礦井水深部轉(zhuǎn)移水文地球化學變化模擬研究
——以鄂爾多斯盆地東北部為例

胡榮華

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇徐州 221000)

0 引言

深井回灌工程是將液體放置于生物圈以外的深部地層的一種環(huán)境處置手段，通過深層地質(zhì)環(huán)境相對封閉的特點將溶液與生物活動隔離開[1]。深井回灌技術(shù)最早始于20世紀30年代的美國，最初是用于石油和天然氣行業(yè)[2]。隨著時代發(fā)展技術(shù)的進步，其應(yīng)用范圍不斷拓展，涉及到制藥、金屬、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[3]。20世紀末此技術(shù)引入我國，主要應(yīng)用于能源行業(yè)，其高效環(huán)保的特點使得近些年深井回灌成為部分礦區(qū)處置礦井水的最佳選擇，由于現(xiàn)在此技術(shù)還在試驗階段，所以它的相關(guān)研究逐漸成為熱點[4-6]。

在礦井水回灌過程中發(fā)生的水文地球化學作用會引起水質(zhì)的變化，也會引起回灌設(shè)施或回灌地層的堵塞問題[7]，從而產(chǎn)生一定的風險，所以通過水文地球化學模擬，研究礦井水回灌過程中溶質(zhì)的溶解與沉淀特征十分重要[8-9]。

礦井水回灌過程中的化學作用過程是由于回灌打破了地下水環(huán)境已形成的平衡而導致?；毓嗨⑷氲叵潞畬雍?，改變了地下環(huán)境的物理化學條件，促進平衡發(fā)生移動并激發(fā)新的溶解、沉淀等化學作用的產(chǎn)生。在礦井水回灌過程中，初期主要是礦井水與地下水的混合，然后是混合水與含水層介質(zhì)間的化學作用過程。在澳大利亞南部地區(qū)曾開展過一個為期5a的含水層儲存與回用場地試驗，通過監(jiān)測回灌水與地下水中氯化物的濃度，發(fā)現(xiàn)回灌水與地下水的混合發(fā)生在整個過程中，前1～2a混合作用非常明顯，在隨后的幾年中，地下水逐漸被回灌水取代，混合作用逐漸減弱。距離回灌點位置的遠近影響著混合的比例，即離回灌位置越遠，回灌水所占的比例越小。

鄂爾多斯盆地煤礦資源豐富，在煤礦生產(chǎn)過程中礦井水的處置至關(guān)重要，為了進一步研究礦井水回灌的水文地球化學規(guī)律，選取鄂爾多斯盆伊陜斜坡北部地區(qū)作為模擬回灌場地，選取埋藏較深厚度較大的砂巖含水層作為回注的目的層，以回注地附近礦區(qū)沉淀池內(nèi)礦井水作為回灌水源，模擬礦井水回注過程中發(fā)生的水文地球化學現(xiàn)象，為此項技術(shù)的進一步完善提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

鄂爾多斯盆地是由中生界和古生界組成軸向近南北的大型向斜式沉積盆地，其四周邊界均為山脈，南為秦嶺、北為陰山，東為呂梁山、西為賀蘭山-六盤山。該區(qū)煤炭儲量豐富，對礦井水治理的需求較大[10-11]。

取鄂爾多斯盆地的北東部，即伊陜斜坡北部地區(qū)為模擬回灌地點，位于白堊系碎屑巖裂隙孔隙含水層系統(tǒng)水文地質(zhì)單元分區(qū)的鄂爾多斯東區(qū)(Ⅱ)區(qū)地下水系統(tǒng)。主要的含水系統(tǒng)有第四系孔隙含水系統(tǒng)，白堊系孔隙-裂隙含水系統(tǒng)，石炭-侏羅系裂隙含水系統(tǒng)，寒武-奧陶系巖溶含水系統(tǒng)[12]。

選取的回灌目的層位于三疊系底部劉家溝組含水層，厚度約為350m，埋深在1 880～2 215m。其底界為本溪組鋁土質(zhì)泥頁巖夾鐵礦層，頂界為中上侏羅統(tǒng)發(fā)育的大套泥質(zhì)巖類，此含水系統(tǒng)連續(xù)性較好，地下水的補給條件差，水量貧乏，且與其他含水層之間有良好的隔水層，不與其他含水層連通。

根據(jù)巖心取樣分析，劉家溝組主要為雜色泥巖、灰白色中砂巖、灰白色、淺肉紅色細砂巖，其中以灰白色、淺肉紅色細砂巖占比較大。而且局部巖層發(fā)育垂直裂隙，方解石脈充填，取心時每段有不同程度的巖石破碎現(xiàn)象。根據(jù)此處的抽水試驗和壓水試驗數(shù)據(jù)結(jié)果求得該含水層水文地質(zhì)參數(shù)，其中滲透系數(shù)K小于隔水層滲透系數(shù)0.000 1m/d，即此含水層的滲透能力差，水文地質(zhì)環(huán)境較封閉，含水層厚度大排泄能力差，注入的礦井水會以彈性儲存的方式長期儲存在含水層中，且其埋藏較深，不會影響上部其它含水層的補給和排泄，是深井回灌的最佳選擇。

為了模擬礦井水在含水層中發(fā)生的一系列變化，收集整理了含水層的水化學參數(shù)和含水層介質(zhì)的礦物組成成分資料[13]，具體數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 劉家溝組含水層水化學成分Table 1 Liujiagou Formation aquifer hydrochemical components mg/L

表2 劉家溝組樣品礦物含量Table 2 Liujiagou Formation sample mineral contents %

2 礦井水分析

本次模擬選取某礦區(qū)沉淀池內(nèi)礦井水作為回灌水。沉淀池內(nèi)礦井水先由井下工作面抽至地面沉淀池，經(jīng)過自然沉淀將礦井水中混入的大顆粒懸浮物如沙礫、煤粉等充分沉淀，再在沉淀池內(nèi)加入沉淀劑使小顆粒雜質(zhì)進一步沉淀，經(jīng)過這兩步后得到澄清幾乎無懸浮物雜質(zhì)的礦井水。取沉淀完全的礦井水進行檢測分析，得到回灌礦井水的水化學組分，其中pH值為7.69，其它如表3所示。

表3 礦井水水化學指標Table 3 Mine water hydrochemical indices mg/L

3 PHREEQC模擬

3.1 混合模擬

本次模擬主要運用PHREEQC中的MIX模塊，模擬礦井水與地下水混合的水化學作用[14-15]?；毓嗟乃亢突毓嗨乃|(zhì)均會對地下水水化學產(chǎn)生影響，一方面回灌的水量決定了回灌水對含水層的補給量，另一方面由于注入的礦井水與地下水之間各離子組分質(zhì)量濃度存在差異，會引起水化學的變化。此外，溫度也會對水體混合成分的變化有重要影響，溫度的高低直接影響地下水溶質(zhì)的溶解度以及地層礦物在水中的飽和指數(shù)的大小，所以在模擬過程中溫度是非常重要的因素[16]。劉家溝組砂巖的地層溫度在50～60℃，在此地下水混合的模擬中假設(shè)地下水溫度為50℃?；刈⒌牡V井水是從采礦工作面抽出至地表室內(nèi)蓄水池中，經(jīng)沉淀后回注至含水層中，所以設(shè)定回注水的溫度為室溫25℃。

為使模擬結(jié)果充分顯示出回灌地區(qū)不同地段的混合特征，本次模擬共設(shè)置了5種礦井水和地下水的不同混合比例，從而更精細地刻畫出回灌在時間和空間兩種尺度上引起的地下水化學變化。此模擬分別選取了礦井水和地下水分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1的5種混合比例。模擬結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以直觀地看到隨著礦井水與地下水的混合，地下水含量越高即距離注水井越遠的地方水溫隨之逐漸升高，直到含水層的50℃。而隨著兩種溶液的混合，pH值先降低后升高，礦井水的pH值為7.69，地下水的pH值為8.1，隨著混合溶液中地下水的占比越來越大pH值先降低到7.26然后逐漸增大到8.1，但總體浮動不大，穩(wěn)定在7～8。

從溶液中各離子濃度的變化中發(fā)現(xiàn)，除了HCO3-外其它離子濃度都隨地下水含量的增加而增加。從兩種溶液的測試結(jié)果中也能看出，地下水各離子濃度明顯高于礦井水，所以在混合過程中都呈增長趨勢。

3.2 水巖作用及溫度變化模擬

為了探究礦井水在回灌過程中與含水層介質(zhì)產(chǎn)生的水文地球化學作用，常見礦物的溶解沉淀情況，本節(jié)模擬了碳酸鹽巖、硫酸鹽巖等常見礦物的溶解或沉淀量在不同位置的變化情況，以及不同地層溫度下各礦物飽和指數(shù)(SI)的變化情況。將取得的13處地層巖石樣本取平均值，作為劉家溝組含水層的平均礦物含量(包括黏土礦物)，通過該值按照每1kg水樣與1mol巖石礦物的比例設(shè)置參與水巖作用的反應(yīng)礦物數(shù)量。

將回灌的礦井水與原含水層的混合狀態(tài)按比例分為5組，分別為礦井水∶地下水=9∶1、7∶3、5∶5、3∶7、1∶9。根據(jù)文獻調(diào)研和模擬演化得到含水層的溫度在53～65℃，所以本次模擬設(shè)定最高溫度為70℃，最低溫度為室溫25℃。以每1℃為階步模擬從25～70℃共計46個溫度下的SI值變化，得到溫度影響下不同礦物SI值的變化趨勢。研究不同溫度下水巖作用過程中的礦物溶解沉淀趨勢，從而判斷溫度對礦井水回灌的影響。模擬結(jié)果如圖2所示。

模擬選擇了方解石、白云石、重晶石、石膏和硬石膏五種礦物。不同的礦物在溫度升高時溶解度發(fā)生不同程度的改變，有的礦物溶解度隨溫度升高增大，有的礦物隨溫度升高減小。在模擬結(jié)果的散點圖中可以看出，重晶石的飽和指數(shù)隨溫度升高而降低，即溫度升高使重晶石趨向溶解使其沉淀量減小。方解石和白云石都是碳酸鹽巖礦物，從圖中可以看出隨溫度的升高兩種礦物的SI值隨之增大，兩種礦物更容易產(chǎn)生沉淀。石膏和硬石膏都是硫酸鹽礦物，化學式分別為CaSO4和CaSO4·2H2O，兩者只差兩個結(jié)晶水分子，所以兩者的SI值基本相似，與其它幾種礦物相比石膏的SI值在45℃的跨度下并沒有明顯的變化，而硬石膏有緩慢的升高趨勢。

圖1 混合過程中離子濃度變化Figure 1 Ion concentration variation during hybrid process

圖2 不同溫度下礦物飽和指數(shù)變化Figure 2 Mineral saturation indices variation under different temperatures

對比不同混合比例下的模擬結(jié)果，在礦井水∶地下水=9∶1的圖中重晶石、方解石和白云石的散點圖都在零值直線的上方，SI值都大于零說明這三種礦物都呈現(xiàn)出沉淀的趨勢。對比5張圖中重晶石的圖像可以發(fā)現(xiàn)隨著地下水含量的增加圖像逐漸向上移動，即重晶石的SI值順地下水流向逐漸升高，但是隨溫度變化的趨勢不變，均隨溫度升高而降低。

圖2中黑色點表示方解石，紅色點表示白云石。(a)圖中紅色圖標位于黑色圖標上方，說明此時碳酸鹽巖中白云石的沉淀量要大于方解石。對比另外4張圖可以發(fā)現(xiàn)隨著地下水含量的不斷增加兩條曲線不斷向下方移動，而且紅色曲線代表的白云石SI值減小的速度遠大于黑色曲線下移的速度，由開始(a)圖中紅色曲線位于黑色曲線上方逐漸變化為(e)圖中黑色曲線位于紅色曲線上方。且(a)圖中兩者皆位于零線上方為正值，后到(e)圖兩曲線均位于零線下方為負值。

與以上幾種礦物相比石膏和硬石膏的SI值的變化相對較小，溫度升高使硬石膏的SI值略有增大，但變化幅度保持在0.3以內(nèi)，石膏的SI值變化保持在0.1以內(nèi)，所以溫度對石膏和硬石膏的溶解沉淀影響不大。

石膏和硬石膏在圖中分別用綠色和紫色圖標表示。在五張圖的對比中可以發(fā)現(xiàn)隨地下水含量增加兩條曲線緩慢向上移動，從零線下方移至零線上方，但其移動范圍較小，僅在零線附近。在上文中提到SI值的正值在數(shù)值較小時僅代表在模擬中表示沉淀趨勢，在實際反應(yīng)中并不會發(fā)現(xiàn)沉淀出現(xiàn)，在SI值模擬結(jié)果較大時才能準確地模擬出礦物沉淀情況，所以可以認為石膏和硬石膏兩種礦物在溫度和不同混合比例的影響下未產(chǎn)生明顯變化。

綜合以上分析可以得到：溫度升高使重晶石的SI值減小，使方解石和白云石的SI值增大。隨礦井水在含水層中的運移溫度不斷升高，溫度的升高促使方解石和白云石等碳酸鹽巖礦物的沉淀，同時使重晶石即硫酸鋇更易溶解，但對石膏和硬石膏不會產(chǎn)生明顯變化。

4 結(jié)論

1)礦井水的注入會稀釋、淡化并混合原生高鹽地層水，形成較高鹽水濃度區(qū)、高鹽水濃度區(qū)和極高鹽水濃度區(qū)。

2)礦井水的回灌會在含水層中產(chǎn)生礦物沉淀，其水巖作用過程中主要以沉淀為主，長期的回灌會影響回灌能力。沉淀物主要以重晶石、方解石和白云石等碳酸鹽巖和硫酸鹽巖礦物為主?？傮w來看，越接近影響半徑的一端較靠近回灌井的一端產(chǎn)生更多的礦物沉淀，即遠離回灌井的部分在回灌過程中更易受影響。

3)由于含水層埋深較大，所以地層溫度較高，溫度對水巖作用有很大的影響，在25～70℃，溫度越高碳酸鹽巖沉淀量增加，硫酸鹽巖類礦物沉淀量減小。