黃玉川煤礦礦井充水水源水化學(xué)特征綜合分析

任辰鋒

（神華國神集團 黃玉川煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

1672-5050（2017)05-0068-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.020

2017-05-17

任辰鋒（1984-)，男，陜西白水人，本科，助理工程師，從事煤礦地測防治水技術(shù)管理工作。

黃玉川煤礦礦井充水水源水化學(xué)特征綜合分析

任辰鋒

（神華國神集團 黃玉川煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

通過黃玉川煤礦各主要含水層典型水樣 一般水化學(xué)特征和溶解性有機質(zhì)含量、三維熒光光譜有機質(zhì)特征綜合分析，研究礦井充水水源特征和規(guī)律，了解掌握礦井各含水層水質(zhì)成分差別。查明各含水層補給、徑流、排泄條件，判別各含水層之間是否有水力聯(lián)系，識別充水水源，對礦井水害防治和搶險救災(zāi)具有重要指導(dǎo)意義。

充水水源；水化學(xué)特征；綜合分析；水源識別

1 礦井水文地質(zhì)概況

黃玉川煤礦位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田中西部，井田面積42.68 km2，生產(chǎn)能力10.0 Mt/a。井田地層區(qū)劃屬于華北地層區(qū)、鄂爾多斯地層分區(qū)，屬晚古生代石炭二疊紀(jì)煤田。井田整體為一單斜構(gòu)造，呈東高西低，中小構(gòu)造較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。

井田地表松散層分布廣泛，松散層潛水主要接受大氣降水的垂直滲入補給。在河谷地段，地表水也可直接或間接補給地下潛水。碎屑巖類在各大溝谷及兩側(cè)分布較廣，所以碎屑巖類承壓水不僅接受上部潛水的下滲補給，還在出露處直接受大氣降水的滲入補給。煤系地層下伏中下奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層為礦井主要含水層，厚度大、分布范圍廣，補給來源以北、東部黃河岸邊奧陶系灰?guī)r大面積裸露及半裸露區(qū)接受大氣降水為主，同時還接受上覆第四系松散孔隙含水層、石炭二疊系裂隙含水層及地表水的入滲補給，根據(jù)實際揭露在井田內(nèi)補給水源較充沛。礦井充水水源主要為地表水、頂板砂巖裂隙水、底板奧灰?guī)r巖溶水。

2 一般水化學(xué)特征分析

根據(jù)礦井充水水源，本次研究主要采集了黃玉川煤礦地表黃河水和井下一盤區(qū)6上煤頂板砂巖水、6上煤底板奧灰水共10組典型水樣進行水化學(xué)測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 黃玉川井田充水水源水樣水化學(xué)測試成果表（mg/L)

根據(jù)以上化驗結(jié)果，利用piper三線圖和Schoeller圖分析黃玉川井田充水水源水樣見圖1、圖2。[1]

圖1 黃玉川井田充水水源水樣Piper三線圖Fig.1 Piper trilinear nomograph of water samples from water-filling sources in Huangyuchuan Mine

圖2 黃玉川井田充水水源水樣Schoeller圖Fig.2 Schoeller graph of water samples from water-filling sources in Huangyuchuan Mine

通過分析認為，黃玉川煤礦一盤區(qū)地下水徑流時間較短，徑流條件較好，礦化度較低，一般在401.6 mg/L～608.3 mg/L之間，pH在8.05～8.14之間，水質(zhì)類型區(qū)別明顯，奧灰水質(zhì)與頂板水質(zhì)區(qū)別是Cl-含量相對較高，與地表水區(qū)別較大。

3 有機質(zhì)特征分析

在有機地球化學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)上，通過水中各種有機組分的定性、定量標(biāo)志來研究地下水中有機物質(zhì)的數(shù)量、成分、分布規(guī)律及其在地質(zhì)、地球化學(xué)和其他過程中的作用，可建立黃玉川煤礦不同含水層、不同區(qū)域的有機水文地球化學(xué)特征，并嘗試區(qū)分煤層頂板水與底板奧灰水中有機水文地球化學(xué)的特征差異[4]。

本次研究仍采集了地表黃河水、6上煤頂板砂巖水、6上煤底板奧灰水共10組水樣（編號同表1)，開展地下水中溶解性有機質(zhì)含量、三維熒光光譜特征檢測分析。

3.1分析檢測方法

總有機碳（TOC)的檢測采用multi N/C 2100專家型總有機碳/總氮分析儀，水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，取濾出液檢測總有機碳含量。紫外吸光度（UV254)的檢測采用Evolution 60紫外可見光度計，水樣置于1 cm規(guī)格石英皿中檢測254 nm處紫外吸收值（UV-254)，同時檢測空白樣。

三維熒光光譜（3DEEM)采用HITACHI F-7000型熒光分光光度計檢測，儀器光源為150 W氙燈，光電倍增管（PMT)電壓為400 V，激發(fā)和發(fā)射單色器均為衍射光柵，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為10 nm，掃描速度為1 200 nm/min。激發(fā)光波長范圍和發(fā)射光波長范圍分別為200 nm～400 nm和 240 nm ～550（或600) nm，以2 nm和5 nm步長遞增，響應(yīng)時間為自動。數(shù)據(jù)采用Origin軟件進行處理，以等高線圖表征。以娃哈哈超純水作為空白校正水的拉曼散射。

3.2有機質(zhì)含量分析

通過對地表黃河水和井下頂?shù)装逅畼又蠺OC濃度、UV254值和NO3-N的檢測發(fā)現(xiàn)（圖3)：

圖3 黃玉川煤礦各水樣中TOC和UV254檢測結(jié)果Fig. 3 Testing results of TOC and UV254 in water samples in Huangyuchuan Mine

1)相對于東部礦區(qū)或者受到生產(chǎn)生活污染的地區(qū)，由于黃玉川礦區(qū)地處西北干旱半干旱地區(qū)，地表植被稀疏，導(dǎo)致地表黃河水體中DOM含量總體較低，TOC濃度為1.790 mg/L ～2.109 mg/L，UV254為0.050 cm-1～0.056 cm-1；NO3-N濃度也較低，濃度為2.122 mg/L ～2.183 mg/L。

2)6上煤頂板砂巖含水層所采集的水樣中，除了D3水樣，有機物和NO3-N均較低，TOC=0.231 mg/L ～0.449 mg/L，UV254基本未檢出（0.000 ～0.001 cm-1)，NO3-N=0.000 mg/L，相比較地表黃河水，這三項指標(biāo)均有較明顯降低，主要是由于DOM隨著地表水或大氣降水，從露頭等位置隨地下水下滲過程中，發(fā)生了一系列的氧化還原反應(yīng)，DOM作為碳源，在微生物作用下被消耗，其中腐殖質(zhì)類大分子有機物以及含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物，在深部含水層還原條件，已經(jīng)被微生物基本分解掉；在硝化反硝化作用下，NO3也會與有機質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而消耗掉。

D3水樣中，盡管TOC濃度與其它頂板砂巖水樣中的濃度相近（0.259 mg/L)，但UV254高達0.069 cm-1，與地表黃河水中接近UV254，表明D3水樣點附近，可能存在異常情況；由于該水樣中NO3-N=1.773 mg/L，也與地表黃河水接近。總體說明，D3水樣點附近可能存在導(dǎo)水構(gòu)造，但不是地表水的直接補給。

3)6上煤底板奧灰水中，DOM濃度也都比較低，TOC=0.180 mg/L ～0.328 mg/L，UV254=0.000～0.002 cm-1，表明奧灰水中DOM已經(jīng)消耗殆盡；造成DOM濃度低的主要原因可能是地表黃河水中DOM濃度較低，在補給奧灰水過程中，由于DOM基本被消耗殆盡，奧灰水中反硝化反應(yīng)所需的碳源不足。

3.3三維熒光光譜分析

三維熒光光譜（3DEEM)將熒光強度以等高線方式投影在以激發(fā)光波長和發(fā)射光波長為橫縱坐標(biāo)的平面上獲得的譜圖，圖像直觀，所含信息豐富，具有快速、靈敏度高、樣品量少及無需前處理富集樣品等優(yōu)點，已廣泛用于DOM成分和含量的分析。本研究根據(jù)黃玉川煤礦地質(zhì)水文地質(zhì)條件、含水層分布特征等，開展了該礦地表水和深部奧陶系含水層的研究[3]。

根據(jù)水中天然有機質(zhì)的分類方法，地下水中天然DOM主要包括以下5類熒光峰：Ⅰ區(qū)（芳香族蛋白質(zhì))—酪氨酸，Ⅱ區(qū)（芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ)—色氨酸，Ⅲ區(qū)（類富里酸)—疏水性有機酸，Ⅳ區(qū)（溶解性微生物代謝產(chǎn)物)—含色氨酸的類蛋白質(zhì)，Ⅴ區(qū)（類腐植酸)—海洋性腐植酸[2]。

3.3.1地表黃河水

黃玉川煤礦附近地表黃河水中，主要存在三個熒光峰, 地表水中DOM熒光光譜圖,見圖4：

圖4 地表水中DOM熒光光譜圖Fig.4 DOM fluorescence spectrum in surface water

①熒光強度最強的是Ⅱ區(qū)的色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)Ex/Em=230/344，熒光峰強度FI=903.8 QSU ～987.0 QSU，可能來源于人類生產(chǎn)生活的污染，或者是細菌分解過程中產(chǎn)生的酶和生物殘骸中含有的大量蛋白質(zhì)；但相對于山西、河南等礦區(qū)地表水，其DOM濃度和Ⅱ區(qū)熒光峰強度，都明顯偏低，表明該段黃河水受到的污染較輕。

②Ⅲ區(qū)的類富里酸熒光峰也較強Ex/Em=（240～245)/（406～412)，F(xiàn)I=801.3 QSU ～851.2 QSU，Ⅲ區(qū)的有機質(zhì)屬于陸源腐植酸，其普遍存在于土壤和地表（或淺部)水體中，能夠作為地表（或淺部)水環(huán)境的特征DOM。

③Ⅳ區(qū)的溶解性微生物代謝產(chǎn)物Ex/Em=280/（344～360)，F(xiàn)I= 522.5 QSU ～582.2 QSU，由于地表黃河水中溶解氧含量較高，處于好氧環(huán)境中的微生物以DOM作為碳源進行新陳代謝，這個過程中會產(chǎn)生一定的代謝產(chǎn)物。

3.3.2頂板砂巖水

黃玉川煤礦6上煤層頂板砂巖水中，除了D3水樣，其余3個水樣中的DOM三維熒光光譜圖中只出現(xiàn)了一個熒光峰，即Ⅱ區(qū)的色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)Ex/Em=（220～225)/（342～354)，F(xiàn)I=258.3 QSU ～341.3 QSU。頂板砂巖含水層中DOM熒光光譜圖，見圖5。

圖5 頂板砂巖含水層中DOM熒光光譜圖Fig.5 DOM fluorescence spectra in sandstone aquifers of roofs

D3水樣中，出現(xiàn)了兩個熒光峰：Ⅱ區(qū)的色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)Ex/Em=225/360，F(xiàn)I=142.6 QSU，熒光強度比其它水樣低44.8%～58.2%；Ⅳ區(qū)的溶解性微生物代謝產(chǎn)物Ex/Em=275/330，F(xiàn)I= 67.57 QSU。

3.3.3底板奧灰水

6上煤層底板奧灰水中，三維熒光光譜圖中出現(xiàn)了兩個熒光峰，底板奧灰含水層中DOM熒光光譜圖，見圖6。

圖6 底板奧灰含水層中DOM熒光光譜圖Fig.6 DOM fluorescence spectra in Ordovician limestone aquifers of floors

① 區(qū)的色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)Ex/Em=（220～225)/（36～352)，F(xiàn)I=106.3 QSU ～341.7 QSU，其中O2、O3、O4水樣的Ⅱ區(qū)FI大于200QSU)，其它水樣的Ⅱ區(qū)FI則均小于200QSU；

②Ⅳ區(qū)的溶解性微生物代謝產(chǎn)物（Ex/Em=275/（336～338)，F(xiàn)I=72.24 QSU ～150.9 QSU，由于是深部含水層，地下水中碳源較低，導(dǎo)致微生物極不活躍，產(chǎn)生的微生物代謝產(chǎn)物也較少。

3.4水源特征差異

通過對黃玉川煤礦井下一盤區(qū)水樣有機水文地球化學(xué)的檢測分析，可以得出以下結(jié)論：

1)地表黃河水中TOC濃度為1.790 mg/L ～

2.109 mg/L，UV254為0.050 cm-1～0.056cm-1，NO3-N濃度為2.122 mg/L ～2.183 g/L，相對于煤層頂?shù)装逅?，濃度均較高；出現(xiàn)了Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)三個熒光峰，且熒光強度也較高。

2)6上煤層頂板砂巖水中TOC=0.231～0.449 g/L，UV254基本未檢出（0.000～0.001cm-1)，NO3-N=0.000 g/L，濃度均較低；出現(xiàn)了Ⅱ區(qū)熒光峰，F(xiàn)I=258.3 QSU ～341.3 QSU。

3)6上煤層底板奧灰水中DOM濃度較低，TOC=0.180 mg/L ～0.328 g/L，UV254=0.000～0.002 cm-1，NO3-N濃度接近地表水，為1.638 mg/L ～2.636 mg/L；出現(xiàn)了Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)熒光峰，F(xiàn)I較低。

4)頂板砂巖水中的D3水樣，出現(xiàn)了較高的NO3-N（1.773 mg/L)，但DOM濃度低，熒光峰強度低，與地表黃河水水質(zhì)差異較大，與底板奧灰水水質(zhì)接近，可能在該水樣點附近存在溝通奧灰水的導(dǎo)水通道。

4 結(jié)論

1)通過黃玉川煤礦典型水樣一般水化學(xué)特征和有機質(zhì)特征綜合分析，認為礦井一盤區(qū)地下水徑流條件較好，奧灰水水質(zhì)類型為HCO3Cl-CaNaMg，奧灰水質(zhì)與頂板水質(zhì)區(qū)別是Cl-含量相對較高；有機質(zhì)測試表明局部頂板砂巖水質(zhì)接近底板奧灰水質(zhì)，但均與地表水區(qū)別較大，說明局部頂板砂巖水可能存在底板奧灰水補給。

2)地表水水樣綜合分析表明其與底板奧灰水和頂板砂巖水有差別，與奧灰和頂板砂巖含水層之間的水力聯(lián)系較差。在生產(chǎn)過程中如果發(fā)生頂板涌水現(xiàn)象可以通過水化學(xué)成分分析迅速判別涌水水源是否屬于地表水或第四系含水層水。

[1] 楊立華.謝橋礦地下水化學(xué)特征分析與水源識別研究[J].蚌埠學(xué)院學(xué)報,2016,5（5):33-36

[2] 楊策,鐘寧寧,師玉雷,等.煤礦區(qū)水體溶解有機質(zhì)三維熒光光譜特征[J].光譜學(xué)與光譜分析,2008,28（1):174-177

[3] 楊建,王新,李凱.煤礦區(qū)地下水中溶解性有機質(zhì)熒光特征Ⅰ-含水層之間垂向差異[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2015,15（5):44-48

[4] 武強,趙蘇啟,董書寧,等.煤礦防治水手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2013.

ComprehensiveAnalysisofHydrochemicalCharacteristicsofWater-fillingSourceinHuangyuchuanCoalMine

RENChenfeng

（HuangyuchuanCoalMine,ShenhuaGuoshenGroup,Erdos010300,China)

The characteristics of water-filling sources in Huangyuchuan Mine are studied to distinguish the water quality and constituents in various aquifers on the comprehensive analysis of water samples, including general hydrochemical characteristics, dissolved organic contents, and features of organic matters with three-dimensional fluorescence spectrum. For water disaster prevention and emergency rescue in coal mines, it is important to investigate water supply, runoff, and discharge, determine the hydraulic connection between the aquifers, and identify the water-filling sources.

water-filling sources; hydrochemical characteristics; comprehensive analysis; water source identification

TD745

A

（編輯:劉新光)