飽和指數(shù)法和穩(wěn)定指數(shù)法在太灰水碳酸鹽溶沉判別中的應(yīng)用

許繼影,戴洪寶,夏青森,孫月柔

(1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000;2.宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

飽和指數(shù)法和穩(wěn)定指數(shù)法在太灰水碳酸鹽溶沉判別中的應(yīng)用

許繼影1,戴洪寶2,夏青森1,孫月柔1

(1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000;2.宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

目的 近年來煤層底板灰?guī)r水給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，采用水文地球化學(xué)方法進(jìn)行太灰水碳酸鹽溶沉判別研究，以此判斷其徑流強(qiáng)弱，進(jìn)而對(duì)涌突水可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)。方法 以淮北煤田五溝煤礦10份太灰水水樣為研究對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)采樣并進(jìn)行樣品測(cè)試，采用飽和指數(shù)法的飽和指標(biāo)IL和穩(wěn)定指數(shù)法的穩(wěn)定指數(shù)指標(biāo)IR進(jìn)行水樣的碳酸鹽溶解或沉淀狀態(tài)判別。結(jié)果 五溝礦太灰水中含碳酸鹽巖的地下水IL值在0.44～1.6之間，IR值在3.88～6.39之間。依據(jù)判別準(zhǔn)則，均處于沉淀狀態(tài)，且兩種方法判別結(jié)果一致，即該區(qū)太灰水不具有溶蝕能力。結(jié)論 該礦區(qū)的地下巖溶水在該區(qū)域排泄不暢，發(fā)生滯流，致使地水中溶解鹽類逐漸增多，二氧化碳、氧氣等氣體逐步耗盡，最終喪失溶解能力；地下水徑流緩慢，與其它水力聯(lián)系較差，從水文地球化學(xué)角度分析，太灰水涌突水可能性較小。

飽和指數(shù);穩(wěn)定指數(shù);溶沉判別

0 引 言

地表水下滲到地下后，若是和圍巖介質(zhì)有一定長(zhǎng)的時(shí)間接觸且需要經(jīng)過一定長(zhǎng)距離的緩慢徑流，才達(dá)取樣地點(diǎn)，則表示該區(qū)地下水循環(huán)較深，含水層巖溶發(fā)育程度較弱,從而導(dǎo)致徑流遲緩[1]。這樣的現(xiàn)象在水文地球化學(xué)特征中則表現(xiàn)為水中碳酸鹽巖溶質(zhì)過飽和，即沉淀態(tài)，反之則為溶解態(tài)[2]。

本文以安徽省淮北煤田臨渙礦區(qū)境內(nèi)的五溝煤礦為研究區(qū)，該礦位于北裸露區(qū)的太灰和奧灰含水層的部分區(qū)域，由大氣降水補(bǔ)給，而徑流和排泄則向南部平原地區(qū)[3]。其中10煤層下太灰水組對(duì)開采10煤產(chǎn)生威脅。選自區(qū)內(nèi)10個(gè)代表性的水樣，采用飽和指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)2個(gè)指標(biāo)分析其溶解、沉淀狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)礦區(qū)太灰水的徑流條件和水動(dòng)力條件進(jìn)行分析，嘗試為礦井涌突水提供一種新的判斷方法，為礦井安全生產(chǎn)提供參考[4]。

1 測(cè)試與結(jié)果

在五溝礦勘探和生產(chǎn)階段，選取10個(gè)對(duì)L1-4層灰?guī)r進(jìn)行抽水試驗(yàn)的鉆孔，獲取10份水樣，用蠟密封，將水樣編號(hào)1～10，并注明對(duì)應(yīng)的鉆孔類型，然后送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

1.1 測(cè)試項(xiàng)目

本次溶沉判斷需測(cè)試的地下水常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)包含：

(1)常規(guī)離子：Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、K++Na+、Ca2+等；

(2)水質(zhì)綜合指標(biāo)：pH、硬度、堿度、總?cè)芙夤腆w等[5]。

1.2 測(cè)試結(jié)果

通過常規(guī)水化學(xué)分析測(cè)試，得到的五溝礦水樣中陰陽(yáng)離子的含量(表1)。

表1 水樣陰陽(yáng)離子含量及pH (單位：mol·L-1)

2 溶沉判別

水-巖作用的過程中有一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)的過飽和階段，因此工程中常用飽和指數(shù)法或穩(wěn)定指數(shù)法來進(jìn)行判斷。

2.1 飽和指數(shù)算法

利用求飽和指數(shù)公式：IL=pH0-pHs，其中IL飽和指數(shù)；pH0-實(shí)測(cè)pH；pHs-平衡時(shí)pH。判斷標(biāo)準(zhǔn)[6]如下：

IL=0，穩(wěn)定狀態(tài)

IL>0，沉淀狀態(tài)

IL<0，未飽和狀態(tài)，CO2過量

2.2 穩(wěn)定指數(shù)算法

利用穩(wěn)定指數(shù)公式：IR=2(pHs)-pH20，其中pH20為20 ℃時(shí)實(shí)測(cè)pH。其判斷標(biāo)準(zhǔn)[7]如下：

IR=6.5～7.0，基本穩(wěn)定

IR<6.0，沉淀狀態(tài)

IR>7.8～8.0，溶蝕狀態(tài)

2.3 計(jì)算過程

pHS可由表2中查pKa2-pKS后計(jì)算求得。

表2 20 ℃時(shí)水中碳酸鹽巖石pKa2-pKs表

表3 樣品1陰陽(yáng)離子含量及pH

以五溝礦水樣編號(hào)為1的樣品為例，

由表3知Ca2+的含量、礦化度、堿度、pH，從表2查出pKa2-pKS=2.50，則

IL=pH0-pHS=7.68-6.69=0.98>0

IR=2(pHS)-pH20=2*6.69-7.68=5.7<6.0

故，編號(hào)1的水樣處于沉淀狀態(tài)。

2.4 計(jì)算結(jié)果

依次類推，可以算出剩余水樣的IL、IR值，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 水樣中碳酸鹽巖飽和指數(shù)IL及穩(wěn)定指數(shù)IR

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，五溝礦灰水上段中含碳酸鹽巖的地下水均處于沉淀狀態(tài)，即不具有溶蝕能力。說明該礦區(qū)的地下巖溶水在該區(qū)域排泄不暢，發(fā)生滯流，致使地水中溶解鹽類逐漸增多，二氧化碳、氧氣等氣體逐步耗盡，最終喪失溶解能力；地下水徑流緩慢，與其它水力聯(lián)系較差，從水文地球化學(xué)角度分析，太灰水涌突水可能性較小。

[1]竇順梅,陳繁榮,楊永強(qiáng),等.花崗巖地區(qū)水-巖反應(yīng)次生礦物的沉淀飽和指數(shù)估算[J].地球化學(xué),2010,39(04):326-336.

[2]陳國(guó)軍,丁慶和,凡凈.淮南潘二礦A組煤層首采面底板水害條件勘查與分析[J].山東煤炭科技,2016(01):119-121.

[3]張磊,許光泉,劉澤功,等.A組煤層底板灰?guī)r水水質(zhì)特征及其形成機(jī)理[J].煤炭工程,2010(04):60-63.

[4]程玉山,徐會(huì)武,劉榮江,等.飽和指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算方法研究[J].清洗世界,2012,28(09):17-21.

[5]彭鵬,宋漢周,吳志偉.基于化學(xué)熱力學(xué)的飽和指數(shù)模型求解方法的改進(jìn)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009,36(05):76-79.

[6]劉金輝,史維浚,孫占學(xué).反應(yīng)條件指數(shù)及其與飽和指數(shù)的關(guān)系初步探討[J].地學(xué)前緣,2005,12(S1):124-126.

[7]王婷,陳鵬,尹玲玲.礦物飽和指數(shù)對(duì)礦區(qū)地下水化學(xué)場(chǎng)特性的研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2006,33(06):24-25.

[責(zé)任編輯：毛微曦 英文編輯：劉彥哲]

Application of Saturation Index and Stabilization Index Method to Solution-Precipitation Discrimination on Limestone Water from Taiyuan Formation

XU Ji-ying1,DAI Hong-bao2,XIA Qing-sen1,SUN Yue-rou1

(1.School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China; 2.School of Environment and Surveying Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

Objective In recent years,limestone water under the coal seam floor brings serious threat to the mine safety production.The hydrogeochemical method was studied for solution-precipitation discrimination,thus determining the runoff intensity and forecasting the possibility of water inrush.Methods By taking ten water samples from Taiyuan Formation of Wu-gou coal mine of Huaibei coalfield as the research object,they were sampled at the scene and tested in the laboratory.And dissolution and precipitation of samples were discriminated by saturation index method(IL)and stabilization index method(IR).ResultsILvalue of samples was between 0.44～1.6.IRvalue of samples was between 3.88～6.39.According to the criterion,all samples were in a state of precipitation,and the two methods judging the result had the same results.To sum up,the groundwater from Taiyuan Formation had no dissolution ability.Conclusion The karst groundwater of the mine area has drainage difficulty,which leads to gradual increase of the water soluble salts and gradual exhaustion of Carbon dioxide,oxygen and other gases,eventually losing solvency.Groundwater runoff is slow,and other hydraulic connection is poor.With analysis from the perspective of hydro-geochemistry,groundwater water inrush of Taiyuan Formation is less likely to happen.

saturation index;stabilization coefficient;solution-precipitation discrimination

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(20151039019)；宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題(2015SZXTZXKF03);宿州學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(2014YKF03)

許繼影(1986-)，女，安徽淮北人，碩士，助教，主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)與工程地質(zhì)。

TD 163

B

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.05.004

來稿日期：2016-08-01