酸性礦井水入滲過程中水巖作用分析

沙雙雙

(山西焦煤汾西礦業(yè)環(huán)保處，山西 介休 032000)

引 言

煤炭在開采過程中受到外界環(huán)境影響，煤巖層中的硫化物在氧氣、水、微生物等共同作用下，經(jīng)過一系列的地球化學(xué)作用，形成酸性礦井水[1-2]。不僅正常生產(chǎn)的礦井會產(chǎn)生酸性礦井水，廢棄的礦井在廢棄后的幾十年內(nèi)仍可以持續(xù)不斷的產(chǎn)生[3]。此外，礦井開采出來的矸石由于不同程度地含有硫化物，在雨淋作用下會產(chǎn)生以硫酸鹽為主的酸性水[4]。礦井酸性水會對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的重視程度日益增加，對酸性礦井水的預(yù)防以及治理工作的受重視程度不斷增高。

近年來，大量學(xué)者對酸性礦井水的產(chǎn)生機(jī)理、主要成分以及酸性水對環(huán)境的時間效應(yīng)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，并取得了顯著的成果[5-7]。但是對于酸性礦井水在巖層滲透中的遷移演化規(guī)律研究卻不常見。因此，筆者采用土柱淋溶實(shí)驗(yàn)方法對酸性礦井中的介質(zhì)遷移規(guī)律進(jìn)行研究，以便為酸性礦井水防治工作的開展提供一定的借鑒。

1 取樣方法

實(shí)驗(yàn)取樣樣品來自于山西焦煤汾西礦業(yè)所屬一主力礦井，采用蛇形取樣法(“Z”字形取樣法)，以便取得的樣品更具有代表性。取10個樣品，并將取得的樣品進(jìn)行混合，采用四分法進(jìn)行縮分，取回的樣品經(jīng)過干燥、粉碎、篩分[30目(0.613 mm)]后保存。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

表1 實(shí)驗(yàn)本底值

表2 模擬酸性礦井水成分

2.2 分析方法

3 結(jié)果分析

3.1 硬度變化

實(shí)驗(yàn)過程表明，滲濾液遷移到測試孔后，滲濾液中的硬度值及鈣、鎂離子等含量迅速增加，通過測量的數(shù)據(jù)跟表2中的數(shù)據(jù)比對可以發(fā)現(xiàn)，在較長的一段時間內(nèi)，滲濾液的硬度值及鈣、鎂離子等含量均是高于表2中對應(yīng)的數(shù)據(jù)值。從質(zhì)量守恒定律可以得出，較模擬酸性礦井水成分增加的鈣、鎂離子等來源于土柱本身的可溶解性物質(zhì)，經(jīng)過淋溶實(shí)驗(yàn)以及巖體與蒸餾水之間的相互作用，土柱內(nèi)的大部分可溶性離子基本都已經(jīng)滲濾出來。因此，可以確定，滲濾液中多出的鈣、鎂離子等主要是酸性礦井水與巖體之間的相互作用，造成滲濾液中的鈣、鎂離子等含量增高。

同時，由于該礦處于太原組，巖層中含有大量的石灰?guī)r以及砂巖，且石灰?guī)r中含有白云巖、方解石以及鈉長石凳，這些礦物質(zhì)與酸性礦井水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

從上述化學(xué)反應(yīng)式可以看出，酸性礦井水與土柱之中的巖體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的鈣、鎂離子，同時造成酸性溶液的pH值增高。

3.2 硫酸鹽與氯化物的變化

實(shí)驗(yàn)中氯離子與硫酸根離子的變化規(guī)律較為相近，具體如圖1所示。

圖1 氯離子與硫酸根離子隨時間變化規(guī)律

氯離子較為穩(wěn)定，在進(jìn)行淋溶過程中與其他物質(zhì)之間基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅僅進(jìn)行氯離子的交換或者絡(luò)合，當(dāng)濃度增高到一定值后趨于穩(wěn)定。從硫酸根的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，硫酸根離子隨時間的變化滯后于氯離子，主要是由于介質(zhì)對離子的吸附阻礙了硫酸根離子的向外遷移。同時，測定的滲濾液濃度未高于淋溶液也表明土柱內(nèi)基本沒有硫酸根離子的重新生成及滲出。

3.3 鐵離子與pH變化

具體的鐵離子與pH值的變化情況以及變化趨勢曲線如圖2、圖3所示。

圖2 鐵離子隨時間變化曲線

圖3 pH值隨時間變化曲線

從圖2、圖3可以看出，鐵離子以及pH值的變化趨勢呈現(xiàn)出逆相關(guān)，鐵離子隨著時間的增加含量逐漸增高，pH值隨著時間的延長逐漸降低，同時，鐵離子及pH值測定結(jié)果與原采用的滲濾液相差較為明顯?？梢钥闯?，當(dāng)pH值較低時，溶液中有大量的H+，F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+時，消耗大量的H+離子，pH值增高。當(dāng)pH值增加到6以上時，F(xiàn)e3+容易出現(xiàn)水解，產(chǎn)生絮凝沉淀，造成滲濾液中的鐵離子含量降低，同時，滲濾液中的pH值降低，具體發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如式(4)～式(5)所示。

(4)

(5)

4 結(jié)論

酸性礦井水與巖體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成滲濾液中的鈣離子、鎂離子含量增加，溶液的總硬度增加明顯，同時，由于土柱是多孔隙介質(zhì)，對硫酸根離子具有較強(qiáng)的吸附作用，因此，溶液中硫酸根離子的變化不明顯。反應(yīng)過程中消耗大量的H+離子，滲濾液pH值最后接近中性。