山东新巨龙煤矿区场地高TDS地下水水化学特征及成因机制

张玉卓，徐智敏，张 莉，吕伟魁，袁慧卿，周丽洁，高雅婷，朱璐璐

山东新巨龙煤矿区场地高TDS地下水水化学特征及成因机制

张玉卓1，徐智敏1，张 莉1，吕伟魁2，袁慧卿1，周丽洁1，高雅婷1，朱璐璐1

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2. 山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918)

煤矿区场地；高矿化度；水化学特征；水化学成因；离子比值；饱和指数

2016年12月30日，国家发改委、能源局对外公布的《煤炭工业发展“十三五”规划》中明确要求生态文明绿色矿区的建设要取得积极进展，要最大程度减轻煤炭生产开发对环境的影响，提升资源综合利用水平，其中矿井水的利用率要达到80%[1]。由于我国煤炭资源主要采用地下开采方式，为避免突水灾害的发生，大量的矿井水必须排出井外，据统计我国矿井水每年排放量高达74亿m3，随着矿井水的大量疏排，地下含水系统的平衡与稳定受到影响，由于矿井水水质特殊、成分复杂，易对矿区生态环境造成影响，而水质较好的矿井水在多数情况下也未能得到有效合理的利用，造成地下水及洁净矿井水资源的浪费[2]，因此，开展煤矿区地下水水化学特征及成因机制的研究，可为矿井水排水处理、资源化利用提供科学依据。20世纪90年代，为查明煤矿区水文地质条件，主要通过水文地球化学研究判断地下水补径排关系和含水层水力联系[3-4]，后来逐渐广泛应用于矿井突水水源判别和水害防治方面[5-7]。近些年，随着对矿区生态环境的重视以及对煤矿区地下水资源的保护和矿井水资源化利用的要求，水文地球化学的研究逐渐侧重于煤矿区地下水和矿井水成因机制方面[8-9]。目前，国内外对地下水水文地球化学特征的研究方法可分为野外调查研究、水化学数据分析、模拟实验以及计算机数值模拟[10]，其中水化学数据分析方法研究和应用最为广泛：Piper图解、Gibbs图解等水化学类型划分法可以直观地判断地下水水化学类型、组分及水质状况，判断地下水水源、含水层间水力联系等[11-14]；多元数理统计法利用统计学手段从大量水化学数据中获取重要信息，快捷、高效地分析地下含水层水化学组分间的内在规律[15]；离子比例系数法通过分析部分离子比值呈规律性变化的特点，判断地下水的形成因素[16-17]；同位素分析方法用于判断地下水的补给来源、成因以及检测地下水污染[18-19]等。

华北型石炭–二叠纪煤田作为我国主要的原煤产地[20]，在面临严重水害问题的同时，也面临地下水水质恶化、水量衰减、矿井水污染等多方面问题，为适应国家对煤矿区环境保护的要求，深部地下水水化学特征、富水性特征及成因机制是目前研究和探索的目标[21]。山东巨野煤田新巨龙煤矿位于山东省菏泽市巨野县境内，地下水TDS在3～10 g/L，硫酸盐浓度高，受地下水影响，矿井水TDS偏高，水处理难度大，随着煤矿开采，地下含水层还将受开采影响，对其水化学特征及成因机制的分析和研究十分有必要。

笔者以新巨龙煤矿地下水为研究对象，对场区地下水水化学历史数据进行统计、取样进行分析测试，综合氢氧同位素和水化学分析测试结果，通过变异系数分析、Piper图解、同位素分析、相关性分析、Gibbs图解、离子比值关系和矿物饱和指数等分析方法，探究煤矿区场地地下水水化学特征及成因机制，以期为该区地下水、矿井水演化和特征污染物运移扩散的研究奠定基础，同时为该煤矿高TDS、高硫酸盐矿井水处理、资源化利用以及矿井水水源判别提供理论依据，可指导煤矿防治水工作。

1 新巨龙煤矿区场地概况

1.1 自然地理

新巨龙煤矿位于菏泽市巨野县龙堌镇境内，属黄河冲洪积平原，地形平坦，地势略呈西北高东南低，地面高程为+40.01～+46.14 m，平均+43.26 m，自然地形坡度为2‰；井口高程+44.8 m。地表水系比较发育，河流沟渠纵横成网，且多系人工开掘的季节性河流，主要有洙水河等，并与区内各沟渠贯通，旱季可引水灌溉，雨季可防洪排涝。

1.2 水文地质

矿井为全隐蔽的华北型石炭–二叠纪煤田，煤系以奥陶系石灰岩为基底，沉积石炭系本溪组、石炭–二叠系太原组，二叠系山西组和石盒子群，上覆地层为新近系、第四系；主要含煤地层为太原组和山西组，主采二叠系山西组3煤，开采深度800～1 300 m[22]。区内地层大致呈走向南北、倾向东的单斜构造，发育有次一级宽缓褶曲并伴有一定数量的断层，构造复杂程度中等。

含水层自上而下有新生界砂砾层孔隙含水层、二叠系石盒子群砂岩、山西组3煤层顶、底板砂岩(简称3砂)裂隙含水层、石炭–二叠系太原组石灰岩(三灰、十下灰)及奥陶系石灰岩(简称奥灰)岩溶裂隙含水层(图1)，主采3煤主要充水水源有底板奥灰水、太原组三灰水、顶板山西组3煤顶底板砂岩水和新近系砂岩水。根据区域规律，未开发前浅层地下水顺地势径流，深层地下水随着补给与排泄区的分布变化而变化，地下水循环慢，径流微弱。受矿区排水影响，各含水层水位将发生分异。各含水层静止水位差别不大，水力联系程度差，多数无直接联系。

图1 新巨龙煤矿水文地质柱状图

2 材料与方法

2.1 水质资料来源及水样采集

为分析研究区地下含水层水化学特征及水质变化情况，本文整理了该煤矿场区勘探阶段至建井(1999—2008)，以及正式投产至今(2008—2018)2个阶段的所有水质分析数据，并于2020年10月在新巨龙煤矿目前已开挖的巷道及工作面进行取样。历史和取样测试取得的水质数据共计76个，其中新近系水样15个、山西组3砂水样29个、太原组三灰水样21个、奥灰水样11个。

2.2 样品测试

3 结果与讨论

3.1 煤矿区场地地下水水化学特征

3.1.1 水化学特征

为研究该煤矿区场地地下含水层水化学特征及水质演化情况，根据整理的研究区历史水质资料，结合本次研究的取样测试结果，重点分析对目前正在开采的山西组3煤有影响的新近系底部孔隙(新近系)含水层、3煤顶底板砂岩裂隙(3砂)含水层、太原组第三层灰岩岩溶裂隙(三灰)含水层及奥陶系灰岩(奥灰)岩溶裂隙含水层的水质特征。

通过SPSS软件对水化学各个指标进行数理统计分析，统计结果见表1；运用AqQA水化学分析软件，分析各含水层中的常规水化学成分，得到地下水的Durov图(图2)。

表1 含水层水化学参数统计特征值

注：Min为最小值；Max为最大值；Avg为平均值；SD为标准差；CV为变异系数，无量纲。

图2 新巨龙煤矿地下水Durov图

根据SPSS对水化学参数的梳理统计结果，结合各含水层的Durov图(图2)，从常规水化学指标来看，pH值在6.5～11.1，呈中性略偏碱性，其中奥灰含水层pH值相差较大，最小值为7.2，最大值为11.1，说明其赋存环境可能存在不均的情况。

3.1.2 水化学类型

为分析该矿区地下水水质的变化情况，以煤矿建井时间为界，根据水质资料绘制各含水层建井前后的地下水水化学Piper三线图，如图3所示。

图3 新巨龙煤矿地下水Piper三线图

总体来看，除新近系外，随着矿井建设和煤矿开采，3砂、三灰和奥灰含水层的水化学类型发生一定程度的变化，且深部含水层的变化更为明显，说明受开采影响，地下含水层的水文地球化学条件发生了改变，含水层水体受到扰动，水化学组分随之发生变化。

3.1.3 同位素特征

根据氢氧稳定同位素特征可以更好地了解地下水的水文地球化学作用，通过分析其组成特征可以研究深层地下水水循环及动态特征。研究区取样测得的氢氧同位素数据见表2，根据各水样的δ2H、δ18O值绘制δ2H–δ18O关系图(图4)。从图4可以看出，研究区所取的3个地下水水样：3砂、三灰和奥灰水，在图中的落点位置相对集中，位于大气降水线的右下方，存在18O正向漂移现象，研究区所取水样的含水层温度较高，在43～54℃，地下水在高温情况下长时间与岩石矿物接触发生18O交换，其中砂岩含水层中水体主要与硅酸盐矿物发生反应，灰岩含水层中水体主要与碳酸盐岩发生反应，从而导致水体中的18O含量增加[23]。

表2 氢氧同位素数据

注：为氘过量参数。

图4 新巨龙煤矿区地下水δ2H与δ18O的相关关系

地下水中，氘过量参数可以总体反映水岩反应中18O的交换程度，地下水中18O的含量取决于岩石的含氧化合物组分、含水层的温度和地下水在含水层内滞留时间的长短。地热水在热储中滞留时间越长，径流速度越慢，其水岩相互作用越明显，值越小[24]。表2中对各水样的值进行了计算，结果显示只有3砂、三灰和奥灰地下水的值为负，为–2.20‰～ –4.64‰；地表水和矿井水的均为正值，说明区域地下含水层中，水体有明显的热交换趋势，水循环缓慢，水交替作用弱，随着水体和围岩间相互作用时间越久，与含氧矿物中的18O交换越多。

3.2 煤矿区场地地下水水化学成因

3.2.1 水化学指标相关性

各含水层的TDS浓度存在明显不同，同时TDS值与各离子浓度的相关性也不尽相同，通过分析各离子与TDS之间的相关性可以解释离子的来源和TDS变化的原因[25]。利用SPSS软件中双变量相关性分析方法对各含水层地下水的TDS和常规离子进行相关性分析，得到各含水层水化学成分相关系数矩阵，见表3。

3.2.2 水动力因素

表3 含水层水化学指标相关系数矩阵

注：*表示相关性显著水平在0.05(双尾)；**表示相关性显著水平在 0.01(双尾)。

3.2.3 水化学组分来源

图5 新巨龙煤矿地下水Gibbs图

地下水成因除溶滤作用外，还有离子的交换作用。确定含水层中是否发生阳离子交换作用可以通过计算氯碱指数CAI-1和CAI-2进行分析。若CAI-1和CAI-2均为正值，进行正向阳离子交换，发生如式(1)的反应；若CAI-1和CAI-2均为负值，则进行反向阳离子交换作用，发生式(2)的反应[31]。

图6 新巨龙煤矿地下水离子比值关系

3.2.4 矿物溶解平衡

矿物饱和指数可以用于评估矿物与地下水之间的平衡和反应[33]，根据矿物相对地下水饱和指数的计算结果，可以确定地下水系统中的反应矿物。水溶液相对矿物的饱和指数SI计算公式为：

图7 氯碱指数

图8 新巨龙煤矿γ(Ca2++Mg2+––)和γ(Na+–Cl–)比值关系

式中：IAP为矿物所含组分在水溶液中的离子活度积；为矿物溶解反应时的平衡常数。

当SI＜0时，表示该矿物相对于水溶液未达到饱和，为溶解状态；

当SI=0时，表示水溶液与矿物正好处于平衡状态；

当SI＞0时，表示该矿物相对水溶液处于过饱和状态。

利用PHREEQC软件计算出该区各含水层方解石、白云石、石膏和盐岩的饱和指数，如图9所示。

图9显示该区方解石和白云石的饱和指数均大于0，处于饱和状态；石膏的饱和指数小于0，除三灰外，饱和指数接近0，虽处于未饱和状态，但有达到饱和的趋势；盐岩的饱和指数在–5.0左右，处于未饱和状态。从石膏和盐岩处于未饱和状态可以说明，地下水中石膏和盐岩的溶解占离子作用的主导地位，也是导致该地区SO4-Na型水呈现出高TDS的原因。

图9 新巨龙煤矿地下水SI与TDS关系

4 结论

a. 新巨龙煤矿区地下水均为弱碱性水，TDS普遍偏高，深部含水层地下水TDS小于浅部，水化学类型以SO4-Na型为主，随着煤矿开采，水化学环境发生变化，部分组分离子变异系数较大，新近系和3砂水水化学类型未发生明显变化，三灰和奥灰水的水化学类型由单一的SO4-Na型增加了SO4·HCO3-Na和SO4-Ca·Mg型，同时由于深层地下水温度偏高，含水层水体中存在18O的正向漂移。

b. 煤矿区地下水水动力条件差，含水层温度高，长时间高温水岩作用、蒸发浓缩作用、岩盐和硫酸盐矿物溶滤作用以及一定程度的阳离子交换作用，是该区高硫酸盐、高TDS的SO4-Na型地下水的主要成因。

c. 对煤矿区地下水水化学特征及成因机制的研究可为该煤矿高TDS、高硫酸盐矿井水处理、资源化利用以及污染防控提供重要支撑；同时可为后续矿井水水源判别提供理论依据，指导煤矿防治水工作的进行。

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Hydrochemical characteristics and genetic mechanism of high TDS groundwater in Xinjulong Coal Mine

ZHANG Yuzhuo1, XU Zhimin1, ZHANG Li1, LYU Weikui2, YUAN Huiqing1, ZHOU Lijie1, GAO Yating1, ZHU Lulu1

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. Shandong Xinjulong Energy Co. Ltd., Heze 274918, China)

coal mining area; high salinity; hydrochemical characteristics; hydrochemistry genesis; ion ratio; saturation index

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P641.3

A

1001-1986(2021)05-0052-11

2021-01-19；

2021-06-21

国家重点研发计划项目(2019YFC1805400)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2020ZDPY0201)

张玉卓，1996年生，女，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为水文地质及矿井水害防治. E-mail：zyz1996@cumt.edu.cn

徐智敏，1981年生，男，四川简阳人，博士，副教授，博士生导师，研究方向为矿井水文地质及矿井水害防治. E-mail：xuzhimin@cumt.edu.cn

张玉卓，徐智敏，张莉，等. 山东新巨龙煤矿区场地高TDS地下水水化学特征及成因机制[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(5)：52–62. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.006

ZHANG Yuzhuo，XU Zhimin，ZHANG Li，et al. Hydrochemical characteristics and genetic mechanism of high TDS groundwater in Xinjulong Coal Mine[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：52–62. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.006

(责任编辑 周建军)