罗通 李俊 赵成洲 桂和荣

摘 要：淮北煤田深層煤炭资源的开采，二叠纪煤系砂岩裂隙水（简称“煤系水”）的防治是煤矿防治水的重要对象。同时，煤系水在矿井水中所占比例较大，矿井水资源化利用有必要弄清煤系水的水文地球化学特征。为此，该研究于淮北煤田许疃煤矿采取了煤系砂岩水样，获取常规水化学组分测试数据，通过水样的Piper三线图与离子比例图分析，揭示矿井深层煤系水水化学演变规律及主要的水文地球化学作用（以阳离子交换作用与溶解作用为主）;并选取灌溉水作为矿井水资源化途径之一，利用水质指数法与Wilcox图解进行灌溉用水水质评价。结果表明，深层煤系水直接用于灌溉水时存在潜在的盐碱害风险。研究结果为煤矿煤系水识别与矿井水资源化利用提供了水文地球化学方面的依据。

关键词：煤系水;常规水化学;水化学形成作用;水资源化利用;淮北许疃煤矿

中图分类号 P641.51 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）03-0140-05

Abstract： For the exploitation of deep coal resources in Huaibei coalfield， the prevention and control of Permian coal measure sandstone fissure water （hereinafter referred to as “coal measure water”） is an important object of coal mine water prevention and control. At the same time， coal measure water accounts for a large proportion in mine water. It is necessary to clarify the hydrogeochemical characteristics of coal measure water for resource utilization of mine water. Therefore， Xutuan coal mine in Huaibei coalfield took coal measures sandstone water samples to obtain conventional hydrochemical component test data. Through the analysis of Piper three line diagram and ion proportion diagram of water samples， the hydrochemical evolution law and main hydrogeochemical effects （mainly cation exchange and dissolution） of deep coal measures in the mine are revealed; Irrigation water is selected as one of the ways of mine water resource utilization， and the water quality of irrigation water is evaluated by using water quality index method and Wilcox diagram. The results showed that there is a potential risk of salt and alkali damage when deep coal measure water is directly used for irrigation water. This study provides a hydrogeochemical basis for the identification of coal measure water and the resource utilization of mine water.

Key words： Coal measure water; Conventional water chemistry; Hydrochemical formation; Water resources utilization; Huaibei Xutuan coal mine

水环境质量与水资源量关乎人类生产生活的正常运行，受到了社会的持续关注[1，2]。在煤矿开采工业中，地下采煤不仅受到深层地下水涌出带来的安全威胁，大量深层地下水资源的抽排也可能受到污染。前人针对矿区深层地下水已开展了系统的研究，成果颇丰。例如，陈松通过煤矿区太灰水层的水常规、氢氧同位素及14C测试，利用传统图示及统计方法探讨了地下水化学特征及演化，约束了深层地下水年龄及矿区内的补径排条件[3]。孙林华以任楼矿煤系含水层为主要研究对象，利用Visual Minteq软件对水样溶解态稀土的无机形态进行了模拟分析，推论了深层地下水稀土元素分异的原因[4]。关磊声对大同煤田多个矿区采空区水进行了水环境质量评价后，提出了灌溉用水、工业用水与城市景观用水等多种水资源化利用途径[5]。因此，煤矿深层地下水的水质特征与水环境质量对后期水资源的利用开发极为重要。为此，笔者选取淮北煤田许疃煤矿为研究区，以埋深在-600m左右的深层煤系水为研究对象，在探讨其含水层水质演化规律，并对其水环境质量展开评价。

1 材料与方法

1.1 研究区地质背景 淮北煤田位于安徽省北部，地跨宿州市、淮北市2个市，是中国年产煤千万吨的大型煤田（图1）。许疃煤矿位于淮北煤田中南部，东北距宿州市约37km，西南距蒙城县城约28km。矿井北端与童庄井田毗邻，南端至板桥断层，面积约53km2。井田开采标高范围为-300～800m。

1.2 采样点与样品采集 许疃煤矿采煤工作集中于二叠系煤系地层，煤层编号从上而下分别编号为1煤、2煤…，7煤…，10煤，主采煤层为3煤、7煤、8煤，主采煤层的平均埋深在500m左右（图2）。煤层上覆与下伏地层岩性主要为砂、泥岩，因此在煤层回采工作中，伴随了大量深层煤系水的涌出。选取煤矿开采工作面的多个出水点作为取样点，在2014—2021年间对取样点进行了水样采集工作，共获取水样14个。水样采取流程严格按照规范进行，取好的水样立即进行现场水质指标测试并在24h内送回实验室密封冷藏备用。

1.3 测试方法 首先，将取回的原始水样进行酸碱滴定，记录消耗盐酸的量V1、V2，再计算水样中[CO2-3]、[HCO-3]的离子浓度。再将剩余的水样抽滤后，并加入稀硝酸酸化备用，最后选择离子色谱法（792Basic IC）测定Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+的离子浓度。为了保证测试精度，每5个测试样品后均设置1个空白水样进行本底值的监测，数据处理时控制各元素标线R2>0.9999以满足质量控制要求。

1.4 水质评价方法 钠离子百分比、钠吸附比（SAR）、残余碳酸钠（RSC）及渗透系数（PI）分别表征地表水与地下水的盐碱害与灌溉适宜程度[6]。4种水质参数的水质分级标准分别为详见表1。各个水质参数的计算公式如下：

1.5 数据处理与分析 使用SPSS对测试数据进行初步处理，再应用AQQA软件对Piper三线图进行成图，最后选择Origin2020、CoreldrawX9绘制阴、阳离子比例图、Wilcox图。

2 结果与分析

2.1 水常规离子元素含量特征 水常规离子测试结果列于表2。由表2可知，阳离子中含量大小顺序为K++Na+>Ca2+>mg2+。其中，K++Na+在所有水样中均为优势离子，含量范围在287.27～783.56mg/L，平均值为517.87mg/L;其次为Ca2+，含量范围在4.75～32.54mg/L，平均值为12.88mg/L;Mg2+最低，含量范围在1.44～15.48mg/L，平均值為5.11mg/L。阴离子中含量大小顺序为[HCO-3]>Cl->[SO2-4]>[CO2-3]。其中，HCO3-在所有水样中均为优势离子，含量范围在510.52～1693.68mg/L，平均值为982.39mg/L;其次为Cl-，含量范围在90.41～359.88mg/L，平均值为221.45mg/L;[CO2-3]含量最低，浓度范围在0.00～138.77mg/L，平均值为32.22mg/L。

煤系砂岩地层水中，形成上述离子浓度特征的原因有以下几点：（1）Na离子主要来源于岩盐、泥页岩及火成岩中的富钠矿物（长石和粘土矿物）的溶解作用因此在煤系地层中含量长期处于优势状态;（2）而煤系地层中石膏等矿物的缺乏则导致了钙离子。与硫酸根离子的浓度较低;（3）煤系地层砂岩水处于的环境较为封闭，与重碳酸根离子结合形成沉淀的阳离子含量较低，则重碳酸根离子为煤系地层中浓度最大的阴离子。

2.2 水文地球化学过程

2.2.1 水化学类型演变 piper三线图是piper于1944年提出的，现在被广泛使用在地下水与地表水的水化学研究中。piper三线图由2个三角形与1个菱形组成，左右2个三角形（即三元图）分别代表了水样的多个阴离子、阳离子毫克当量百分数。具体的水化学类型确定方式是K++Na+、Ca2+、Mg2+在三元图中确定了唯一点，[HCO-3]+[CO2-3]、Cl-、[SO2-4]同样在三元图中确定了唯一点，将2点反向延长至菱形中，其交点就反映了该水样的水化学类型。

将许疃矿深层水样数据输入AQQA软件中，得到2014—2021年水样的piper三线图（图3），由此可观察地下水的水化学类型演变规律。菱形区域显示所有的水样的水化学类型均属于Na-HCO3。但具体到阴、阳离子毫克当量百分数上，水样的水化学类型在2014—2021年间是有显然变化的。首先，阳离子毫克当量百分数在多年间变化程度不大一直以钠、钾离子为主（百分数大于90%），钙、镁离子的毫克当量百分数始终小于10%。而阴离子部分，则表现出不同的变化趋势，总的演变规律是随着重碳酸根离子和碳酸根离子的毫克当量百分数的下降，氯离子的比重越来越大。具体数值变化范围是氯离子的毫克当量百分数由20%升至40%以上，而重碳酸根离子和碳酸根离子由90%下降至50%。这可能表明了，煤系地层水对岩盐等矿物的进一步溶解。综上所述，许疃煤矿深层水在2014—2021年间主要发生的水化学作用是溶解作用，水化学类型由Na-HCO3型向Na-HCO3·Cl型演化。

2.2.2 水文地球化学过程 通过分析地下水中主要离子组成和离子比例特征，可以揭示地下水中主要化学成分的来源及可能存在的水文地球化学过程。当地下水中的Na+和Cl-仅来自岩盐的溶解，则Na+和Cl-的毫克当量比应当为1。由图4a可知，许疃矿煤系含水层的水样未见明显的分布差异，所有水样均在1∶1线下部，说明岩盐溶解不是煤系水样中的Na+的唯一来源。关于Na+的来源，极有可能与2种状况有关，一是沉积岩或岩浆岩中含Na矿物的风化溶解，如长石、云母等;二是阳离子交替吸附作用，砂岩水中Ca2+、Mg2+在岩土表面的吸附能力高于Na+，当水流经砂、泥、灰岩地层时，发生了吸附作用导致了Na的富集。

当地下水中的[SO2-4]和Ca2+均来自石膏的溶解时，[Ca2+]/[[SO2-4]]应当为1。由图4b可见，煤系砂岩水分布在1∶1线的两侧，下侧分布的水样以2014年与2018年为主，上侧分布的水样集中于2019—2021年。整体反映了深层煤系水中[SO2-4]和Ca2+主要来自石膏的溶解。此外，煤系水中的[SO2-4]整体浓度较低，可能反映了煤系地层水整体处于一个较为封闭的状态下。

2.3 灌溉水水质评价 煤系深层地下水在淮北煤田矿井中的抽排量在200m3/h左右，因此，煤系水的资源化利用不仅可以保障煤炭资源的安全开采，并且节约了当地浅层地下水资源的消耗。而煤矿的位置设置一般在郊外农耕地区，则先选取一系列的灌溉水水质指标用于表征深层地下水作为灌溉用水的适宜性。

表3列出了许疃矿煤系水的灌溉水水质指数评价结果。具体来看，水样整体较好的Na+（%）暗示了水样作为灌溉用水时有一定的盐害风险。钠吸附比来看，除1、10、11号水样外，其余水样显示了灌溉水的不适宜性;RSC值则整体显示灌溉用水的碱害风险;最后，渗透系数PI值顯示了深层地下水的高渗透性，揭示了利用灌溉的性质。

用水质指数评价的基础上，根据美国农业部Wilcox图绘制了灌溉水Wilcox图解（图5），进一步评价许疃矿砂岩水用于灌溉的可行性[7]。图5中横纵坐标分别代表电导率与Na+（%），将水样投点后可以发现，水样点集中与怀疑保留区与允许怀疑区分界线的附近。这说明深层煤系水的灌溉利用需要进一步的查明。

3 结论

（1）许疃煤矿深层地下水中水常规阴、阳离子的浓度大小为：K++Na+>Ca2+>mg2+，[HCO-3 ]>Cl->[SO2-4]>[CO2-3]。这种规律在2014—2021年间始终保持，而水化学成分高低受到水岩作用控制。

（2）piper三线图与离子比例图共同反映了许疃煤矿深层水在2014—2021年间主要发生的水化学作用是阳离子交替吸附作用，水化学类型由Na-HCO3型向Na-HCO3.Cl型演化，同时煤系地层水可能整体处于一个较为封闭的状态下。

（3）基于水质指数法与Wilcox图解评价了深层地下水资源用于灌溉水的适用等级。结果表明，若深层地下水直接用于灌溉用水，将给土地带来一定的盐碱害风险。但PI值较高则表明地下水渗透性较好在处理后可进行地下水的资源化利用，其中工业用水与景观用水均是良好的利用方向。

参考文献

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[4]孙林华，桂和荣，陈松.深层地下水稀土元素无机形态及其对稀土特征的影响——以皖北任楼矿煤系含水层为例[J].煤田地质与勘探，2011，39（3）：38-43.

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（责编：张宏民）

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