哈拉沟煤矿高氟矿井水分布特征和形成机制.pdf
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1、哈拉沟煤矿高氟矿井水分布特征和形成机制刘 波1,王彦堂2,郝春明2(1.神东煤炭集团哈拉沟煤矿,陕西 神木 719315;2.华北科技学院 化工安全学院,河北 三河 065201)摘 要:系统采集了哈拉沟煤矿20 组不同埋深的矿井水,分析了高氟矿井水的含量分布和空间特征,并探讨其来源和形成机制。研究结果表明,哈拉沟煤矿矿井水中 F-浓度范围为0.0112.72 mg/L,平均值为 2.96 mg/L,有 55.00%的样品超过了 GB5749-2022 生活饮用水卫生标准。高氟矿井水的赋存埋深为 125225 m,主要赋存于 3-1煤矿井水中。高氟矿井水的形成主要受含氟矿物的溶解控制,方解石和
2、白云岩的溶解饱和、阳离子的交换作用、蒸发浓缩和竞争吸附作用也是促进高氟矿井水形成的重要原因。关键词:氟化物;矿井水;分布特征;形成机制;氢氧同位素中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1005-8397(2023)06-0094-07Spatial distribution and formation mechanism of high fluoride mine water in Halagou Coal MineLIU Bo1,WANG Yan-tang2,HAO Chun-ming2(1.Halagou Coal of Shenhua Shendong Coal Group C
3、o.,Ltd.,Shenmu,Shaanxi 719315,China;2.North China Institute of Science and Technology,Sanhe,Hebei 065201,China)Abstract:In this study,20 mine water samples were collected in August and September 2022 from the Halagou coal-mining district,Shanxi,China.Samples were analyzed to investigate the distribu
4、tion,geochemical behavior,and formation mechanisms of high-fluoride mine water.The F-concentrations in the mine water samples ranged from 0.01 to 12.72 mg/L,with a mean value of 2.96 mg/L.The F-concentrations in 55.00%of the mine water samples exceeded Chinas national standards for drinking(1.00 mg/
5、L).The results show that the high-F-mine water is mainly distributed in 3-1 coal mine water and in the depth of 125225 m,respectively.The weathering of F-bearing minerals was the main source of F-in the mine water.Dissolved saturation of calcite and dolomite,evaporation,cation exchange and competiti
6、ve effect were considered to have promoted elevated F-concentrations in study area.Keywords:fluoride;mine water;enrichment mechanism;spatial distribution;hydrogen and oxygen isotopes收稿日期:2023-03-28 DOI:10.16200/ki.11-2627/td.2023.06.023基金项目:河北省自然科学基金项目(D2021508004);“煤炭开采水资源保护与利用”国家重点实验室开放课题资助项目(SHJT
7、-17-42.17)作者简介:刘 波(1990),男,陕西榆林人,2015 年毕业于内蒙古科技大学机械工程及自动化专业,神东煤炭集团哈拉沟煤矿环保主管,工程师。通讯作者:郝春明(1978),男,河北廊坊人,副教授,博士(后),研究方向:矿山环境污染防治与生态修复。引用格式:刘 波,王彦堂,郝春明.哈拉沟煤矿高氟矿井水分布特征和形成机制 J.煤炭加工与综合利用,2023(6):94-100.1 概 述氟(F)是最轻的卤族元素之一,因具有活跃的化学特性,广泛存在自然界中,在地壳中氟的含量一般在 600700 ppm 之间。尽管饮用水中少量F-的存在对人体的健康有一些好处,例如减少蛀牙等,但 当 F
8、-浓 度 分 别 超 过 1.50 mg/L 和4.00 mg/L 时,就会出现氟斑牙和氟骨病2。因此,世界卫生组织(WHO)据此规定,饮用水中F-浓度不应超过 1.50 mg/L,而中国饮用水中氟浓度的最高允许浓度为 1.00 mg/L 4。地下水被普遍认为是中国农村最主要的饮用水水源,前人49煤炭加工与综合利用 CAL PROCESSING&COMPREHENSIVE UTILIZATION No.6,2023研究已发现,内蒙古河套平原5,安徽的淮南淮北6,山 西 娘 子 关7,河 北 沧 州8,新 疆 塔城9等干旱、半干旱地区均出现过居民饮用地下水氟中毒的现象,受危害人口超过了 2 亿人
9、10。地下水中 F-的来源一般分为天然源和人为源。天然源主要来自萤石、氟磷灰石和闪长石等含氟矿物的溶解,而人为源主要包括密集的农业活动、无计划的城市开发、高强度的工业生产和采矿活动等。与此同时,高浓度的 HCO-3或 Na+可以促进地下水中 F-含量的升高11;碱性条件下,大量的 OH-和 HCO-3可以与 F-争夺沉积物表面的吸附点位而提升地下水中 F-的含量12;强烈的蒸发作用也会帮助地下水 F-浓度的富集等13。通常,高氟地下水偏爱高 Na+、HCO-3、TDS 和低 Ca2+的水化学环境14。神东矿区作为世界六大主产煤地区之一,高氟矿井水的问题一直困扰着矿区居民饮用水安全,制约着资源的
10、循环利用。前人已对神东矿区高氟矿井水的分布、来源和形成机制等进行了较系统的研究,也取得了丰硕的成果。但大多学者都是以大流域、小尺度的神东矿区或者榆府煤田等作为研究对象,而针对某个典型的特大型煤矿区出现的高氟矿井水问题则少有关注。为此,以西部干旱区典型的特大型煤矿哈拉沟煤矿为例,通过采集不同深度的矿井水样品,分析矿井水中氟化物的含量特征和空间分布,并利用含氟矿物溶解与沉淀、蒸发浓缩、解吸与竞争吸附和阳离子交换等手段揭示了其形成机制,为进一步深入评估神东矿区高氟矿井水的形成,保护区域水环境和保障当地居民的饮用水安全提供了技术支撑和科学指导。2 研究区概况哈拉沟煤矿位于国家能源集团神东矿区井田范围内
11、,南北长约 8.40 km,东西宽约 8.50 km,面积 72.13 km2。哈拉沟煤矿位处陕北黄土高原北部与毛乌素沙漠东南缘的接壤地带,地势总体中东部高,西部低,地形起伏较大,最高点在讨素傲包,海拔 1 349.60 m,最低点在哈拉沟与乌兰木伦河交汇处,海拔 1 084.10 m。矿区属北温带半干旱大陆季风性气候,干旱少雨,蒸发强烈,年平均气温为 8.4。多年平均降雨量和蒸发量分别为 435.70 mm 和 1 774.10 mm。哈拉沟井田内沟流分属两支水系,以陈家坡、郝家壕、讨素傲包及后圪台一线为分水岭,分水岭以西为乌兰木伦河水系,有三元沟、沙沟、哈拉沟等;以东为饽牛川水系,有七槪沟
12、及其次级沟流郝家沟、召圪台沟等。哈拉沟煤矿地处稳定的鄂尔多斯向斜上,地层总体呈倾向 SW 的单斜构造,起伏不大,倾角一般小于 1。矿区大部为第四系松散沉积物所覆盖,仅在乌兰木伦河沿岸有基岩出露。井田地层由老至新有:三叠系上统永坪组(T3y),侏罗系中下统延安组(J1-2y),侏罗系中统直罗统(J2z),新近系上新统三趾马红土(N2)及第四系(Q)。矿区侏罗系延安组可采煤层共 8 层,由上至下是1-2上、1-2、2-2、3-1、4-2、4-3、4-4和 5-2号,煤层核定生产能力1 600 万 t/a,目前主采2-2煤和3-1煤。矿井正常涌水量介于 918.601 188.70 m3/h,最大涌
13、水量介于 1 019.121 335.47 m3/h,矿井水主要受萨拉乌苏组、直罗组含水层和延安组含水层等水源的直接或间接补给。3 采样和分析图 1 哈拉沟煤矿矿井水中 F-含量空间分布3.1 样品采集与测试2022 年 8 月和 9 月,在哈拉沟煤矿共采集了20 组矿井水样品,采样点具体位置如图 1 所示。其中萨拉乌苏组矿井水 2 组,2-2煤矿井水 7 组,3-1煤矿井水 11 组。采集之前,所有 HDPE 棕色采样瓶先用蒸馏水清洗23 次,再用待测样品清洗 23 次。每个采样点收集 3 瓶 500 mL 样品,1瓶用于检测阳离子,1 瓶用于检测阴离子,1 瓶用于测定氢氧同位素 D和 18
14、O。采集的样品经0.45 m 的水膜过滤后保存于样品瓶中待检。每592023 年第 6 期刘 波,等:哈拉沟煤矿高氟矿井水分布特征和形成机制个采样点使用手持 GPS 设备(GPSMAP 63csx;Garmin,USA)记录采样点坐标。现场使用 pH 计(HI8424;HANNA,Italy)和 电 导 率 分 析 仪(HI98302;HANNA,Italy)对待测样品的 pH 和TDS 进行测试,并妥善密封和储存将水样运送到河北省地质环境监测院水环境检测中心进行水化学分析。水化 学 离 子 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4和 F-的 浓 度 通 过 离 子 色 谱 仪(D
15、ionex Integrion IC;Thermo Fisher Scientific,USA)进行检测,HCO-3浓度使用酸碱法进行滴定。氢氧同位素 D和 18O 选用同位素比质谱仪(Isotope Ratio Mass Spectrometer,IRMS)进行测试。K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、F-和 pH 等元素的检出限为 0.01 mg/L,TDS 和 HCO-3的检出限为1 mg/L。氢氧同位素 D和 18O 的测量精度分为1和0.10。3.2 质量保证矿井水样品的储存与运送严格按照中华人民共和国水利部颁布的 SL2192013 水环境监测规范 的要求进行。为
16、确保精密度和准确性,所有水化学分析均重复进行 3 次,所提供的数据为3 次重复分析的平均值,其最大相对标准偏差应小于 10%。此外,所有离子的数值都进行了离子平衡误差计算,允许误差不超过 5%。4 结 果4.1 哈拉沟煤矿矿井水水化学特征哈拉沟煤矿矿井水各水化学元素分析结果见表 1。表 1 哈拉沟煤矿矿井水各水化学元素含量类别项目pHNa+K+/(mg L-1)Ca2+/(mg L-1)Mg2+/(mg L-1)Cl-/(mg L-1)SO2-4/(mg L-1)HCO-3/(mg L-1)F-/(mg L-1)TDS/(mg L-1)D/18O/2-2矿井水(n=7)最大值7.90180.3
17、8194.8375.7322.00705.086080.311 461-74.10-9.75最小值7.7084.00114.0934.8410.00213.7360.01649-84.10-11.11平均值7.80140.36134.2546.0915.83435.872940.17963-77.41-10.17方差0.001 624.171 966.21176.5518.5118 919.7264 2750.0174 5468.880.173-1矿井水(n=11)最大值10.70433.4843.6018.80281.00391.0036612.721 176-70.50-9.49最小值7.
18、76193.571.880.1280.6218.8351.06413-85.70-11.36平均值8.68265.4513.914.96122.86129.001525.23663-74.66-9.96方差0.905 547.51173.1032.233 214.8115 686.9922 18214.0846 5791 311.6423.25萨拉乌苏组矿井水(n=2)最大值7.92200.2214.396.2980.62221.441870.35632-65.00-8.41最小值7.8533.345.105.2011.009.0020.1465-66.40-8.43平均值7.89116.78
19、9.755.7545.81115.22940.24349-65.70-8.42方差0.016 962.2321.580.301 211.7411 282.698 5720.0180 2990.490.000 1 注:(1)无量纲;(2)0.00 表示低于检出限。由表 1 可知,哈拉沟煤矿 2-2煤矿井水中 pH含量范围为 7.707.90,其平均值为 7.80,均呈弱碱性。TDS 含量范围为6491 461 mg/L,其平均值为 963 mg/L,其中 42.86%的样品超过了国家饮用水国家标准 GB 57492022(1 000 mg/L)。F-浓 度 范 围 为 0.01 0.31 mg/
20、L,平 均 值 为0.17 mg/L,所有样品的 F-浓度都未超国家饮用水标准 GB 57492022(1.00 mg/L)。3-1煤矿井水中 pH 含量范围为 7.76 10.70,其平均值为8.68,均呈弱碱 性 和 碱 性。TDS 含 量 范 围 为4131 176 mg/L,其平均值为 663 mg/L,其中9.09%的样品超过了国家饮用水国家标准 GB 57492022(1 000 mg/L)。F-浓度范围为 1.0612.72 mg/L,平均值为 5.23 mg/L,所有样品的F-浓度均超过了国家饮用水标准 GB 57492022(1.00 mg/L)。萨拉乌苏组矿井水中 pH 含
21、量范围为 7.857.92,其平均值为 7.89,所有样品呈弱碱性。TDS 含量范围为 65632 mg/L,其平均值为 349 mg/L,所有样品都未超过国家饮用水国家标准 GB 57492022(1 000 mg/L)。F-浓度范围为 0.140.35 mg/L,平均值为 0.24 mg/L,所有样品的 F-浓度均未超国家饮用水标准 GB 57492022(1.00 mg/L)。因此根据 F-的浓度和国家饮用水标准 GB 57492022,哈拉沟煤矿 3-1煤矿井水定义为高氟矿井水,2-2煤和萨拉乌苏组矿井水定义为低氟矿井水。4.2 哈拉沟煤矿矿井水 F-含量分布特征高氟矿井水均匀分布在矿
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