蒙陕接壤区矿井水中典型污染组分特征及来源.pdf
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1、蒙陕接壤区矿井水中典型污染组分特征及来源杨建1,王皓1,王强民1,2,张溪彧1,王甜甜1(1.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710054;2.煤炭科学研究总院,北京100013)SO24SO24SO24摘要:蒙陕接壤区是我国能源兜底保障的核心区域,但是煤炭开采过程中产生的大量矿井水,常常含有多种污染组分,只有查清污染组分来源及特征,才能更加科学合理地处理利用矿井水资源。本研究在查清蒙陕接壤区地质、水文地质和煤炭开采扰动等条件的基础上,对煤层顶板含水层水文地球化学特征、矿井水中典型污染组分特征开展了研究,并分析了这些典型污染组分的来源。结果表明:蒙陕接壤区根据煤层埋深条件可分为浅埋区、
2、中深埋区和深埋区,浅埋区矿井水来源为煤层顶板所有含水层水,中深埋区矿井水来源为煤层顶板延安组、直罗组风化基岩和完整基岩含水层水,浅埋区和中深埋区第四系和侏罗系地下水中 TDS 质量浓度均低于 1000mg/L;深埋区矿井水来源于煤层顶板侏罗系延安组、直罗组含水层,封闭条件下长期水岩作用,导致地下水中TDS 质量浓度1000mg/L,主要超标组分为 Na+、Ca2+和。矿井水中污染组分包括 2 类来源:一类来自顶板含水层,长期水岩相互作用导致离子组分进入水体中;另一类来自煤矿井下生产活动,煤岩屑、粉尘、机油等释放,导致悬浮物、氮、有机物等污染溶入水体中。浅埋区和中深埋区矿井水中 TDS 质量浓度
3、低于 1000mg/L,主要为弱碱性 HCO3-Ca 型水;深埋区矿井水中 TDS质量浓度为 1824.003684.00mg/L,Na+和离子浓度增加占比最大;地下水进入采空区后,均会进一步发生水岩相互作用,导致 Na+、等离子浓度出现一定程度升高。大部分煤矿矿井水中 COD 出现了超标,但是 TOC 浓度和 UV254均较低,矿井水中有机物以悬浮态为主;3DEEM光谱检测结果发现溶解态有机物主要为天然的氨基酸类和腐植质类,各类有机物荧光强度偏低,矿井水中有机污染物含量较少。关键词:典型污染组分;矿井水;蒙陕接壤区;地下水;水岩作用中图分类号:X752文献标志码:A文章编号:02539993
4、(2023)04168710Characteristics and sources of typical pollution components in mine water in theborder area of Inner Mongolia and ShaanxiYANGJian1,WANGHao1,WANGQiangmin1,2,ZHANGXiyu1,WANGTiantian1(1.CCTEG Xian Research Institute,Xian710054,China;2.China Coal Research Institute,Beijing100013,China)Abst
5、ract:TheborderareabetweenMongoliaandShaanxiisthecoreareaforChinasenergysecurity.However,alargenumberofminewaterproducedintheprocessofcoalminingcontainsavarietyofpollutioncomponents.Onlybyfindingoutthesourcesandcharacteristicsofpollutioncomponentscanwedealwithandutilizeminewaterresourcesmorescien-tif
6、icallyandreasonably,whichisalsoinlinewiththerequirementsofhigh-qualityde-velopmentoftheYellowRiverre-收稿日期:20220419修回日期:20220614责任编辑:韩晋平DOI:10.13225/ki.jccs.2022.0536基金项目:国家自然科学基金项目(42007179);陕西省重点研发计划资助项目(2022SF046)作者简介:杨建(1979),男,江苏盐城人,研究员,博士。E-mail:通讯作者:王强民(1989),男,河南长垣人,助理研究员,博士研究生。E-mail:引用格式:杨建
7、,王皓,王强民,等.蒙陕接壤区矿井水中典型污染组分特征及来源J.煤炭学报,2023,48(4):16871696.YANGJian,WANGHao,WANGQiangmin,etal.Characteristicsandsourcesoftypicalpollutioncompon-entsinminewaterintheborderareaofInnerMongoliaandShaanxiJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(4):16871696.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAp
8、r.2023SO24SO24SO24gion.Basedontheinvestigationofthegeological,hydrogeologicalandcoalminingdisturbanceconditionsintheborderareabetweenMongoliaandShaanxi,thehydrogeochemicalcharac-teristicsofcoalseamroofaquiferandthecharacterist-icsoftypicalpollutioncomponentsinminewaterwerestudied,andthesourcesofthes
9、etypicalpollutioncomponentswereanalyzed.TheresultsshowedthattheborderareabetweenMongoliaandShaanxiwaslocatedintheYishanslope.Accordingtothecoalseamburieddepthconditions,itcouldbedividedintoshallowburiedarea,mediumdeepburiedareaanddeepburiedarea.Theminewaterintheshallowburiedareacamefromallaquiferwat
10、erofthecoalseamroof,andtheminewaterinthemediumdeepburiedareacamefromaquiferwateroftheYananformationandtheZhiluoFormation(dividedintocompletebedrocksectionandweatheredbedrocksection)ofthecoalseamroof.TheconcentrationofTDSintheQuaternaryandJurassicgroundwaterintheshallowburiedareaandthemediumdeepburie
11、dareawaslowerthan1000mg/L.TheminewaterinthedeepburiedareacamefromtheaquiferwateroftheJurassicYananFormationandZhiluoFormationintheroofofthecoalseam.TheJurassicaquiferwasrelativelyclosedandstagnant.Thelong-termwa-terrockinteractionledtotheconcentrationofTDSingroundwaterupperthan1000mg/L,andthemainexc
12、eedingstand-ardcomponentswereNa+,Ca2+and.Thepollutioncomponentsinminewaterincludedtwocategories:onewasfromtheroofaquiferwater,andthelong-termwaterrockinteractionledtotheentryofioncomponentsintominewater.Theothercamefromtheundergroundproductionactivitiesofcoalmines.Thereleaseofcoalcuttings,dustandoil
13、ledtothedissolutionofsuspendedsolids,nitrogen,organicmatterandotherpollutionintominewater.TheconcentrationofTDSinminewaterintheshallowandmediumdeepburiedareaswaslowerthan1000mg/L,whichismainlyweaklyalkalineHCO3-Cawater,andthemaincationandanion(includingNa+,Ca2+,Cl,)basicallydidnotexceedthestandard.T
14、heTDSconcentrationintheminewaterinthedeepburiedarea(includingtheXiaojihancoalmine)was1824.003684.00mg/L,whichwasslightlyhigherthanthatintheroofwater.TheincreaseofNa+andionconcentrationaccountedforthelargestproportion,whichwasmainlyduetothefurtherwaterrockinteractioninthegoaf.TheconcentrationofCODinm
15、inewaterofmostcoalminesexceededthestandard,buttheTOCconcentrationandUV254valuewerelow,itshowedthattheorganicmatterintheminewaterwasmainlysuspended.The3DEEMspectrumdetectionresultsshowedthatthedissolvedorganicmatterwasmainlynaturalaminoacidsandhumus,thefluorescenceintensityofallkindsoforganicmat-terw
16、aslow,andtherewerefeworganicpollutantsinminewater.Key words:typicalpollutioncomponents;minewater;theborderareaofInnerMongoliaandShaanxi;groundwater;waterrockinteraction在我国的一次能源结构中,煤炭是长期的主体能源1-2。西部地区优异的煤炭资源禀赋,已成为煤炭生产的主产区,对于我国能源安全战略具有兜底保障作用。鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田(蒙陕接壤区)又是西部煤炭资源最好、开发强度最高的地区,高强度煤炭资源开采导致大量矿井水产生3-
17、4,矿井水的年排放量超过 7.0 亿 m3;同时,鄂尔多斯盆地是我国重要的能源重化工基地,能源重化工的特点是耗水量大5-6,单个大型能源重化工项目年用水量高达数千万 m3;蒙陕接壤区属于干旱和半干旱区,既存在水资源短缺、生态环境脆弱问题,又面临矿井水资源无效浪费与能源化工巨大需水之间的突出矛盾。另外,矿井水中普遍含有高悬浮物、重金属、氟化物、有机污染物和病原体等污染物7-11,且由于煤炭赋存条件、含水层富水性、水文地球化学演化过程、煤炭开采工艺等差异,不同矿井产生的矿井水中,污染组分种类和浓度差异巨大,导致矿井水处理工艺不适用、处理效果欠佳,大大限制了矿井水资源的可持续利用,且存在矿井水无序排
18、放与水环境污染之间的矛盾,特别是地下水污染12-13,具有隐蔽性、延时性和不可逆性,一旦受到污染将很难治理和修复。但是目前主要针对单个矿井开展了相关研究,缺少区域性的系统研究,难以为该地区矿井水资源保护和配置、生态回用等提供科学依据。为了弄清区域性矿井水中典型污染组分来源及特征,以黄河流域中段的鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田的蒙陕接壤区为研究对象,从区域地质水文地质条件、水文地球化学特征、矿井水水质特征等方面开展了相关研究。1研究区概况蒙陕接壤区位于黄河流域中段的鄂尔多斯盆地北部(图 1),属于毛乌素沙漠与黄土高原过渡地带,研究区范围内以风沙地貌和黄土地貌为主14-15,其中风沙地貌区地势平坦,降
19、雨入渗系数大,第四系风积沙和萨拉乌苏组共同构成了富水性较强的含水层系统16-17;黄土地貌区以黄土梁为主,坡面发育有细沟和1688煤炭学报2023年第48卷浅沟,降雨多以地表径流形式汇入地表河流,降雨入渗系数小,第四系含水层富水性较弱18。研究区属于黄河水系,主要发育窟野河(乌兰木伦河)、秃尾河、榆溪河和无定河;在神木市和伊金霍洛旗交界位置,由于降水增多,风蚀洼地形成内陆封闭湖盆(红碱淖),围绕红碱淖发育的 7 条季节性河流构成了一个内陆水系。在中侏罗世延安组,研究区属于滨浅相环境,地势平坦湖沼广布,植物丛生,聚煤作用形成了大型的侏罗纪煤田。中生代后期,由于吕梁复背斜构造的大规模隆起褶皱,使研
20、究区东部抬升,底层遭受剥蚀,造成由老到新,大致呈北北东走向的带状分布(图 2),形成伊陕斜坡构造。在沉积和构造双重作用下,蒙陕接壤区内各个矿区的煤层埋深差异极大,其中神府矿区属于浅埋区,榆神矿区属于浅埋中深埋区,榆横北区属于中深埋深埋区,新街、呼吉尔特和纳林河矿区属于深埋区。0II2040 kmN新街台格庙呼吉尔特乌审旗纳林河榆横北榆横南榆林城市河流取样点矿区湖泊剖面榆神神木黄河神府红碱淖图1研究区位置示意Fig.1Schematicmapofresearcharealocation1 1301 030标高/m9308307306301 3301 230Q4K1lJ2aJ2zJ2y0510 k
21、mNW3101 煤2 煤3 煤Q3l+N2b第四系直罗组离石和保德组洛河组煤层安定组延安组图2煤层覆岩地层剖面()Fig.2Stratigraphicprofileofcoalroof()2导水裂隙带发育规律煤炭开采过程中,煤层顶板覆岩破坏发育的导水裂隙带,沟通不同含水层,会导致矿井水水质特征出现显著差异。蒙陕接壤区侏罗系煤层顶板覆岩主要由中细砂岩和砂质泥岩组成,属于中硬岩层,工作面采取大跨度综采/综放开采条件下,根据导水裂隙带实测值/计算值可以看出,实测裂采比一般为第4期杨建等:蒙陕接壤区矿井水中典型污染组分特征及来源16892030 倍,且导水裂隙带发育高度随采高的增加而增大19。结合煤层
22、顶板地层结构和厚度,浅埋区导水裂隙带可发育至第四系(甚至地表),导致煤层顶板所有含水层水都进入井下(表 1 和图 3);尽管中深埋区煤层顶板地层结构特征可分为 2 类(中深埋和中深埋),导水裂隙带均主要发育至直罗组,中深埋区域局部可能沟通保德红土层,煤层顶板延安组、直罗组(分为完整基岩段和风化基岩段)含水层水可以进入井下;深埋区地层结构煤层顶板一定范围内地层结构与中深埋区相似,其导水裂隙带也主要发育至直罗组,导致煤层顶板延安组、直罗组含水层水进入井下。表 1 蒙陕接壤区各矿井导水裂隙带发育高度Table 1 Height of water conducting fracture zone in
23、 the contiguous area of Inner Mongolia and Shaanxi编号矿名埋深类型工作面埋深/m采高/m导高/m裂采比沟通层位No.1大柳塔浅埋22201894.076.1019.00第四系No.2郭家湾浅埋51103605.075.50*15.10第四系No.3锦界浅埋931041103.443.60*13.00第四系No.4凉水井浅埋3.569.60*20.00第四系No.5榆树湾中深埋201042645.0138.9027.80直罗组No.6曹家滩中深埋1221063006.0139.2023.20直罗组No.7金鸡滩中深埋12-2上1082605.51
24、36.1024.70直罗组No.8小纪汗中深埋112033652.750.00*18.73直罗组No.9巴彦高勒深埋3111016205.7126.0022.00直罗组No.10门克庆深埋1131036804.4108.0024.80直罗组No.11石拉乌素深埋65010.0240.00*24.00直罗组注:*为导水裂隙带计算值。0100200300400500600700K1lJ2aJ2zJ2y导水断裂带位置Q3l+N2bQ4埋深/m中深埋浅埋中深埋深埋图3不同埋深导水裂隙带发育位置示意Fig.3Schematicdiagramofheightofwaterconductingfractur
25、ezonewithdifferentburieddepths3样品采集和检测分析基于地形地貌、煤层埋深、覆岩结构等条件,选择大柳塔、曹家滩、巴彦高勒等 11 个煤矿的矿井水为研究对象,结合各井田水文地质和水文地球化学特征,开展蒙陕接壤矿区矿井水中典型污染组分来源及特征研究(表 2)。11 个煤矿中,郭家湾、大柳塔、锦界、凉水井位于浅埋煤田区,煤炭开采过程中导水裂隙带可沟通第四系或直接发育至地表,导致第四系含水层水和侏罗系直罗组含水层水进入井下;榆树湾、曹家滩、金鸡滩位于中深埋煤田区,导水裂隙带可发育至风化基岩(侏罗系),局部能够进入保德红土层下部,导致风化基岩含水层水和直罗组延安组完整基岩含水
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