在對水巖作用后的試樣宏細觀試驗數據結果進行簡單擬合，通過擬合函數關系得出巖樣的各種力學參數隨干濕循環次數、pH 值、水壓力的劣化規律，而分析干濕作用導致巖體劣化機理方面的文獻鮮有報道，特別是巖石的水化學作用機理尚不明確。干濕循環和化學溶液作用后的巖石，其內部晶體礦物會發生溶解，導致巖石多尺度孔隙結構發生變化，孔隙率增加，裂隙發生萌生、發育、擴展行為，是巖石宏觀物理力學特性發生劣化的主要原因。

分析礦井水化學特征的演變規律是建設地下水庫和抽水蓄能電站的基礎研究[5-8]。目前，學者對煤礦垮落帶破碎巖石與礦井水的相互作用機理開展了大量研究，卻忽視了整個蓄-排水過程中對礦井水化學特征進行分析。為此，本文以山西呂梁豹子溝礦10203 工作面為工程背景，開展不同循環次數下破碎巖石水化學特征演化規律研究，為今后廢棄礦井采空區建設地下抽水蓄能電站評價提供理論參考與借鑒。

1 礦井概況及水文地質特征

1.1 礦井概況

山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司位于山西省呂梁山南端，區內地形地勢南北高、中部低，東高西低，最大相對比高556.5 m，溝谷縱橫，風能資源豐富。按照計劃，未來5 年內，將建設10 萬kW 風力發電項目。豹子溝礦年生產能力0.9 Mt，主采煤層為9#、10#、11 煤層，平均埋深450 m，為極近距離煤層，開采方式采用聯合開采，剩余可開采年限僅為9 a，礦井即將面臨閉井。目前，礦井開采平均厚度為5.5 m，10203 工作面為目前回采工作面，頂板為11 m 中砂巖，底板為9 m 的泥巖、砂巖互層復合地層結構。頂板砂巖層單軸抗壓強度25.3～38.5 MPa，裂隙發育，較完整～較破碎，地下水表現為潛水至弱承壓水性質，呈弱堿性。

1.2 礦井水文地質特征

10203 工作面自地表初露地層至底板地層分別為第四系、新生界新近系、中生界三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系。9#、10#、11#煤層位于石炭系上統太原組，平均厚85.05 m。底板巖性主要由灰黑色泥巖、深灰色石灰巖組成，頂板主要為深灰～灰黑色粉砂巖、灰白～深灰色砂巖，致密塊狀，局部質不純，含泥質，裂隙較發育，具有良好的含水空間。

豹子溝井田內地表水屬黃河流域昕水河水系，地表水豐富，具備建設“上庫為地表水庫，下庫為采空區”的天然水文地質條件。結合物探和《礦井安全手冊》采空區積水量W 計算公式，如公式（1）所示，目前9#、10#、11#連采煤層存在15 處采空積水，平均積水量為9 292.67 m3，表明豹子溝煤礦具有建設抽水蓄能電站較大的潛力。圖1 為豹子溝煤礦積水區域積水量統計。

式中：K為采空區充水系數，取0.3；F為采空區面積；M為煤層采高，采用平均值5.5 m；α為煤層傾角。

10203 工作面礦井水主要來源于頂板水，頂板鉆液消耗量一般在0.1～15.00 m3/h，個別鉆孔消耗量達35 m3/h，富水性中等。通過在實驗室對頂板水水化學成分分析，礦井水中K++Na+、SO42-離子相較于其他離子含量高，K++Na+為49.08～54.05 mg/L，SO42-在71.56～78.15 mg/L，水化學類型為SO4-Na·Ca。

1.3 砂巖礦物特征

本文研究的抽水蓄能電站地下儲水庫為10203工作面采空區，故選取豹子溝10203 工作面回采巷道出露砂巖為破碎堆積體試樣。取兩組砂巖試件進行巖石的水理性、堆積密度試驗，考慮到破碎砂巖為非連續介質，屬于典型的堆積體，其堆積密度對于計算采空區儲水系數特別重要。為了便于快速測試，隨機選取同一粒徑下一定質量的破碎砂巖巖塊，將砂巖的塊體裝入鐵質圓柱筒內，通過鐵桶來測得破碎后的砂巖巖塊的體積，再結合砂巖塊石的總質量，計算得到砂巖試樣堆積體的堆積密度。經計算，10203 工作面采空區砂巖堆積體的密度為2.43 g/cm3。經對砂巖巖塊的其他物理特性檢測，砂巖的自然含水率為1.95%，天然含水率為1.85%。通過實驗室SEM 觀察結果可知，砂巖微觀尺度上具有典型的中-細粒砂狀結構，呈塊狀構造分布。通過實驗室XRD 礦物定性識別，其物相主要由石英、長石、巖屑、方解石、重礦物多種礦物組成，礦物碎屑顆粒的長軸粒徑集中在0.03～0.7 mm 之間，其中0.03～0.25 mm 的礦物碎屑顆粒約占75%，0.25～0.7 mm 的礦物碎屑顆粒約占21%，礦物呈次棱角狀交錯分布，圓度值較低，顆?；ハ嘁Ш现?，膠結面多為鈣質膠結，結構整體較密實。

2 實驗方法

10203 工作面砂巖經過干濕循環作用后，砂巖不同組分礦物在礦井水的作用下發生溶解行為，溶液中會出現濃度值大小不一的各種離子。因此，根據礦井水溶液中離子濃度的大小，可以間接反映砂巖礦物的水化學溶解程度與趨勢。本文采用控制變量法，以干濕循環次數為自變量，溶液中陰、陽離子的濃度設置為因變量。本次離子測試實驗采用的礦井水的體積一律為10 L。對每個階段干濕循環后浸泡溶液的陽離子（Na++K+、Mg2+、Ca2+），陰離子（Cl-、SO42-、HCO3-+CO32-）濃度進行測試，將測得的礦井水待測離子濃度減去原溶液中的待測離子濃度，然后除以浸泡試件個數得到每個試件溶解貢獻的離子濃度。

為研究不同干濕循環次數下破碎矸石的水化學特征，首先，利用分級篩將礦方收集的直接頂砂巖層破碎巖石進行逐級篩選，按照級配指數n為0.6進行配制，即粒徑分為四組，分別為0～1.5 mm，1.5～3.0 mm，3.0～5.0 mm，5.0～8.0 mm，8.0～10.0 mm。各組試樣的骨料質量占比如圖2 所示。根據采集的礦井水離子濃度及pH 值檢測結果，配制pH=10 的堿性浸泡液。

圖2 砂巖破碎巖石級配指數0.6 骨料占比圖

礦井水離子濃度檢測方法采用化學滴定法，干濕循環次數設定5 組，分別為10 次、20 次、30 次、40 次、50 次。為了避免實驗誤差，每不同循環次數實驗開展5 個實驗組。

3 結果分析

3.1 離子濃度變化趨勢

礦井水中離子濃度的變化是水巖作用的直接作用而表現出的結果。圖3 為不同干濕循環次數下陰、陽離子濃度演變規律統計圖。由圖可知，隨著循環次數的增大，不同離子濃度的變化趨勢存在較顯著的差異特征。其中，Na++K+、HCO3-、CO32-濃度變化趨勢與循環次數呈正相關，Ca2+濃度變化趨勢與循環次數呈負相關，其他離子濃度變化趨勢不敏感。表明，干濕循環次數增大，砂巖中的石英、長石礦物晶體在堿水條件下水巖化學反應下，顆粒發生了溶解行為，逐漸析出了離子形態的K+、Na+、HCO3-、Ca2+，水巖作用進程加強；且在堿性條件下，由于OH-的存在，水中游離態的Ca2+會與砂巖表層的Na+發生陽離子交換行為，逐漸將砂巖表層的Na+置換，因此，礦井水中Na+濃度呈增高的趨勢，Ca2+反之?；瘜W反應方程如式（2）、式（3）所示。

圖3 不同干濕循環次數下陽、陰離子濃度統計圖

3.2 溶蝕量演變規律

砂巖的干濕循環過程是水巖作用以不斷循環方式將砂巖礦物晶體不斷地動態侵蝕過程?？紤]到環境條件，即砂巖在每次干濕循環過程中浸泡時間、烘干試樣的溫度以及試樣干燥狀態相同，因此，客觀評價由外界條件—干濕循環次數下砂巖礦物晶體溶解趨勢對于理解水巖作用至關重要。

隨著干濕循環次數的增加，礦井水對砂巖礦物晶體的溶解-侵蝕作用是逐步加重的，因此，在干濕循環作用下礦物晶體的溶解-侵蝕導致陰、陽離子濃度的增量是衡量干濕循環水巖作用效應的準確、合理表達。因此，本文在假定兩者的關系是連續的基礎上，設砂巖礦物溶解-侵蝕作用下陰、陽離子濃度的變化率為因變量，干濕循環次數n為自變量，建立溶液中陰、陽離子濃度與干濕循環次數的歸一化函數表達式如表1 所示。

表1 礦物溶解歸一化表達結果

溶液中陰、陽離子濃度與干濕循環次數的歸一化函數導數R中ln（n）項的系數絕對值越大，表明其變化率就越大，離子濃度的增量越大。因此，干濕循環作用下砂巖礦物溶解-侵蝕的水巖作用程度通過每次循環的離子濃度的增量反映到各擬合表達式中，進一步地，定義ln（n）項的系數為干濕循環作用下礦物溶解-侵蝕系數Dc，其表達式如公式（4）所示。別為10、20、30、40、50 環境下的干濕循環砂巖礦物溶解-侵蝕系數Dc，并繪制歸一化礦物溶解-侵蝕系數圖，如圖4 所示。

圖4 歸一化礦物溶解-侵蝕系數圖

1）砂巖在干濕循環下，Na++K+的溶蝕系數最大，其次是HCO3-+CO32-，可知對鉀長石和鈉長石的溶解速率最大。

2）溶液中Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-的歸一化溶解系數為負值，表明存在離子交換行為，結合砂巖組分特征，表明砂巖在干濕循環下黑云母和石英出現了顯著的固化其他離子的離子交換行為。

根據干濕循環作用下礦物溶解-侵蝕系數表達式和表1 溶液中陰、陽離子濃度與干濕循環次數的歸一化函數導數表達式，得到各參數在循環次數分

3.3 水化學類型演變趨勢

水文地質學常用Piper 三線圖揭示地下水水化學類型、污染物濃度指數隨著外界條件變化的時空變化特征，其原理是通過水樣取點與其所在的水化學分區半定量半定性地判斷水化學類型和污染物濃度指數。本文將干濕循環后的礦井水化驗結果的常規離子濃度錄入Aquachem 的專業Piper 三線圖插件中，自動生成離子分布特征圖。

圖5 呈現了不同干濕循環次數水巖作用下礦井水化學類型的演變規律。由圖可知：1）隨著干濕循環次數的增多，礦井水化學類型發生了顯著的變化，由最初的SO4-Ca 逐漸轉化為HCO3-Na 類型，弱酸根（HCO3-）毫克當量百分比超過強酸根離子（Cl-、SO42-）；2）通過對沉淀物的XRD 組分分析，隨著循環次數的增多，砂巖中長石礦物溶解-沉淀效應增強；3）在干濕循環作用下，存在較顯著陽離子交換行為和礦物溶解效應共同主導水化學類型轉換，干濕循環次數對破碎砂巖水化學類型改變起到顯著的促進作用，且這種促進作用隨著循環次數的增大，呈先快速增大后趨于穩定的趨勢。

圖5 破碎巖石水化學特征演化Piper 圖

4 結論

本文對不同干濕循環次數下破碎巖石礦井水離子濃度演變規律及水化學類型進行了初步分析，研究結論如下：

1）礦井水離子濃度演變規律隨著干濕循環次數的增大呈現不一的特征，特別的是弱堿性礦井水的條件下，Na++K+、HCO3-、CO32-變化趨勢較敏感，呈正相關的關系；

2）建立了砂巖礦物晶體溶解-侵蝕歸一方程和礦物溶解-侵蝕系數方程，結果表明，隨著干濕循環次數的增大，采空區破碎砂巖石英、長石與礦井水水巖作用趨勢增強，被溶蝕趨勢增大，Na++K+溶解-侵蝕系數呈正相關，Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-溶解-侵蝕系數呈負相關；

3）采用Piper 三線圖法可以對不同循環次數下破碎巖石水化學特征演變規律進行半定量半定性分析，表明隨著干濕循環次數的增大，存在較顯著陽離子交換行為和礦物溶解效應共同主導水化學類型轉換，干濕循環次數對破碎巖石水化學類型改變起促進作用，且這種促進作用隨著循環次數的增大，呈先快速增大后趨于穩定的趨勢；

4）建議在地下水庫、抽水蓄能電站建設前期的設計水文地質評估階段，應重點評估巖性、礦井水pH、循環次數對水化學類型的影響。