羅通 李俊 趙成洲 桂和榮

摘 要：淮北煤田深層煤炭資源的開采，二疊紀煤系砂巖裂隙水（簡稱“煤系水”）的防治是煤礦防治水的重要對象。同時，煤系水在礦井水中所占比例較大，礦井水資源化利用有必要弄清煤系水的水文地球化學特征。為此，該研究于淮北煤田許疃煤礦采取了煤系砂巖水樣，獲取常規(guī)水化學組分測試數(shù)據(jù)，通過水樣的Piper三線圖與離子比例圖分析，揭示礦井深層煤系水水化學演變規(guī)律及主要的水文地球化學作用（以陽離子交換作用與溶解作用為主）;并選取灌溉水作為礦井水資源化途徑之一，利用水質(zhì)指數(shù)法與Wilcox圖解進行灌溉用水水質(zhì)評價。結(jié)果表明，深層煤系水直接用于灌溉水時存在潛在的鹽堿害風險。研究結(jié)果為煤礦煤系水識別與礦井水資源化利用提供了水文地球化學方面的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤系水;常規(guī)水化學;水化學形成作用;水資源化利用;淮北許疃煤礦

中圖分類號 P641.51 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）03-0140-05

Abstract： For the exploitation of deep coal resources in Huaibei coalfield， the prevention and control of Permian coal measure sandstone fissure water （hereinafter referred to as “coal measure water”） is an important object of coal mine water prevention and control. At the same time， coal measure water accounts for a large proportion in mine water. It is necessary to clarify the hydrogeochemical characteristics of coal measure water for resource utilization of mine water. Therefore， Xutuan coal mine in Huaibei coalfield took coal measures sandstone water samples to obtain conventional hydrochemical component test data. Through the analysis of Piper three line diagram and ion proportion diagram of water samples， the hydrochemical evolution law and main hydrogeochemical effects （mainly cation exchange and dissolution） of deep coal measures in the mine are revealed; Irrigation water is selected as one of the ways of mine water resource utilization， and the water quality of irrigation water is evaluated by using water quality index method and Wilcox diagram. The results showed that there is a potential risk of salt and alkali damage when deep coal measure water is directly used for irrigation water. This study provides a hydrogeochemical basis for the identification of coal measure water and the resource utilization of mine water.

Key words： Coal measure water; Conventional water chemistry; Hydrochemical formation; Water resources utilization; Huaibei Xutuan coal mine

水環(huán)境質(zhì)量與水資源量關(guān)乎人類生產(chǎn)生活的正常運行，受到了社會的持續(xù)關(guān)注[1，2]。在煤礦開采工業(yè)中，地下采煤不僅受到深層地下水涌出帶來的安全威脅，大量深層地下水資源的抽排也可能受到污染。前人針對礦區(qū)深層地下水已開展了系統(tǒng)的研究，成果頗豐。例如，陳松通過煤礦區(qū)太灰水層的水常規(guī)、氫氧同位素及14C測試，利用傳統(tǒng)圖示及統(tǒng)計方法探討了地下水化學特征及演化，約束了深層地下水年齡及礦區(qū)內(nèi)的補徑排條件[3]。孫林華以任樓礦煤系含水層為主要研究對象，利用Visual Minteq軟件對水樣溶解態(tài)稀土的無機形態(tài)進行了模擬分析，推論了深層地下水稀土元素分異的原因[4]。關(guān)磊聲對大同煤田多個礦區(qū)采空區(qū)水進行了水環(huán)境質(zhì)量評價后，提出了灌溉用水、工業(yè)用水與城市景觀用水等多種水資源化利用途徑[5]。因此，煤礦深層地下水的水質(zhì)特征與水環(huán)境質(zhì)量對后期水資源的利用開發(fā)極為重要。為此，筆者選取淮北煤田許疃煤礦為研究區(qū)，以埋深在-600m左右的深層煤系水為研究對象，在探討其含水層水質(zhì)演化規(guī)律，并對其水環(huán)境質(zhì)量展開評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地質(zhì)背景 淮北煤田位于安徽省北部，地跨宿州市、淮北市2個市，是中國年產(chǎn)煤千萬噸的大型煤田（圖1）。許疃煤礦位于淮北煤田中南部，東北距宿州市約37km，西南距蒙城縣城約28km。礦井北端與童莊井田毗鄰，南端至板橋斷層，面積約53km2。井田開采標高范圍為-300～800m。

1.2 采樣點與樣品采集 許疃煤礦采煤工作集中于二疊系煤系地層，煤層編號從上而下分別編號為1煤、2煤…，7煤…，10煤，主采煤層為3煤、7煤、8煤，主采煤層的平均埋深在500m左右（圖2）。煤層上覆與下伏地層巖性主要為砂、泥巖，因此在煤層回采工作中，伴隨了大量深層煤系水的涌出。選取煤礦開采工作面的多個出水點作為取樣點，在2014—2021年間對取樣點進行了水樣采集工作，共獲取水樣14個。水樣采取流程嚴格按照規(guī)范進行，取好的水樣立即進行現(xiàn)場水質(zhì)指標測試并在24h內(nèi)送回實驗室密封冷藏備用。

1.3 測試方法 首先，將取回的原始水樣進行酸堿滴定，記錄消耗鹽酸的量V1、V2，再計算水樣中[CO2-3]、[HCO-3]的離子濃度。再將剩余的水樣抽濾后，并加入稀硝酸酸化備用，最后選擇離子色譜法（792Basic IC）測定Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+的離子濃度。為了保證測試精度，每5個測試樣品后均設(shè)置1個空白水樣進行本底值的監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理時控制各元素標線R2>0.9999以滿足質(zhì)量控制要求。

1.4 水質(zhì)評價方法 鈉離子百分比、鈉吸附比（SAR）、殘余碳酸鈉（RSC）及滲透系數(shù)（PI）分別表征地表水與地下水的鹽堿害與灌溉適宜程度[6]。4種水質(zhì)參數(shù)的水質(zhì)分級標準分別為詳見表1。各個水質(zhì)參數(shù)的計算公式如下：

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析 使用SPSS對測試數(shù)據(jù)進行初步處理，再應(yīng)用AQQA軟件對Piper三線圖進行成圖，最后選擇Origin2020、CoreldrawX9繪制陰、陽離子比例圖、Wilcox圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水常規(guī)離子元素含量特征 水常規(guī)離子測試結(jié)果列于表2。由表2可知，陽離子中含量大小順序為K++Na+>Ca2+>mg2+。其中，K++Na+在所有水樣中均為優(yōu)勢離子，含量范圍在287.27～783.56mg/L，平均值為517.87mg/L;其次為Ca2+，含量范圍在4.75～32.54mg/L，平均值為12.88mg/L;Mg2+最低，含量范圍在1.44～15.48mg/L，平均值為5.11mg/L。陰離子中含量大小順序為[HCO-3]>Cl->[SO2-4]>[CO2-3]。其中，HCO3-在所有水樣中均為優(yōu)勢離子，含量范圍在510.52～1693.68mg/L，平均值為982.39mg/L;其次為Cl-，含量范圍在90.41～359.88mg/L，平均值為221.45mg/L;[CO2-3]含量最低，濃度范圍在0.00～138.77mg/L，平均值為32.22mg/L。

煤系砂巖地層水中，形成上述離子濃度特征的原因有以下幾點：（1）Na離子主要來源于巖鹽、泥頁巖及火成巖中的富鈉礦物（長石和粘土礦物）的溶解作用因此在煤系地層中含量長期處于優(yōu)勢狀態(tài);（2）而煤系地層中石膏等礦物的缺乏則導致了鈣離子。與硫酸根離子的濃度較低;（3）煤系地層砂巖水處于的環(huán)境較為封閉，與重碳酸根離子結(jié)合形成沉淀的陽離子含量較低，則重碳酸根離子為煤系地層中濃度最大的陰離子。

2.2 水文地球化學過程

2.2.1 水化學類型演變 piper三線圖是piper于1944年提出的，現(xiàn)在被廣泛使用在地下水與地表水的水化學研究中。piper三線圖由2個三角形與1個菱形組成，左右2個三角形（即三元圖）分別代表了水樣的多個陰離子、陽離子毫克當量百分數(shù)。具體的水化學類型確定方式是K++Na+、Ca2+、Mg2+在三元圖中確定了唯一點，[HCO-3]+[CO2-3]、Cl-、[SO2-4]同樣在三元圖中確定了唯一點，將2點反向延長至菱形中，其交點就反映了該水樣的水化學類型。

將許疃礦深層水樣數(shù)據(jù)輸入AQQA軟件中，得到2014—2021年水樣的piper三線圖（圖3），由此可觀察地下水的水化學類型演變規(guī)律。菱形區(qū)域顯示所有的水樣的水化學類型均屬于Na-HCO3。但具體到陰、陽離子毫克當量百分數(shù)上，水樣的水化學類型在2014—2021年間是有顯然變化的。首先，陽離子毫克當量百分數(shù)在多年間變化程度不大一直以鈉、鉀離子為主（百分數(shù)大于90%），鈣、鎂離子的毫克當量百分數(shù)始終小于10%。而陰離子部分，則表現(xiàn)出不同的變化趨勢，總的演變規(guī)律是隨著重碳酸根離子和碳酸根離子的毫克當量百分數(shù)的下降，氯離子的比重越來越大。具體數(shù)值變化范圍是氯離子的毫克當量百分數(shù)由20%升至40%以上，而重碳酸根離子和碳酸根離子由90%下降至50%。這可能表明了，煤系地層水對巖鹽等礦物的進一步溶解。綜上所述，許疃煤礦深層水在2014—2021年間主要發(fā)生的水化學作用是溶解作用，水化學類型由Na-HCO3型向Na-HCO3·Cl型演化。

2.2.2 水文地球化學過程 通過分析地下水中主要離子組成和離子比例特征，可以揭示地下水中主要化學成分的來源及可能存在的水文地球化學過程。當?shù)叵滤械腘a+和Cl-僅來自巖鹽的溶解，則Na+和Cl-的毫克當量比應(yīng)當為1。由圖4a可知，許疃礦煤系含水層的水樣未見明顯的分布差異，所有水樣均在1∶1線下部，說明巖鹽溶解不是煤系水樣中的Na+的唯一來源。關(guān)于Na+的來源，極有可能與2種狀況有關(guān)，一是沉積巖或巖漿巖中含Na礦物的風化溶解，如長石、云母等;二是陽離子交替吸附作用，砂巖水中Ca2+、Mg2+在巖土表面的吸附能力高于Na+，當水流經(jīng)砂、泥、灰?guī)r地層時，發(fā)生了吸附作用導致了Na的富集。

當?shù)叵滤械腫SO2-4]和Ca2+均來自石膏的溶解時，[Ca2+]/[[SO2-4]]應(yīng)當為1。由圖4b可見，煤系砂巖水分布在1∶1線的兩側(cè)，下側(cè)分布的水樣以2014年與2018年為主，上側(cè)分布的水樣集中于2019—2021年。整體反映了深層煤系水中[SO2-4]和Ca2+主要來自石膏的溶解。此外，煤系水中的[SO2-4]整體濃度較低，可能反映了煤系地層水整體處于一個較為封閉的狀態(tài)下。

2.3 灌溉水水質(zhì)評價 煤系深層地下水在淮北煤田礦井中的抽排量在200m3/h左右，因此，煤系水的資源化利用不僅可以保障煤炭資源的安全開采，并且節(jié)約了當?shù)販\層地下水資源的消耗。而煤礦的位置設(shè)置一般在郊外農(nóng)耕地區(qū)，則先選取一系列的灌溉水水質(zhì)指標用于表征深層地下水作為灌溉用水的適宜性。

表3列出了許疃礦煤系水的灌溉水水質(zhì)指數(shù)評價結(jié)果。具體來看，水樣整體較好的Na+（%）暗示了水樣作為灌溉用水時有一定的鹽害風險。鈉吸附比來看，除1、10、11號水樣外，其余水樣顯示了灌溉水的不適宜性;RSC值則整體顯示灌溉用水的堿害風險;最后，滲透系數(shù)PI值顯示了深層地下水的高滲透性，揭示了利用灌溉的性質(zhì)。

用水質(zhì)指數(shù)評價的基礎(chǔ)上，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部Wilcox圖繪制了灌溉水Wilcox圖解（圖5），進一步評價許疃礦砂巖水用于灌溉的可行性[7]。圖5中橫縱坐標分別代表電導率與Na+（%），將水樣投點后可以發(fā)現(xiàn)，水樣點集中與懷疑保留區(qū)與允許懷疑區(qū)分界線的附近。這說明深層煤系水的灌溉利用需要進一步的查明。

3 結(jié)論

（1）許疃煤礦深層地下水中水常規(guī)陰、陽離子的濃度大小為：K++Na+>Ca2+>mg2+，[HCO-3 ]>Cl->[SO2-4]>[CO2-3]。這種規(guī)律在2014—2021年間始終保持，而水化學成分高低受到水巖作用控制。

（2）piper三線圖與離子比例圖共同反映了許疃煤礦深層水在2014—2021年間主要發(fā)生的水化學作用是陽離子交替吸附作用，水化學類型由Na-HCO3型向Na-HCO3.Cl型演化，同時煤系地層水可能整體處于一個較為封閉的狀態(tài)下。

（3）基于水質(zhì)指數(shù)法與Wilcox圖解評價了深層地下水資源用于灌溉水的適用等級。結(jié)果表明，若深層地下水直接用于灌溉用水，將給土地帶來一定的鹽堿害風險。但PI值較高則表明地下水滲透性較好在處理后可進行地下水的資源化利用，其中工業(yè)用水與景觀用水均是良好的利用方向。

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（責編：張宏民）

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