寧夏紅一煤礦地下水水化學(xué)和環(huán)境同位素特征研究及應(yīng)用

毛興軍

（寧夏回族自治區(qū)煤田地質(zhì)局，寧夏 銀川 750002）

寧夏紅一煤礦地下水水化學(xué)和環(huán)境同位素特征研究及應(yīng)用

毛興軍

（寧夏回族自治區(qū)煤田地質(zhì)局，寧夏 銀川 750002）

研究紅一煤礦地下水水化學(xué)和同位素特征，是有效開展礦井防治水工作的前提和基礎(chǔ)。運用水文地球化學(xué)及環(huán)境同位素方法（測試、統(tǒng)計、表示、分析等），通過分析礦井前期水文地質(zhì)資料，結(jié)果表明：該礦主要含水層地下水水化學(xué)類型均為舒卡列夫B組，水化學(xué)組成以SO42-、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+離子為主，水化學(xué)特征存在一定差異；地下水水化學(xué)玫瑰圖模型直觀、快速、準(zhǔn)確、可操作性強，可作為快速判別礦井涌水水源的技術(shù)手段之一；礦井地下水總體以50年前補給水為主，受現(xiàn)代水微弱滲入補給，徑流、排泄、更新條件差；同時進一步指出，環(huán)境同位素兩種方法間接反映的水文地質(zhì)特征相一致。

紅一煤礦；含水層；水文地球化學(xué)特征；環(huán)境同位素；補給來源

紅一煤礦位于寧夏回族自治區(qū)東北部紅墩子礦區(qū)，西南距銀川市約30km。井田內(nèi)水系不發(fā)育，常年地表徑流的有井田西側(cè)的黃河、半截溝及井田北部的兵溝。該礦為紅墩子礦區(qū)首建礦井，井田面積30.8km2。煤系地層為二疊系山西組和石炭系太原組，主要開采煤層為4煤、5（下）煤、8煤、9煤和10煤。

該礦于2010年開工建設(shè)，先后施工井筒3個。由于古近系含水層涌水量較大，3個井筒全部采用凍結(jié)法施工，最大凍結(jié)深度449m。在建井階段，發(fā)生涌水現(xiàn)象3次。前期工作對井田水文地質(zhì)特征認識程度較低。為了有效開展礦井防治水工作，研究地下水水化學(xué)特征尤為必要。

1　主要含水層特征

1.1含水層劃分情況

自上而下劃分為：第Ⅰ含水層（第四系松散巖類孔隙潛水含水層）；第Ⅱ含水層組（古近系及基巖風(fēng)化帶碎屑巖孔隙裂隙承壓含水層）；第Ⅲ含水層組（二疊系孫家溝組、石盒子組碎屑巖裂隙承壓含水層）；第Ⅳ含水層組（山西組碎屑巖裂隙承壓含水層）；第Ⅴ含水層組（太原組砂巖裂隙承壓含水層）；第Ⅵ含水層組（土坡組砂巖裂隙承壓含水層）；第Ⅶ含水層組（奧陶系碳酸鹽巖裂隙承壓含水層）。見圖1。

1.2含水層主要特征

含水層中對礦井建設(shè)和開采有影響的，主要是第Ⅱ～第Ⅶ含水層組。其中第Ⅱ含水層組富水性中等，對井巷掘進危害尤為突出。第Ⅳ、第Ⅴ含水層弱富水～中等富水，為煤層開采時的直接充水含水層。該礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。

2　主要含水層水化學(xué)特征

地下水在地殼巖石中賦存和運移過程中，其化學(xué)成分不斷發(fā)生變化，同時也“標(biāo)記”了地下水的形成環(huán)境和形成過程。研究地下水的化學(xué)特征有助于判斷其補給來源、含水層交替程度以及各含水層之間、含水層和地表水之間的水力聯(lián)系程度，從而有助于判斷礦井充水水源，確定可能充水地段和采取相應(yīng)的防治水措施。

2.1地下水化學(xué)成分分析

以水質(zhì)全分析項目為主，主要有：

（1）陽離子：包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等8種。其中NH+、Fe2+、Fe3+、Al3+四4種離子濃度微弱，不作為分析重點。

（3）水質(zhì)評價指標(biāo)：總硬度、永久硬度、暫時硬度、礦化度、pH值等。見表1。

圖1　含水層特征示意圖

表1　各含水層地下水化學(xué)成分及濃度統(tǒng)計表

2.2水化學(xué)特征表示與分類

（1）庫爾洛夫式。按照庫爾洛夫式表示法，陰陽離子均按照毫克當(dāng)量百分數(shù)自大而小的順序排列，小于10%離子不予標(biāo)示，見表2。

（2）舒卡列夫分類。根據(jù)地下水中Na+、Ca2+、Mg2+、、、Cl-（K+合并于Na+）6種主要離子及礦化度，對毫克當(dāng)量百分數(shù)小于25%的離子不予考慮。按三步法確定含水層舒卡列夫分類代碼，見表3。

表2　各含水層庫爾洛夫式

表2　各含水層水化學(xué)分析表

2.3主要含水層水化學(xué)玫瑰圖模型的建立

含水層水質(zhì)特征采樣測試工作一般在采煤至少一年前完成，以便在采煤后準(zhǔn)確判別礦井涌水水源。本次利用該礦井20個水樣全分析資料，繪制完成了第Ⅱ～第Ⅶ含水層地下水水化學(xué)玫瑰圖，如圖2～圖8所示。

含水層地下水水化學(xué)玫瑰圖如下：第Ⅱ含水層陽離子相對陰離子摩爾濃度偏低，陰離子、Cl-和陽離子Na+、Ca2+、Mg2+摩爾濃度分布基本均勻；第Ⅲ含水層陰離子SO4

2-、Cl-摩爾濃度基本均勻分布，陽離子Na+、Ca2+、Mg2+摩爾濃度呈遞減形態(tài)；第Ⅳ、第Ⅴ含水層圖形態(tài)相似，主要區(qū)別在于Na+與Ca2+、Mg2+摩爾濃度差異；第Ⅵ含水層陰離子摩爾濃度相對陽離子明顯偏低，Na+摩爾濃度明顯較Ca2+、Mg2+高，右翼呈窄長條尖峰狀；第Ⅶ含水層呈現(xiàn)出兩翼蝴蝶狀，Cl-、Na+以峰值形式分布。

2.4含水層水化學(xué)特征分析

（2）各含水層礦化礦化度1.5～5.1g/L，按照舒卡列夫分類方法，均劃分為B組。

（3）各含水層水質(zhì)為弱堿性水～堿性水，硬度普遍較高，為硬水～特硬水。其中，第Ⅶ含水層總硬度最高達到1708.49P（CaCO3）mg/L。

（4）第Ⅱ含水層礦化度相對較低。第Ⅲ～第Ⅵ含水層礦化度變化不大。第Ⅶ含水層礦化度最高，為高礦化度咸水。

（5）根據(jù)各含水層化學(xué)組分特征判斷，各含水層形成作用以溶濾、離子交換吸附作用為主；第Ⅱ含水層地下水徑流速度相對較快；第Ⅲ～第Ⅶ含水層水體較為封閉。

2.5水化學(xué)玫瑰圖在判別涌水水源中的應(yīng)用

水化學(xué)特征是含水層最本質(zhì)的特征。一旦礦井發(fā)生涌水和突水現(xiàn)象，及時準(zhǔn)確地判斷涌水水源，是防治水的關(guān)鍵所在，前提是要了解各含水層水化學(xué)特征，并分別建立各含水層水化學(xué)玫瑰圖模型。

為了驗證上述水化學(xué)玫瑰圖模型的判別效果，2013年10月在該礦一采區(qū)運輸巷掘進過程中的涌水點采取水樣（初期涌水量為6.4m3/h，48小時后穩(wěn)定在0.6m3/h）。水樣測試單位、測試項目及繪圖方法與判別模型均相同。

通過繪制水化學(xué)玫瑰圖（見圖8-YS），并與以上玫瑰圖模型對比分析認為：該水樣主要陽離子與陰離子種類與第Ⅳ、第Ⅴ含水層完全相同，硬度、礦化度、離子摩爾濃度形態(tài)均等特征，與Ⅳ含水層相似，但Cl-、SO42- 兩種離子摩爾濃度比值存在一定差異，與Ⅴ含水層存在一些共性。綜合判斷礦井涌水水源主要為Ⅳ含水層，有部分Ⅴ含水層水混入。

圖2　第Ⅱ含水層地下水化學(xué)玫瑰圖

圖3　第Ⅲ含水層地下水化學(xué)玫瑰圖

圖4　-第Ⅳ含水層地下水化學(xué)玫瑰圖

圖5　第Ⅴ含水層地下水化學(xué)玫瑰圖

圖6　第Ⅵ含水層地下水化學(xué)玫瑰圖

圖7　第Ⅶ含水層地下水化學(xué)玫瑰圖

圖8　YS地下水化學(xué)玫瑰圖

3　主要含水層同位素特征分析

3.1環(huán)境同位素應(yīng)用原理及方法

環(huán)境同位素作為天然示蹤劑標(biāo)記著天然水和地下水的形成過程。通過研究各水體中同位素的分布和變化規(guī)律，揭示地下水的起源、補給以及相互之間的水力聯(lián)系，這一方法在國內(nèi)外水文地質(zhì)工作中已經(jīng)得到廣泛認可。

穩(wěn)定氫氧同位素（2H，18O ）源于海洋，在運移過程具有守恒性。一方面反映大氣降水進入地下前的信息，同時在進入地下后，平均含量不會隨時間而變化。因此，常用以推斷地下水來源及其混合情況。研究氫氧穩(wěn)定同位素，常用的指標(biāo)是千分位偏差值δ（‰）和豐度比值R（AT%）：

式中D為氫（H）的同位素氘（2H），R標(biāo)準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)樣品，代號為SMOW。氚（3H或T）是氫的放射性同位素，半衰期T1/2=12.623年。氚起源于大氣層和人工核實驗，在高空生成后很快以HTO形式參與自然界水循環(huán)。在天然條件下，大氣降水氚濃度約在10TU以上。這種含氚的降水進入地下水系統(tǒng)后，其氚濃度按照放射性衰變規(guī)律而減少，可根據(jù)測年數(shù)學(xué)模型推算地下水年齡，即：t=λlg（A0/At），t為地下水年齡，氚濃度At可通過取樣進行測定，氚衰變常數(shù)λ為40.75，A0為初始氚濃度值，可采用距離最近的觀測站資料值。

實際工作中，利用氚濃度定量計算地下水演化年齡的意義不大，常用對比參照法估測其年齡。即根據(jù)水樣氚濃度測試結(jié)果，與前人研究成果進行比對，定性估計地下水的年齡范圍，并分析其補給更新能力等特征。

3.2樣品采集與測試

本次選擇測試的同位素有D、18O和T三種。采取的水樣包括黃河水、池塘水、主要含水層水樣共11組。測試項目：氚濃度（TU）、δ2H/1H及豐度（AT%）、δ18O /16O及豐度（AT%）、TDS（電導(dǎo)率法測得的溶解性總固體含量）。測試結(jié)果如表4所示。其中：電導(dǎo)率與含鹽量的對應(yīng)關(guān)系為：1ms/cm×（0.55～0.7）=0.55～0.7g/L）。

表4　水化學(xué)氫氧環(huán)境同位素測試成果表

3.3δD和δ18O特征與分析

（1）繪制δD/δ18O關(guān)系圖。本次采用的大氣降水線方程式為：

δD=8.73δ18O+10

將上述11組樣品的δD和δ18O的對應(yīng)值（落點）分別繪制在δD與δ18O關(guān)系圖上（見圖9）。以大氣降水線作為參考，在圖上進行比較，當(dāng)δD和δ18O落點十分接近或落在大氣降水線上時，說明水樣起源于大氣降水；當(dāng)δD和δ18O的落點越靠近大氣降水線時，說明地下水中含有大氣降水的比例越高，受大氣降水補給條件越好；當(dāng)δD和δ18O的落點偏離大氣降水線越遠時，說明地下水含有大氣降水的比例越低，受大氣降水補給條件越差。

圖9　δ18O與δD關(guān)系圖

（2）水樣特征分析?？傮w來看，11組水樣中溶解性總固體含量變化較大，在1.25～13.20ms/cm之間。水樣中同位素分餾現(xiàn)象較為明顯。δ18O變化范圍為-10.08‰～-6.40‰，δD變化范圍為-82.04‰～-56.64‰。根據(jù)TDS值和圖2所示，分析認為：①黃河水樣：TDS值1.25ms/cm，在水樣中最低，δD值明顯高于地下水。水樣落點與大氣降水線基本重合，充分說明并驗證了水樣主要起源于大氣降水。②水塘水樣：TDS值3.92ms/cm，高于黃河水，δD、δ18O值在水樣中均為最高，水樣落點距離大氣降水線比黃河水稍遠，二次蒸發(fā)強烈，存在少量地下水混合現(xiàn)象。③第Ⅶ含水層水樣（S10孔）：TDS含量13.20ms/cm，為水樣中最高值。水樣落點偏離大氣降水線最遠，說明該含水層受大氣降水補給條件最差，無水力聯(lián)系。④第Ⅴ、第Ⅵ含水層水樣（S6孔、S7孔）：TDS含量在7.05～7.21ms/cm之間。水樣落點與大氣降水線較遠，地下水受大氣降水補給條件微弱，基本無水力聯(lián)系。⑤其它水樣：TDS含量在6.37～7.51ms/ cm之間。水樣落點較為接近大氣降水線，含水層中含有大氣降水的比例相對較高，存在一定的水力聯(lián)系。

3.4氚濃度測試結(jié)果分析

經(jīng)氚濃度測試結(jié)果表明，地表水體水樣（黃河水、池塘水）氚濃度均大于14.01±3.38TU。其它含水層水樣氚濃度明顯較小，大多數(shù)小于3TU；對照前人研究成果（見表5），分析認為：

表5　建立在氚含量基礎(chǔ)上的地下水的近似年齡

（1）地表水體年齡在5～10a以下，為典型的現(xiàn)代水，受大氣降水和淺層地下水補給，水力聯(lián)系密切，徑流、排泄條件良好。

（2）大多數(shù)地下含水層氚濃度小于3TU。分析認為：地下水年齡較長，以50年前補給水為主，受到近期水微弱補給混合。含水層總體與上部現(xiàn)代水水力聯(lián)系極差，地下水體封閉，徑流滯緩、排泄條件差。

（3）個別水樣（S2孔、S4孔）氚濃度（大于5TU）略微高于其它含水層。分析認為：含水層以50年前補給水和近期水混合為主，所取水樣的第Ⅱ、第Ⅴ含水層含水層局部接受上部現(xiàn)代水補給，但補給條件總體微弱。

4　結(jié)論

（1）經(jīng)定量測試和定性分析表明，該礦各主要含水層地下水化學(xué)組成與水質(zhì)特征存在一定差異，但總體上陰離子以SO42-、Cl-為主，陽離子以Na+、Ca2+、Mg2+離子為主，水化學(xué)類型均為舒卡列夫B組。

（2）建立了各主要含水層水化學(xué)玫瑰圖判別模型。通過實例驗證表明，該方法直觀、快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟，可操作性強，可作為快速判別礦井出水水源的手段和方法之一。

（3）應(yīng)用環(huán)境同位素分布特征，揭示了該礦含水層總體以50年前補給水為主，受現(xiàn)代水微弱補給，地下水體封閉，徑流、排泄、更新條件較差。同時，穩(wěn)定氫氧同位素與放射性氚兩種方法間接反映的水文地質(zhì)特征相一致。

［1］王大純，張人權(quán)，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2002.

［2］王純恒.同位素水文地質(zhì)概論［M］.北京：地質(zhì)出版社，1991.

［3］任家國，武倩倩.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2014.

［4］陳從磊，姚多喜.地下水化學(xué)特征在岱河礦涌水水源判別中的應(yīng)用［J］.中國煤炭地質(zhì)，2012，（24）：35-37.

［5］桂和榮，陳陸望.礦區(qū)地下水水文地球化學(xué)演化與識別［M］.北京：地質(zhì)出版社，2007.

TD742

A

1671-3818（2016）09-0009-04

毛興軍（1971-），男，寧夏人，1993年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院，高級工程師，主要從事煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)工作。