神东矿区矿井水水化学特征及其灌溉适宜性评价

吕情绪，李 果，许 峰，杨茂林，黄 欢

(1.神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719300； 2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054； 4.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054)

我国的煤炭资源与水资源分布呈逆向分布，西部地区煤炭资源相对丰富，但其水资源相对缺乏，大部分矿区位于干旱半干旱地区，其经济社会发展受到水资源的严重制约[1]。在煤炭开采过程，产生了大量的矿井水。据统计，我国吨煤开采约产生2 m3矿井水[2]，但矿井水的利用率仅为35%左右[3]，主要原因是矿井水水质相对较差，不能直接利用，需要进行预处理，其高额的成本限制了其利用。

近年来，矿井水资源化利用的研究逐步受到国内学者的关注。顾大钊等[3]系统整理了我国矿井水的处理现状，针对不同水质的矿井水提出了适应的处理工艺。闫佳伟等[4]梳理了我国在矿井水资源化利用方面的一些不足，分析了其制约因素，提出了一些对策及发展前景。方惠明等[5]总结了西部高矿化度矿井水的零排放技术及其优缺点，结合神东矿区提出了其零排放的工艺流程。从这些研究中可以发现，矿井水的水化学特征决定了其处理工艺及其成本。因此，对矿井水的水化学特征的研究非常重要。

近年来，已经有学者开始对矿井水的水化学特征进行了研究。郝春明等[6]以神东矿区为例，分析了其矿井水中F-的空间分布特征，并探讨了其形成机制。Wang等[7]以郭家湾煤矿为研究对象，分析了井下不同地段矿井水水质的差异性，并采用集对分析法对其水质进行了评价。这些研究中多侧重水化学特征研究，而对于缺水矿区矿井水的灌溉适用性研究相对较少。

神东矿区地处陕北内蒙接壤带，为黄土高原北缘与毛乌素沙漠过渡地带东段，为我国14个亿吨级煤炭生产基地之一[8]，在国家煤炭供给中起到关键性作用。但由于当地水资源短缺问题制约了其高速发展，为此，如何高效利用当地矿井水资源成为研究的热点，而这当中矿井水的水化学特征直接影响了其资源化的进程。本文以神东矿区为例，采集了矿井水进行水化学分析，研究矿井水水化学特征及其影响因素，并分析了其灌溉的适宜性，以期为制定矿井水处理工艺及高效利用方案提供参考。

1 研究区概况

神东矿区地处毛乌素沙地与黄土高原过渡地带，为典型的干旱半干旱大陆性气候，干旱少雨，蒸发量大，多年平均降雨量400 mm左右，年平均蒸发量2 300 mm左右，属严重缺水地区[6]。神东矿区核心区主要分布有柳塔矿、乌兰木伦矿、寸草塔矿、寸草塔二矿、布尔台矿、补连塔矿、上湾矿、石圪台矿、哈拉沟矿和大柳塔矿(包含活鸡兔井)。

研究区井田内地层由老至新有三叠系上统永坪组(T3y)，侏罗系中下统延安组(J1-2y)，侏罗系中统直罗统(J2z)，新近系上新统三趾马红土(N2)及第四系(Q)。含水层主要有第四系松散层孔隙潜水含水层和中生界碎屑岩类裂隙承压水(直罗组和延安组砂岩含水层)。其中，第四系孔隙潜水含水层富水性相对较强，基岩含水层富水性相对较弱[9]。

研究区可采煤层共8层，由上至下依次为11、12、22、31、42、43、44、52号煤层，部分煤层全区可采，部分煤层局部可采。

根据矿井充水因素分析，矿井煤层开采直接充水含水层为中生界碎屑岩类裂隙承压水(直罗组和延安组砂岩含水层)，间接充水含水层为第四系含水层，部分矿区在地面沟谷区直接充水含水层可能包含第四系松散含水层。其充水通道主要为导水裂缝带及天然裂隙带。

2 水样采集与分析

表1 矿井水采样点位置Tab.1 Location of mine water sampling points

为了确保测试结果的准确性和有效性，每组矿井水样品均进行了3次测试，取其平均值作为最终结果，以消除误差。此外，根据阴阳离子的毫克当量数，通过分析计算阴阳离子电荷平衡误差(CBE)来验证测试结果的有效性，其计算公式为[10-11]：

(1)

式中，ma和mc分别为阴阳离子的毫克当量浓度。

经过重复检测和电荷平衡分析，12件样品测试结果均有效且CBE在±5%范围内。

3 结果与讨论

3.1 一般水化学特征

所有采取的矿井水样测试结果统计表见表2。

所有矿井水样品的pH值为7.64～8.48，都为弱碱性水。TDS为275.13～3 090.14 mg/L，平均值为1 641.734 mg/L。除了M7和M9水样TDS小于1 000 mg/L，其余矿井水矿化度均大于1 000 mg/L(图1)，为高矿化度矿井水。这主要是因为M7水样和M9水样埋深较浅，受到新鲜的浅层第四系含水层的补给，导致其TDS相对较小；而M10水样是42煤上部含水层，埋深较大，不易接受补给，因此TDS大。矿井水的TH为19.21～804.01 mg/L，平均233.22 mg/L，其中M5和M8水样的TH大于400 mg/L，其余水样TH均较小。

表2 矿井水质测试结果Tab.2 List of mine water quality test results mg/L(除pH值外)

3.2 氟离子特征

矿井水中F-质量浓度最高为6.75 mg/L，其中7个矿井水样F-质量浓度均大于1 mg/L，为高氟矿井水。根据图1可知，TDS高的矿井水其F-浓度同样较高，呈现较好的相关性。这是由于TDS高的矿井水其补给较差，长时间发生水—岩作用，围岩中的含氟矿物成分不断融入水中，导致矿井水中的F-浓度较高。

图1 TDS柱状图及TDS与F-相关关系Fig.1 TDS histogram and correlation between TDS and F-

根据取样地点的空间分布，位于西北部的补连塔煤矿和布尔台煤矿矿井水中氟离子浓度相对较高，均大于2 mg/L，而位于东南部的哈拉沟煤矿和石圪台煤矿矿井水中氟离子浓度相对较低，氟离子浓度整体呈现出西北高、东南低的特征。同时，对比补连塔煤矿M1和M2与M3发现，M2和M3中氟离子浓度高于M1，说明开采下水平煤层时矿井水中氟离子浓度会呈现升高的趋势。这是因为煤层埋深越大，其补给条件越差，越不易接受新鲜水源补给，加之长期水岩作用，导致水中氟离子浓度逐步升高。

3.3 水化学类型

Piper三线图是用来判别矿井水的水化学类型最有效的方法之一[12-13]。根据研究区矿井水的主要离子含量绘制Piper三线图，如图2所示。

图2 Piper三线图Fig.2 Piper trilinear diagram

3.4 水化学影响因素

(1)水—岩作用。研究区矿井水在漫长的径流过程中不断与其周边围岩发生水岩作用，同时也可能受到大气降水和蒸发的影响。研究不同水体水化学特征的影响因素，对掌握其水化学成因有着非常重要的影响。目前Gibbs图常被用来探讨地下水的形成机制[14-15]。

(2)阳离子交换作用。从图3(b)可以看出，一部分地下水水化学样品落于曲线外部，这可能是由于矿井水在径流过程发生了阳离子反交换作用，导致地下水中的Na+浓度增大。

图3 Gibbs图Fig.3 Gibbs diagram

目前，大部分学者均采用国外学者Schoeller提出的2个参数(CAI-1和CAI-2)来判断地下水中是否发生阳离子反交换作用[16-17]。其计算公式为：

(2)

(3)

当CAI-1和CAI-2均为正值时，说明发生了阳离子交换作用，其反应式为方程式(4)；当两指标均为负值时，说明发生了反阳离子交换作用，其反应式为方程式(5)[18]。

2Na+(Ca，Mg)X2(Ca，Mg)2++2NaX

(4)

(Ca，Mg)2++2NaX2Na++(Ca，Mg)X2

(5)

根据研究区矿井水化学测试数据，绘制了CAI-1和CAI-2的关系(图4)。由图4可看出，CAI-1和CAI-2两指标均为负值，说明了研究区矿井水确实发生了阳离子反交换作用(反应式(5))，即矿井水中的Ca2+和Mg2+与其周围砂岩中Na+发生了交换，导致矿井水中的Na+浓度增大。

图4 CAI-1和CAI-2关系Fig.4 Relationship between CAI-1 and CAI-2

3.5 灌溉适宜性评价

神东矿区地处干旱半干旱地区，水资源及其匮乏。由矿井水水化学特征分析可知，矿井水为高盐高氟矿井水，不适合生活饮用。随着神东矿区建设绿色矿山的推进，用于地面植被灌溉的量越来越大，因此非常有必要开展矿井水植被灌溉适应性评价。

灌溉水的盐碱害直接影响植物的生长。盐害通常用电导率(EC)表征，其除了直接影响植被生产外，还间接影响土壤的结构、渗透率和通气性[19]。碱害通常用钠吸附率(SAR)和钠百分含量表征，其计算公式分别为：

(6)

(7)

根据灌溉水盐碱害分类图(图5(a))可知，神东矿区矿井水的电导率普遍较大，50%的矿井水EC值大于2 250，位于盐害极高(C4)范围内，58%的矿井水SAR值大于18，位于碱害高(S3)范围内，即研究区矿井水的盐碱害较严重，未经过处理前，不适宜进行植被灌溉。同样的，根据钠百分含量与EC关系图(图5(b))可知，50%的矿井水中钠百分含量大于80%，为不适合灌溉用水。综上可知，神东矿区矿井水绝大部分不适宜直接用于植被灌溉，需要提前将矿井水进行预处理，降低其矿化度及Na+含量。如果长期用矿井水进行植被灌溉，不但会直接影响植被的生长，而且会影响土壤的板结，造成土壤结构的破坏，进而影响植被的生长[20]。

图5 灌溉水盐碱害分类和ρ(Na)与EC曲线Fig.5 Classification chart of saline alkali damage of irrigation water and chart of ρ(Na) and EC

3.6 社会效益分析

通过水化学特征研究发现，神东矿区矿井水为高TDS、高F-水。虽然研究区处于干旱半干旱水资源短缺地区，矿井水在未进行处理之前，若作为饮用水源供给居民用水会产生一系列的健康危害，轻者使牙齿产生斑釉，关节疼痛，重者会影响骨骼发育，致使丧失劳动力。同时，通过灌溉的适宜性分析发现，矿井水直接作为灌溉用水，同样会对植物产生一系列的影响，长期灌溉含高Na+的高TDS、EC矿井水，会产生盐碱害问题，严重者土壤结构遭受破坏，导致植被生长严重受损，使当地生态环境受到一定的影响。因此，本研究在安全供水、健康灌溉、生态保护等方面具有明显的社会效益。

4 结论

本文为确定神东矿区水化学特征，采集了12组矿井水样品进行分析，采用多种方法，分析了矿井水的水化学特征及其影响机制。

(2)矿井水主要水化学类型为HCO3·SO4·(Cl) -Na及HCO3·SO4·(Cl) -Na·Ca。煤层埋深较浅的矿井水主要受岩石风化控制，而埋深相对较深矿井水，主要受浓缩作用控制。同时研究区矿井水中还发生了阳离子反交换作用。

(3)研究区50%的矿井水EC值大于2 250，58%的矿井水SAR值大于18，50%的矿井水中钠百分含量大于80%，大部分矿井水不适合进行直接灌溉。