矿井水深部转移水文地球化学变化模拟研究——以鄂尔多斯盆地东北部为例

胡荣华

(江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221000)

0 引言

深井回灌工程是将液体放置于生物圈以外的深部地层的一种环境处置手段，通过深层地质环境相对封闭的特点将溶液与生物活动隔离开[1]。深井回灌技术最早始于20世纪30年代的美国，最初是用于石油和天然气行业[2]。随着时代发展技术的进步，其应用范围不断拓展，涉及到制药、金属、农业等领域[3]。20世纪末此技术引入我国，主要应用于能源行业，其高效环保的特点使得近些年深井回灌成为部分矿区处置矿井水的最佳选择，由于现在此技术还在试验阶段，所以它的相关研究逐渐成为热点[4-6]。

在矿井水回灌过程中发生的水文地球化学作用会引起水质的变化，也会引起回灌设施或回灌地层的堵塞问题[7]，从而产生一定的风险，所以通过水文地球化学模拟，研究矿井水回灌过程中溶质的溶解与沉淀特征十分重要[8-9]。

矿井水回灌过程中的化学作用过程是由于回灌打破了地下水环境已形成的平衡而导致。回灌水注入地下含水层后，改变了地下环境的物理化学条件，促进平衡发生移动并激发新的溶解、沉淀等化学作用的产生。在矿井水回灌过程中，初期主要是矿井水与地下水的混合，然后是混合水与含水层介质间的化学作用过程。在澳大利亚南部地区曾开展过一个为期5a的含水层储存与回用场地试验，通过监测回灌水与地下水中氯化物的浓度，发现回灌水与地下水的混合发生在整个过程中，前1～2a混合作用非常明显，在随后的几年中，地下水逐渐被回灌水取代，混合作用逐渐减弱。距离回灌点位置的远近影响着混合的比例，即离回灌位置越远，回灌水所占的比例越小。

鄂尔多斯盆地煤矿资源丰富，在煤矿生产过程中矿井水的处置至关重要，为了进一步研究矿井水回灌的水文地球化学规律，选取鄂尔多斯盆伊陕斜坡北部地区作为模拟回灌场地，选取埋藏较深厚度较大的砂岩含水层作为回注的目的层，以回注地附近矿区沉淀池内矿井水作为回灌水源，模拟矿井水回注过程中发生的水文地球化学现象，为此项技术的进一步完善提供理论依据。

1 区域地质及水文地质条件

鄂尔多斯盆地是由中生界和古生界组成轴向近南北的大型向斜式沉积盆地，其四周边界均为山脉，南为秦岭、北为阴山，东为吕梁山、西为贺兰山-六盘山。该区煤炭储量丰富，对矿井水治理的需求较大[10-11]。

取鄂尔多斯盆地的北东部，即伊陕斜坡北部地区为模拟回灌地点，位于白垩系碎屑岩裂隙孔隙含水层系统水文地质单元分区的鄂尔多斯东区(Ⅱ)区地下水系统。主要的含水系统有第四系孔隙含水系统，白垩系孔隙-裂隙含水系统，石炭-侏罗系裂隙含水系统，寒武-奥陶系岩溶含水系统[12]。

选取的回灌目的层位于三叠系底部刘家沟组含水层，厚度约为350m，埋深在1 880～2 215m。其底界为本溪组铝土质泥页岩夹铁矿层，顶界为中上侏罗统发育的大套泥质岩类，此含水系统连续性较好，地下水的补给条件差，水量贫乏，且与其他含水层之间有良好的隔水层，不与其他含水层连通。

根据岩心取样分析，刘家沟组主要为杂色泥岩、灰白色中砂岩、灰白色、浅肉红色细砂岩，其中以灰白色、浅肉红色细砂岩占比较大。而且局部岩层发育垂直裂隙，方解石脉充填，取心时每段有不同程度的岩石破碎现象。根据此处的抽水试验和压水试验数据结果求得该含水层水文地质参数，其中渗透系数K小于隔水层渗透系数0.000 1m/d，即此含水层的渗透能力差，水文地质环境较封闭，含水层厚度大排泄能力差，注入的矿井水会以弹性储存的方式长期储存在含水层中，且其埋藏较深，不会影响上部其它含水层的补给和排泄，是深井回灌的最佳选择。

为了模拟矿井水在含水层中发生的一系列变化，收集整理了含水层的水化学参数和含水层介质的矿物组成成分资料[13]，具体数据见表1、表2。

表1 刘家沟组含水层水化学成分Table 1 Liujiagou Formation aquifer hydrochemical components mg/L

表2 刘家沟组样品矿物含量Table 2 Liujiagou Formation sample mineral contents %

2 矿井水分析

本次模拟选取某矿区沉淀池内矿井水作为回灌水。沉淀池内矿井水先由井下工作面抽至地面沉淀池，经过自然沉淀将矿井水中混入的大颗粒悬浮物如沙砾、煤粉等充分沉淀，再在沉淀池内加入沉淀剂使小颗粒杂质进一步沉淀，经过这两步后得到澄清几乎无悬浮物杂质的矿井水。取沉淀完全的矿井水进行检测分析，得到回灌矿井水的水化学组分，其中pH值为7.69，其它如表3所示。

表3 矿井水水化学指标Table 3 Mine water hydrochemical indices mg/L

3 PHREEQC模拟

3.1 混合模拟

本次模拟主要运用PHREEQC中的MIX模块，模拟矿井水与地下水混合的水化学作用[14-15]。回灌的水量和回灌水的水质均会对地下水水化学产生影响，一方面回灌的水量决定了回灌水对含水层的补给量，另一方面由于注入的矿井水与地下水之间各离子组分质量浓度存在差异，会引起水化学的变化。此外，温度也会对水体混合成分的变化有重要影响，温度的高低直接影响地下水溶质的溶解度以及地层矿物在水中的饱和指数的大小，所以在模拟过程中温度是非常重要的因素[16]。刘家沟组砂岩的地层温度在50～60℃，在此地下水混合的模拟中假设地下水温度为50℃。回注的矿井水是从采矿工作面抽出至地表室内蓄水池中，经沉淀后回注至含水层中，所以设定回注水的温度为室温25℃。

为使模拟结果充分显示出回灌地区不同地段的混合特征，本次模拟共设置了5种矿井水和地下水的不同混合比例，从而更精细地刻画出回灌在时间和空间两种尺度上引起的地下水化学变化。此模拟分别选取了矿井水和地下水分别为1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1的5种混合比例。模拟结果如图1所示。

从图1中可以直观地看到随着矿井水与地下水的混合，地下水含量越高即距离注水井越远的地方水温随之逐渐升高，直到含水层的50℃。而随着两种溶液的混合，pH值先降低后升高，矿井水的pH值为7.69，地下水的pH值为8.1，随着混合溶液中地下水的占比越来越大pH值先降低到7.26然后逐渐增大到8.1，但总体浮动不大，稳定在7～8。

从溶液中各离子浓度的变化中发现，除了HCO3-外其它离子浓度都随地下水含量的增加而增加。从两种溶液的测试结果中也能看出，地下水各离子浓度明显高于矿井水，所以在混合过程中都呈增长趋势。

3.2 水岩作用及温度变化模拟

为了探究矿井水在回灌过程中与含水层介质产生的水文地球化学作用，常见矿物的溶解沉淀情况，本节模拟了碳酸盐岩、硫酸盐岩等常见矿物的溶解或沉淀量在不同位置的变化情况，以及不同地层温度下各矿物饱和指数(SI)的变化情况。将取得的13处地层岩石样本取平均值，作为刘家沟组含水层的平均矿物含量(包括黏土矿物)，通过该值按照每1kg水样与1mol岩石矿物的比例设置参与水岩作用的反应矿物数量。

将回灌的矿井水与原含水层的混合状态按比例分为5组，分别为矿井水∶地下水=9∶1、7∶3、5∶5、3∶7、1∶9。根据文献调研和模拟演化得到含水层的温度在53～65℃，所以本次模拟设定最高温度为70℃，最低温度为室温25℃。以每1℃为阶步模拟从25～70℃共计46个温度下的SI值变化，得到温度影响下不同矿物SI值的变化趋势。研究不同温度下水岩作用过程中的矿物溶解沉淀趋势，从而判断温度对矿井水回灌的影响。模拟结果如图2所示。

模拟选择了方解石、白云石、重晶石、石膏和硬石膏五种矿物。不同的矿物在温度升高时溶解度发生不同程度的改变，有的矿物溶解度随温度升高增大，有的矿物随温度升高减小。在模拟结果的散点图中可以看出，重晶石的饱和指数随温度升高而降低，即温度升高使重晶石趋向溶解使其沉淀量减小。方解石和白云石都是碳酸盐岩矿物，从图中可以看出随温度的升高两种矿物的SI值随之增大，两种矿物更容易产生沉淀。石膏和硬石膏都是硫酸盐矿物，化学式分别为CaSO4和CaSO4·2H2O，两者只差两个结晶水分子，所以两者的SI值基本相似，与其它几种矿物相比石膏的SI值在45℃的跨度下并没有明显的变化，而硬石膏有缓慢的升高趋势。

图1 混合过程中离子浓度变化Figure 1 Ion concentration variation during hybrid process

图2 不同温度下矿物饱和指数变化Figure 2 Mineral saturation indices variation under different temperatures

对比不同混合比例下的模拟结果，在矿井水∶地下水=9∶1的图中重晶石、方解石和白云石的散点图都在零值直线的上方，SI值都大于零说明这三种矿物都呈现出沉淀的趋势。对比5张图中重晶石的图像可以发现随着地下水含量的增加图像逐渐向上移动，即重晶石的SI值顺地下水流向逐渐升高，但是随温度变化的趋势不变，均随温度升高而降低。

图2中黑色点表示方解石，红色点表示白云石。(a)图中红色图标位于黑色图标上方，说明此时碳酸盐岩中白云石的沉淀量要大于方解石。对比另外4张图可以发现随着地下水含量的不断增加两条曲线不断向下方移动，而且红色曲线代表的白云石SI值减小的速度远大于黑色曲线下移的速度，由开始(a)图中红色曲线位于黑色曲线上方逐渐变化为(e)图中黑色曲线位于红色曲线上方。且(a)图中两者皆位于零线上方为正值，后到(e)图两曲线均位于零线下方为负值。

与以上几种矿物相比石膏和硬石膏的SI值的变化相对较小，温度升高使硬石膏的SI值略有增大，但变化幅度保持在0.3以内，石膏的SI值变化保持在0.1以内，所以温度对石膏和硬石膏的溶解沉淀影响不大。

石膏和硬石膏在图中分别用绿色和紫色图标表示。在五张图的对比中可以发现随地下水含量增加两条曲线缓慢向上移动，从零线下方移至零线上方，但其移动范围较小，仅在零线附近。在上文中提到SI值的正值在数值较小时仅代表在模拟中表示沉淀趋势，在实际反应中并不会发现沉淀出现，在SI值模拟结果较大时才能准确地模拟出矿物沉淀情况，所以可以认为石膏和硬石膏两种矿物在温度和不同混合比例的影响下未产生明显变化。

综合以上分析可以得到：温度升高使重晶石的SI值减小，使方解石和白云石的SI值增大。随矿井水在含水层中的运移温度不断升高，温度的升高促使方解石和白云石等碳酸盐岩矿物的沉淀，同时使重晶石即硫酸钡更易溶解，但对石膏和硬石膏不会产生明显变化。

4 结论

1)矿井水的注入会稀释、淡化并混合原生高盐地层水，形成较高盐水浓度区、高盐水浓度区和极高盐水浓度区。

2)矿井水的回灌会在含水层中产生矿物沉淀，其水岩作用过程中主要以沉淀为主，长期的回灌会影响回灌能力。沉淀物主要以重晶石、方解石和白云石等碳酸盐岩和硫酸盐岩矿物为主。总体来看，越接近影响半径的一端较靠近回灌井的一端产生更多的矿物沉淀，即远离回灌井的部分在回灌过程中更易受影响。

3)由于含水层埋深较大，所以地层温度较高，温度对水岩作用有很大的影响，在25～70℃，温度越高碳酸盐岩沉淀量增加，硫酸盐岩类矿物沉淀量减小。