黄玉川煤矿矿井充水水源水化学特征综合分析

任辰锋

（神华国神集团 黄玉川煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

1672-5050（2017)05-0068-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.020

2017-05-17

任辰锋（1984-)，男，陕西白水人，本科，助理工程师，从事煤矿地测防治水技术管理工作。

黄玉川煤矿矿井充水水源水化学特征综合分析

任辰锋

（神华国神集团 黄玉川煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

通过黄玉川煤矿各主要含水层典型水样 一般水化学特征和溶解性有机质含量、三维荧光光谱有机质特征综合分析，研究矿井充水水源特征和规律，了解掌握矿井各含水层水质成分差别。查明各含水层补给、径流、排泄条件，判别各含水层之间是否有水力联系，识别充水水源，对矿井水害防治和抢险救灾具有重要指导意义。

充水水源；水化学特征；综合分析；水源识别

1 矿井水文地质概况

黄玉川煤矿位于内蒙古准格尔煤田中西部，井田面积42.68 km2，生产能力10.0 Mt/a。井田地层区划属于华北地层区、鄂尔多斯地层分区，属晚古生代石炭二叠纪煤田。井田整体为一单斜构造，呈东高西低，中小构造较为发育，主要表现为褶皱构造和断裂构造。

井田地表松散层分布广泛，松散层潜水主要接受大气降水的垂直渗入补给。在河谷地段，地表水也可直接或间接补给地下潜水。碎屑岩类在各大沟谷及两侧分布较广，所以碎屑岩类承压水不仅接受上部潜水的下渗补给，还在出露处直接受大气降水的渗入补给。煤系地层下伏中下奥陶统灰岩含水层为矿井主要含水层，厚度大、分布范围广，补给来源以北、东部黄河岸边奥陶系灰岩大面积裸露及半裸露区接受大气降水为主，同时还接受上覆第四系松散孔隙含水层、石炭二叠系裂隙含水层及地表水的入滲补给，根据实际揭露在井田内补给水源较充沛。矿井充水水源主要为地表水、顶板砂岩裂隙水、底板奥灰岩岩溶水。

2 一般水化学特征分析

根据矿井充水水源，本次研究主要采集了黄玉川煤矿地表黄河水和井下一盘区6上煤顶板砂岩水、6上煤底板奥灰水共10组典型水样进行水化学测试，测试结果如表1所示。

表1 黄玉川井田充水水源水样水化学测试成果表（mg/L)

根据以上化验结果，利用piper三线图和Schoeller图分析黄玉川井田充水水源水样见图1、图2。[1]

图1 黄玉川井田充水水源水样Piper三线图Fig.1 Piper trilinear nomograph of water samples from water-filling sources in Huangyuchuan Mine

图2 黄玉川井田充水水源水样Schoeller图Fig.2 Schoeller graph of water samples from water-filling sources in Huangyuchuan Mine

通过分析认为，黄玉川煤矿一盘区地下水径流时间较短，径流条件较好，矿化度较低，一般在401.6 mg/L～608.3 mg/L之间，pH在8.05～8.14之间，水质类型区别明显，奥灰水质与顶板水质区别是Cl-含量相对较高，与地表水区别较大。

3 有机质特征分析

在有机地球化学和水文地质学基础上，通过水中各种有机组分的定性、定量标志来研究地下水中有机物质的数量、成分、分布规律及其在地质、地球化学和其他过程中的作用，可建立黄玉川煤矿不同含水层、不同区域的有机水文地球化学特征，并尝试区分煤层顶板水与底板奥灰水中有机水文地球化学的特征差异[4]。

本次研究仍采集了地表黄河水、6上煤顶板砂岩水、6上煤底板奥灰水共10组水样（编号同表1)，开展地下水中溶解性有机质含量、三维荧光光谱特征检测分析。

3.1分析检测方法

总有机碳（TOC)的检测采用multi N/C 2100专家型总有机碳/总氮分析仪，水样经0.45 μm滤膜过滤，取滤出液检测总有机碳含量。紫外吸光度（UV254)的检测采用Evolution 60紫外可见光度计，水样置于1 cm规格石英皿中检测254 nm处紫外吸收值（UV-254)，同时检测空白样。

三维荧光光谱（3DEEM)采用HITACHI F-7000型荧光分光光度计检测，仪器光源为150 W氙灯，光电倍增管（PMT)电压为400 V，激发和发射单色器均为衍射光栅，激发和发射狭缝宽度均为10 nm，扫描速度为1 200 nm/min。激发光波长范围和发射光波长范围分别为200 nm～400 nm和 240 nm ～550（或600) nm，以2 nm和5 nm步长递增，响应时间为自动。数据采用Origin软件进行处理，以等高线图表征。以娃哈哈超纯水作为空白校正水的拉曼散射。

3.2有机质含量分析

通过对地表黄河水和井下顶底板水样中TOC浓度、UV254值和NO3-N的检测发现（图3)：

图3 黄玉川煤矿各水样中TOC和UV254检测结果Fig. 3 Testing results of TOC and UV254 in water samples in Huangyuchuan Mine

1)相对于东部矿区或者受到生产生活污染的地区，由于黄玉川矿区地处西北干旱半干旱地区，地表植被稀疏，导致地表黄河水体中DOM含量总体较低，TOC浓度为1.790 mg/L ～2.109 mg/L，UV254为0.050 cm-1～0.056 cm-1；NO3-N浓度也较低，浓度为2.122 mg/L ～2.183 mg/L。

2)6上煤顶板砂岩含水层所采集的水样中，除了D3水样，有机物和NO3-N均较低，TOC=0.231 mg/L ～0.449 mg/L，UV254基本未检出（0.000 ～0.001 cm-1)，NO3-N=0.000 mg/L，相比较地表黄河水，这三项指标均有较明显降低，主要是由于DOM随着地表水或大气降水，从露头等位置随地下水下渗过程中，发生了一系列的氧化还原反应，DOM作为碳源，在微生物作用下被消耗，其中腐殖质类大分子有机物以及含C=C双键和C=O双键的芳香族化合物，在深部含水层还原条件，已经被微生物基本分解掉；在硝化反硝化作用下，NO3也会与有机质发生反应而消耗掉。

D3水样中，尽管TOC浓度与其它顶板砂岩水样中的浓度相近（0.259 mg/L)，但UV254高达0.069 cm-1，与地表黄河水中接近UV254，表明D3水样点附近，可能存在异常情况；由于该水样中NO3-N=1.773 mg/L，也与地表黄河水接近。总体说明，D3水样点附近可能存在导水构造，但不是地表水的直接补给。

3)6上煤底板奥灰水中，DOM浓度也都比较低，TOC=0.180 mg/L ～0.328 mg/L，UV254=0.000～0.002 cm-1，表明奥灰水中DOM已经消耗殆尽；造成DOM浓度低的主要原因可能是地表黄河水中DOM浓度较低，在补给奥灰水过程中，由于DOM基本被消耗殆尽，奥灰水中反硝化反应所需的碳源不足。

3.3三维荧光光谱分析

三维荧光光谱（3DEEM)将荧光强度以等高线方式投影在以激发光波长和发射光波长为横纵坐标的平面上获得的谱图，图像直观，所含信息丰富，具有快速、灵敏度高、样品量少及无需前处理富集样品等优点，已广泛用于DOM成分和含量的分析。本研究根据黄玉川煤矿地质水文地质条件、含水层分布特征等，开展了该矿地表水和深部奥陶系含水层的研究[3]。

根据水中天然有机质的分类方法，地下水中天然DOM主要包括以下5类荧光峰：Ⅰ区（芳香族蛋白质)—酪氨酸，Ⅱ区（芳香族蛋白质Ⅱ)—色氨酸，Ⅲ区（类富里酸)—疏水性有机酸，Ⅳ区（溶解性微生物代谢产物)—含色氨酸的类蛋白质，Ⅴ区（类腐植酸)—海洋性腐植酸[2]。

3.3.1地表黄河水

黄玉川煤矿附近地表黄河水中，主要存在三个荧光峰, 地表水中DOM荧光光谱图,见图4：

图4 地表水中DOM荧光光谱图Fig.4 DOM fluorescence spectrum in surface water

①荧光强度最强的是Ⅱ区的色氨酸类芳香族蛋白质Ex/Em=230/344，荧光峰强度FI=903.8 QSU ～987.0 QSU，可能来源于人类生产生活的污染，或者是细菌分解过程中产生的酶和生物残骸中含有的大量蛋白质；但相对于山西、河南等矿区地表水，其DOM浓度和Ⅱ区荧光峰强度，都明显偏低，表明该段黄河水受到的污染较轻。

②Ⅲ区的类富里酸荧光峰也较强Ex/Em=（240～245)/（406～412)，FI=801.3 QSU ～851.2 QSU，Ⅲ区的有机质属于陆源腐植酸，其普遍存在于土壤和地表（或浅部)水体中，能够作为地表（或浅部)水环境的特征DOM。

③Ⅳ区的溶解性微生物代谢产物Ex/Em=280/（344～360)，FI= 522.5 QSU ～582.2 QSU，由于地表黄河水中溶解氧含量较高，处于好氧环境中的微生物以DOM作为碳源进行新陈代谢，这个过程中会产生一定的代谢产物。

3.3.2顶板砂岩水

黄玉川煤矿6上煤层顶板砂岩水中，除了D3水样，其余3个水样中的DOM三维荧光光谱图中只出现了一个荧光峰，即Ⅱ区的色氨酸类芳香族蛋白质Ex/Em=（220～225)/（342～354)，FI=258.3 QSU ～341.3 QSU。顶板砂岩含水层中DOM荧光光谱图，见图5。

图5 顶板砂岩含水层中DOM荧光光谱图Fig.5 DOM fluorescence spectra in sandstone aquifers of roofs

D3水样中，出现了两个荧光峰：Ⅱ区的色氨酸类芳香族蛋白质Ex/Em=225/360，FI=142.6 QSU，荧光强度比其它水样低44.8%～58.2%；Ⅳ区的溶解性微生物代谢产物Ex/Em=275/330，FI= 67.57 QSU。

3.3.3底板奥灰水

6上煤层底板奥灰水中，三维荧光光谱图中出现了两个荧光峰，底板奥灰含水层中DOM荧光光谱图，见图6。

图6 底板奥灰含水层中DOM荧光光谱图Fig.6 DOM fluorescence spectra in Ordovician limestone aquifers of floors

① 区的色氨酸类芳香族蛋白质Ex/Em=（220～225)/（36～352)，FI=106.3 QSU ～341.7 QSU，其中O2、O3、O4水样的Ⅱ区FI大于200QSU)，其它水样的Ⅱ区FI则均小于200QSU；

②Ⅳ区的溶解性微生物代谢产物（Ex/Em=275/（336～338)，FI=72.24 QSU ～150.9 QSU，由于是深部含水层，地下水中碳源较低，导致微生物极不活跃，产生的微生物代谢产物也较少。

3.4水源特征差异

通过对黄玉川煤矿井下一盘区水样有机水文地球化学的检测分析，可以得出以下结论：

1)地表黄河水中TOC浓度为1.790 mg/L ～

2.109 mg/L，UV254为0.050 cm-1～0.056cm-1，NO3-N浓度为2.122 mg/L ～2.183 g/L，相对于煤层顶底板水，浓度均较高；出现了Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区三个荧光峰，且荧光强度也较高。

2)6上煤层顶板砂岩水中TOC=0.231～0.449 g/L，UV254基本未检出（0.000～0.001cm-1)，NO3-N=0.000 g/L，浓度均较低；出现了Ⅱ区荧光峰，FI=258.3 QSU ～341.3 QSU。

3)6上煤层底板奥灰水中DOM浓度较低，TOC=0.180 mg/L ～0.328 g/L，UV254=0.000～0.002 cm-1，NO3-N浓度接近地表水，为1.638 mg/L ～2.636 mg/L；出现了Ⅱ区和Ⅳ区荧光峰，FI较低。

4)顶板砂岩水中的D3水样，出现了较高的NO3-N（1.773 mg/L)，但DOM浓度低，荧光峰强度低，与地表黄河水水质差异较大，与底板奥灰水水质接近，可能在该水样点附近存在沟通奥灰水的导水通道。

4 结论

1)通过黄玉川煤矿典型水样一般水化学特征和有机质特征综合分析，认为矿井一盘区地下水径流条件较好，奥灰水水质类型为HCO3Cl-CaNaMg，奥灰水质与顶板水质区别是Cl-含量相对较高；有机质测试表明局部顶板砂岩水质接近底板奥灰水质，但均与地表水区别较大，说明局部顶板砂岩水可能存在底板奥灰水补给。

2)地表水水样综合分析表明其与底板奥灰水和顶板砂岩水有差别，与奥灰和顶板砂岩含水层之间的水力联系较差。在生产过程中如果发生顶板涌水现象可以通过水化学成分分析迅速判别涌水水源是否属于地表水或第四系含水层水。

[1] 杨立华.谢桥矿地下水化学特征分析与水源识别研究[J].蚌埠学院学报,2016,5（5):33-36

[2] 杨策,钟宁宁,师玉雷,等.煤矿区水体溶解有机质三维荧光光谱特征[J].光谱学与光谱分析,2008,28（1):174-177

[3] 杨建,王新,李凯.煤矿区地下水中溶解性有机质荧光特征Ⅰ-含水层之间垂向差异[J].安全与环境学报,2015,15（5):44-48

[4] 武强,赵苏启,董书宁,等.煤矿防治水手册[M].北京：煤炭工业出版社,2013.

ComprehensiveAnalysisofHydrochemicalCharacteristicsofWater-fillingSourceinHuangyuchuanCoalMine

RENChenfeng

（HuangyuchuanCoalMine,ShenhuaGuoshenGroup,Erdos010300,China)

The characteristics of water-filling sources in Huangyuchuan Mine are studied to distinguish the water quality and constituents in various aquifers on the comprehensive analysis of water samples, including general hydrochemical characteristics, dissolved organic contents, and features of organic matters with three-dimensional fluorescence spectrum. For water disaster prevention and emergency rescue in coal mines, it is important to investigate water supply, runoff, and discharge, determine the hydraulic connection between the aquifers, and identify the water-filling sources.

water-filling sources; hydrochemical characteristics; comprehensive analysis; water source identification

TD745

A

（编辑:刘新光)