矿钻孔出水水化学成分分析 本文关键词：钻孔，水水，化学成分，分析
矿钻孔出水水化学成分分析 本文简介：摘要：为预防寺河矿矿井突水灾害，开展了水文地质特征分析、钻孔出水现场监测和水化学分析。结果表明：SO42-和Cl-含量与TDS呈现正相关，相关系数分别问0.316和0.384；研究区域地下水类型主要为HCO3-Na型，初步判断该钻孔出水水源可能为K2灰岩水。关键词：水化学分析；水源判别；Piper三
矿钻孔出水水化学成分分析 本文内容：
摘要：为预防寺河矿矿井突水灾害，开展了水文地质特征分析、钻孔出水现场监测和水化学分析。结果表明：SO42-和Cl-含量与TDS呈现正相关，相关系数分别问0.316和0.384；研究区域地下水类型主要为HCO3-Na型，初步判断该钻孔出水水源可能为K2灰岩水。
关键词：水化学分析；水源判别；Piper三线图；矿化度
矿井突水是煤矿安全生产的主要威胁之一，突水事故发生必然会造成矿工的生命安全和国家财产的极大损失[1]。在煤矿矿井水的防治中，对突水水源的精确判断显得尤为重要[2]。地下水是一种复杂的液体，其中溶有各种不同的元素、化合物和气体，而这些元素有些大量存在于地下水中，而有些则含量极低。地下水含有数十种离子成分，其中主要有钾离子（K+）、钠离子（Na+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、硫酸根离子（SO42-）、氯离子（Cl-）和重碳酸氢根离子（HCO3-）七种[3]。含水层类型的不同会导致地下水化学成分的不同。此外，地下水和周围的大气圈、水圈以及生物圈接触之后会产生一系列物理化学变化，在这个过程中地下水的化学成分会进一步改变。同时地下水在其赋存和运移中，水化学成分处于一个动态变化的状态。通过对七种主要离子含量进行分析，并结合矿区各含水层地下水水质成分背景资料，即可识别出突水来源[4-7]，为制定合理有效的防治水措施提供依据。本文对寺河矿某钻孔出水进行水文地球化学成分分析，依据出水过程中水化学组分的变化特征，并结合研究区域水文地质条件和构造条件，探讨了水化学组分的变化原因，并确定了可能出水含水层。
1矿区水文地质特征
依据岩性及空间赋存特征，寺河矿区的含水层自上而下依次分为：第四系松散层孔隙含水层、基岩风化带裂隙含水层组、二叠系石盒子组碎屑岩类裂隙含水层组、二叠系下统山西组碎屑岩类裂隙含水层组、石炭系上统太原组碎屑岩、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层组以及奥陶系中统下马家沟和峰峰组碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。该矿区主采煤层为山西组3号煤层，该煤层主要突水水源是二叠系砂岩含水层（厚度在0-20m之间），现场进行的抽水试验该含水层水质类型为HCO3-K+Na+型。太原组煤层的组要突水水源是太原组砂岩裂隙水和K2-K5灰岩岩溶水，奥陶系峰峰组和中统下马家沟组岩层富水性较强。
2出水动态监测及分析
在钻孔的钻进过程中出现井内泥浆漏失，此时现场施工人员开始关闭防喷器，在关闭过程中，大约3min井内发生井喷。本次实验所用水样就是在井喷的出水口位置，用一旁通管与钻孔连接，在旁通管处取水样。待水量稳定后，进行水样的采集，每隔12h采集一次，共采集27次，直至出水现象消失。现场采样时同时监测并记录水的pH值、水温和电导率等数据。水样采集完毕之后及时送至实验室进行检测，水样的运输时间不得超过24h。实验室测试主要检测水样的标型组分、水质综合指标（如硬度、总矿化度、TDS）及悬浮物等。
3分析和讨论
3.1常规离子含量与TDS的关系
溶解于水中固相物质的总量称为总溶解固体，常记为TDS，它是常规离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、Cl-在水中积累的综合反映。其计算方法是：溶解组分（溶解气体除外）总和减去1/2的HCO3-。TDS能较好地反映地下水中物质组分在总体上的分布特征及变化规律，主要阴离子SO42-、Cl-与TDS含量的关系如图1和2所示。SO42-和Cl-在TDS中所占比例由0.452%递增至10.179%，Ca2+和Mg2+由0.791%递增至2.461%。由图1可知，对SO42-浓度与TDS浓度的散点图进行线性拟合，可以看出二者具有一定的线性关系，SO42-含量随着TDS的增大而增大，其相关系数为0.316，说明尽管SO42-与TDS具有一定的相关性，但是相关系数很低。同样从图2可以看出，Cl-含量与TDS具有较低的相关性，相关系数只有0.384。由此可知，SO42-和Cl-均不是TDS增大的主要特征阴离子，而可以作为TDS增大的参考阴离子。
3.2水样化学组分的动态特征
为了分析钻孔出水324h之内主要的阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）浓度和和主要阴离子（SO42-、CO32-、HCO3-、Cl-）浓度的变化特征，绘制出了出水水样的离子浓度动态变化曲线，见图3~6。对图3~6进行分析，所取水样的主要水化学特征如下：（1）阳离子中K++Na+浓度比较稳定，在0.018～0.021mol/L范围内波动。出水144h之内，K++Na+浓度稳定在0.212mol/L左右，从出水144h之后，K++Na+浓度突然增大，之后大部分水样浓度稳定在0.237mol/L左右。地下水中Na+（K+）主要来源于沉积岩中岩盐、其它钠（钾）盐的溶解以及含钠（钾）矿物的风化溶解，K++Na+浓度增大可能是因为含钠（钾）矿物，如钠（钾）长石，风化溶解能力增强了。此外，Ca2+的吸附能力大于K+和Na+，含有Ca2+的地下水接触到主要含有K++Na+的矿物，发生的阳离子交替吸附作用也是K++Na+浓度增大的原因。（2）阳离子中Mg2+浓度在出水144h之内波动较大，之后趋于稳定，大致稳定在18.695mg/L左右。总体变化范围在7.032～33.672mg/L之间，动态曲线有下降的趋势。地下水中的Mg2+主要来源于含镁的碳酸盐类沉积以及含镁矿物的风化溶解，水样中Mg2+浓度的减少可能是因为HCO3-含量增加，发生了脱碳酸作用，从而使得Mg2+以Mg-CO3沉淀的形式从水中析出，反应式如下：Mg2++HCO3-→MgCO3↓+H2O+CO2（3）阳离子中Ca2+浓度在钻孔出水144h之内波动比较大，之后相对稳定在5.376mg/L左右，动态曲线有下降的趋势，整体变化范围在3.679～30.661mg/L之间。Ca2+浓度减少的主要原因可能是发生了阳离子交替吸附作用或脱碳酸作用，从而使地下水中一部分Ca2+以CaCO3沉淀的形式析出。（4）阴离子中Cl-浓度较小，从整体来看Cl-浓度变化幅度很小，基本稳定在7.977mg/L，Cl-含量较低是因为它很难参与化学反应，Cl-易于由岩层进入地下水中，成为地下水主要化学组分，随着溶滤作用的进行，氯化物由于地下水循环被水流带走而贫化。（5）阴离子中CO32-浓度变化范围相对较大，在54.540～138.690mg/L范围内波动；阴离子中SO42-浓度变化幅度很大，分布于0～144.345mg/L之间，部分水样中甚至检测不到SO42-。（6）出水水样中HCO3-含量最大，离子浓度主要集中在993.420～1305.920mg/L范围内波动，从钻孔出水144h开始，水样浓度几乎稳定在1288.001mg/L左右，且HCO3-离子浓度有增加的趋势。矿井水水中HCO3-离子主要来自碳酸盐岩，反应公式为：CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-MgCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-水中HCO3-的含量一定程度上取决于其与CO2含量的平衡关系，钻孔出水144后HCO3-含量突然增加的原因可能是矿井水中CO2含量增多。综上所述，K++Na+浓度增加可能是发生了阳离子交替吸附作用；Ca2+和Mg2+浓度增加是因为均发生了脱碳酸作用；水样中Cl-浓度较低是因为地下水发生了溶滤作用；水样中HCO3-浓度较高是因为地下水中含有较多的CO2促进了碳酸盐岩的溶解。根据以上分析可知，该钻孔出水水样的水质相对复杂，水质类型主要是HCO3-Na水。
3.3利用三线图分析水质类型
利用GW软件对水样进行分析，并且绘制出能够直观的表达出水质类型的Piper三线图，见图7。由图7可知水样点位于菱形图中正下方，表明K+和Na+的含量大于50%或者HCO3-的含量大于50%；在左三角中，此处K+和Na+的含量较大，Ca2+的含量较小；在右三角中，利用同样的方法知HCO3-和CO32-的含量较大，而Cl-的含量比较小。又因为地下水中K+的含量很少，所以，钻孔中所取水样的水化学类型为HCO3-Na型。HCO3-Na类型的水形成原因是该矿区地层中钠长石和钾长石含量较高，在风化作用、水解作用及离子交换作用等作用下，长石中Na+和K+被溶滤到水中，而Ca2+、Mg2+离子形成CaCO3、MgCO3沉淀从水中析出，使砂岩水K+、Na+含量占有绝对优势，Ca2+、Mg2+含量很低。化学反应过程可表示为：上述反应使砂岩中的钠长石被溶解到水中，Na+含量升高，从而水质类型为HCO3-Na型。
3.4出水水源判别
根据上节对水样中常规离子的分析以及研究区域含水层和隔水层的认识，本次钻孔突水的水源可能是砂岩水或者奥陶系灰岩水。受含水介质及其赋存与分布的影响，奥灰水化学组分主要特征表现为：离子组成以SO42-和Cl-、HCO3-及Na+、Ca2+、Mg2+为主，其中SO42-和Cl-绝对含量大，与TDS呈正线性相关，而且相关性良好，对水质类型起到主导作用[8]。由图3-图6分析可知，所有水样中K++Na+和HCO3-的绝对含量比较大。另外，尽管SO42-和Cl-与TDS呈正线性相关，但相关系数却很低，这和前人的研究相矛盾，因此该出水水源是奥陶系灰岩水的可能性较小。研究区域位于山西省沁水县嘉峰镇，该镇位于延河泉以北，该区域水文地质单元属于延河泉域，其灰岩水的化学特征遵从延河泉岩溶水的化学特征[9]。而由分析可知，水样中SO42-、Ca2+和Mg2+含量与文献中相差较大，这进一步证明了该出水水源并不是奥陶系灰岩水。太原组K2灰岩顶板是砂岩，它们之间存在紧密的水力联系。研究区域的砂岩几乎不含水，这说明砂岩裂隙水在地下水循环过程中进入了K2灰岩，这导致了K2灰岩水和砂岩裂隙水的水化学特征相似。因此结合矿山的水文地质特征以及水样的水质类型，可判断该出水水源是K2灰岩水。
4结论
本文对寺河矿钻孔出水情况进行了实时监测，并进行了水化学成分分析，认为水样中K++Na+浓度增加可能是发生了阳离子交替吸附作用；Ca2+和Mg2+浓度增加是因为发生了脱碳酸作用；Cl-浓度较低是因为地下水发生了溶滤作用；水样中HCO3-浓度较高是因为地下水中含有较多的CO2促进了碳酸盐岩的溶解。该水样的水质类型主要是HCO3-Na水，出水水源可能为K2灰岩水。
作者：马光伟 武智勇 李朝凯 于飞 孟颖 单位：河北省地矿局第四水文工程地质大队 河北民族师范学院 承德市国家税务局 承德市自然资源和规划局
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