马兰煤矿矿井水水质变化特征及成因_李文生.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探 COALGEOLOOY . 2.中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京100083 Vol. 41 No.4 Aug. 2013 摘要通过对山西省马兰煤矿2号煤层采掘面在开采和封闭时期的矿井水和沉积物的研究，揭示 采掘面封闭前后对矿井水水质和沉积物的影响机理．研究结果表明马兰煤矿矿井水均为S04一 Ca型水质，矿井水均富含so－和Fe离子；随着上部煤层的不断开来，3处矿井水呈现相同的变 化规律，矿井水的pH值升高，Eh值降低，so－、Fe、Mn和Zn离子浓度随之下降，其中北一暗 斜井处的矿井水水质变化最显著；矿井水水质指标和流速变化能够拉制其沉积物的矿物组成和结 晶程度，北一暗斜井处的沉积物在两次采样中由斯沃特曼铁矿变为针铁矿，而其他两处的矿井水 沉积物矿物组分没有发生变化，主要由针铁矿组成．研究结果能够提高对老空区积水水质的预测 精度，并对煤矿突水水源判识具有重要意义． 关键词矿井水；水质特征；重金属；沉积物 中图分类号P641;X142 文献标识码ADOI 10.3969/j .issn.l001-1986.2013.04.012 Variation characteristics and cause of mine water quality in Malan coal mine LI Wensheng1, SUN Hongfti 1. Xishan Coal Elec例cityGroup Co., Ltd, Taiyuan 030053, China; 2. College ofGeoscience and Surveying Engineering, China Universi纱ofMining water quality; heavy metal; sediment 煤矿的开采活动使煤中的黄铁矿直接暴露在空 气中进而发生氧化，地下水流经时则会形成不同酸度 的矿井水，并且矿井水水质也会随着开采的程度发生 改变，矿井水的水质特征对煤矿矿井水防治、管理及 其矿井水资源化都具有非常重要的意义（1-8］。根据煤质 和围岩特性可以预测矿井水水质特征［2-3］、利用不同评 价方法和模拟软件能够评价矿井水水质特点和变化 规律［4］、根据矿井水的水质特征可以判定矿井水涌水 来源［5］、根据矿井水水质特征可以研究其资源化技术［6-8］。 本文通过对山西省西山煤电股份有限公司下属 的马兰煤矿不同时期矿井水及其沉积物的研究，全面 收稿日期2012-12-07 分析了矿井水的水质特征、水质变化规律及成因，以 及矿井水沉积物的矿物组成及成因。 1 样品采集与实验 2004年8月在马兰煤矿采集3个矿井水水样Lll、 L2-1和L3-1）及其3个沉积物样品（Sl-1、S2-1和S3-l, 对应的采样地点分别为28105巷道Ll-1和S2-1）、北l 暗牵阱L2-1和S2-1）和22103巷道ι3-1和S3-1）。20ll 年4月在马兰煤矿原采样点再次采集3个矿井水水样 Ll-2、L2-2和L3-2）和3个沉积物样品（Sl-2、S2-2和 S3-2），对应的采样地点分别为28105巷道Ll-2和S2-2）、 基金项目国家自然科学基金项目（40972110; 41102096）；国家国际科技合作项目（2012DFG71060 作者简介李文生（1968一），男，山西运城人，硕士，高级工程师，从事煤矿防治水技术和管理工作． ChaoXing 第4期李文生等马兰煤矿矿井水水质变化特征及成因 47 北1暗牵阱L2-2和S2-2）和22103巷道（L3-2和S3-2）。 所用聚乙烯塑料瓶均需用3的E剧03浸泡24h, 然后用去离子水清洗干净备用。水样采集后现场测定其 温度、pH值、电导率和氧化还原电位（Eh），并尽快将 其送回实验室。在实验室用o.件5m聚醋纤维滤膜过 滤水样并将其分成两份，一份加HN03至pHo；＼万级＜）飞启EH 也只λλλ人λλ坑。＼ L3-2 Q /\ ＼／＼／＼／＼／＼／＼气7 y e hu 品、 ,,/ 图1马兰煤矿矿井水水化学类型 Fig. l Hydrochemistry type of mine water Malan coal mine ChaoXing 48 煤田地质与勘探第41卷 800「 『LSSS12004年 .. 2011年 600 E 二400 凶 200 。 LI采样点L2采样点L3采样点 6 A “T EAH 2 。 LI采样点L2采样点口采样点 图2马兰矿矿井水Eh和pH值随时间的变化规律 Fig. 2 Eh and pH values of mine water Malan coal mine in different time 3200「2004字 111111201 l年 800 [2400 二 00 E 可I600 0 “ 。 LI采样点L2采样点口采样点 150「2004年 圈圈2011年 1201 」」90 。a 号60 ... 30 。 LI采样点口采样点口采样点 图3马兰矿矿井水中so－和Fe离子浓度随时间的变化规律 Fig. 3 Sulfate and iron concentration in mine water Malan coal mine in different time 的变化规律。由图3可以看出两次采集的马兰煤矿矿 井水均含有较高浓度的so－和Fe离子，这也是煤矿 矿井水的典型特征之一。2004年的矿井水中so－和 Fe离子浓度明显高于2011年矿井水中的so－和Fe 离子浓度，浓度变化最显著是北一暗斜井L2采样点）对 应的两个矿井水水样，so－离子浓度由3192 mg/L降 为1726 mg/L,Fe离子浓度由134.5mg/L降至16.4mg/L。 马兰煤矿矿井水中含有较高浓度的蛐和Zn离子， Mn和Zn离子浓度随时间的变化规律如图4。地和Zn nyrO句3 （－ J ’国 去 。 LI采样点L2采样点口采样点 1则「囚2004字 -2011年 800 --l 600 00 1. 再400 200 。 LI采样点口采样点口采样点 图4马兰矿矿井水中Mn和Zn离子浓度随时间的变化规律 Fig. 4 Mn and Zn concentration in mine water企omMalan coal mine in different time 离子浓度变化规律与so－和Fe离子浓度变化规律非常 相似，变化程度最大的为L2采样点（北一暗斜井），其次 为L3采样点。尽管北一暗斜井处矿井水中胁和Zn离 子浓度下降程度最显著，但是L2-2矿井水中灿和Zn 离子浓度仍然非常高，分别为4.033mg/L和346g/L。 28105巷道、北一暗斜井和22103巷道采集的矿 井水主要来自流经2号煤层的矿井水，马兰煤矿原煤 硫分平均值0.57～2.93，其中2号主采煤层对应的 硫分平均值为1.01。2004年马兰煤矿正在大量开采 2号主采煤层，2号煤层暴露在充足的氧气中，煤中 的黄铁矿能够充分氧化形成富含so－、Fe和其他微 量重金属离子的酸性矿井水，因此2004年采集的矿 井水Ll-1、L2-l和L3-1对应的pH值普遍偏低，so 7、Fe、Mn和Zn离子浓度普遍偏高；2011年马兰 煤矿3个采样点上部的2号煤层已经回采完毕并且封 闭了巷道，因此残留在巷道中黄铁矿量较少，而且巷 道中氧气稀少，黄铁矿无法充分氧化形成大量的酸性 矿井水；造成Ll-2、L2-2和L3-2矿井水pH升高， Eh、so－、Fe和其他微量重金属离子浓度显著降低。 该结果与矿井水实验室模拟实验结果非常一致（10-12］。 2.2 矿井水沉积物矿物组成 对马兰煤矿矿井水沉积物的XRDX射线衍射） 分析结果（图5）表明组成沉积物的主要矿物为针铁矿、斯 沃特曼铁矿13-15］和石膏。其中28105巷道矿井水沉积 物两次采样均为针铁矿，2004年的沉积物样品（S1-1 针铁矿XRD系列特征峰强度更大，表明其结晶程度 更好；北一暗斜井矿井水沉积物组分发生明显变化， ChaoXing 第4期李文生等马兰煤矿矿井水水质变化特征及成因 49 由2004年的斯沃特曼铁矿变为2011年的针铁矿，这 主要是由于矿井水的pH、so－和Fe离子浓度不同造 成的；22103巷道矿井水沉积物矿物组成没有发生变 化，均由针铁矿和石膏组成，但2004年沉积物（S3-1 两种矿物结晶程度更好。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 28CuK a）／｛。） 图5矿井水沉积物的XRD Fig. S X-ray di岱actionpa阳msfor sediments in mine water Sh一斯沃特曼铁矿（Schwertmannite;Gt一针铁矿（goethite; Gp-一石膏（Gypsum 煤矿矿井水的pH能够强烈影响矿井水的化学组成 及其沉积物的矿物组成。不同pH的矿井水形成不同矿 物组成的沉积物，pH小于2.8的矿井水通常形成黄饵 铁矶；pH为2.8--4.5的矿井水形成斯沃特曼铁矿和少量 的针铁矿；pH在4.5--6.5的矿井水沉积物能够形成针铁 矿和水铁矿，pH大于6.5的矿井水沉积物主要为水铁 矿或水铁矿与针铁矿的混合物（13］。‘此外，矿井水中的 so－和铁的浓度也是形成斯沃特曼铁矿和针铁矿的必 要因素。利用马兰矿井水水质指标计算的针铁矿矿物饱 和指数（SI为5.87-9.01,L2-1矿井水对应的斯通沃特 曼铁矿SI为7.17。矿井水的流量和流速同样能够影响 矿物结晶的速度和程度，2004年3个采样点对应的矿 井水水量较小，流速较低，因此含铁矿物能够有充足的 时间结晶，晶核也能够较好地生长，因此Sl-1和S3-l 沉积物中矿物结晶程度较好。 3结论 马兰煤矿28105巷道、北一暗斜井和22103巷道 处采集的矿井水均为S04一-Ca型水质，所有矿井水 均含有较高浓度的so－和Fe离子；随着采样点上部 2号煤层的开采程度不断加剧，3个矿井水水质呈现 相同的变化趋势pH值升高，Eh,so－、Fe、Mn 和Zn等离子浓度降低，其中北一暗斜井处的矿井水 水质变化程度最显著。 北一暗斜井处两次采集的矿井水沉积物矿物组 绞发生改变，有斯沃特曼铁矿变为针铁矿；28105巷 道和22103巷道矿井水沉积物组分没有发生改变，只 有2011年对应的沉积物中矿物的结晶程度较差；其 中28105巷道矿井水沉积物为单一的针铁矿，而 22103巷道矿井水沉积物为针铁矿和石膏的混合物。 矿井水的pH、so－、Fe离子和流速均能够影响沉积 物的矿物组成和结晶程度。 参考文献 GAMMONS CH, DUATh在ETE, PARKERS R, et al. 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