宁夏红一煤矿地下水水化学和环境同位素特征研究及应用

毛兴军

（宁夏回族自治区煤田地质局，宁夏 银川 750002）

宁夏红一煤矿地下水水化学和环境同位素特征研究及应用

毛兴军

（宁夏回族自治区煤田地质局，宁夏 银川 750002）

研究红一煤矿地下水水化学和同位素特征，是有效开展矿井防治水工作的前提和基础。运用水文地球化学及环境同位素方法（测试、统计、表示、分析等），通过分析矿井前期水文地质资料，结果表明：该矿主要含水层地下水水化学类型均为舒卡列夫B组，水化学组成以SO42-、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+离子为主，水化学特征存在一定差异；地下水水化学玫瑰图模型直观、快速、准确、可操作性强，可作为快速判别矿井涌水水源的技术手段之一；矿井地下水总体以50年前补给水为主，受现代水微弱渗入补给，径流、排泄、更新条件差；同时进一步指出，环境同位素两种方法间接反映的水文地质特征相一致。

红一煤矿；含水层；水文地球化学特征；环境同位素；补给来源

红一煤矿位于宁夏回族自治区东北部红墩子矿区，西南距银川市约30km。井田内水系不发育，常年地表径流的有井田西侧的黄河、半截沟及井田北部的兵沟。该矿为红墩子矿区首建矿井，井田面积30.8km2。煤系地层为二叠系山西组和石炭系太原组，主要开采煤层为4煤、5（下）煤、8煤、9煤和10煤。

该矿于2010年开工建设，先后施工井筒3个。由于古近系含水层涌水量较大，3个井筒全部采用冻结法施工，最大冻结深度449m。在建井阶段，发生涌水现象3次。前期工作对井田水文地质特征认识程度较低。为了有效开展矿井防治水工作，研究地下水水化学特征尤为必要。

1　主要含水层特征

1.1含水层划分情况

自上而下划分为：第Ⅰ含水层（第四系松散岩类孔隙潜水含水层）；第Ⅱ含水层组（古近系及基岩风化带碎屑岩孔隙裂隙承压含水层）；第Ⅲ含水层组（二叠系孙家沟组、石盒子组碎屑岩裂隙承压含水层）；第Ⅳ含水层组（山西组碎屑岩裂隙承压含水层）；第Ⅴ含水层组（太原组砂岩裂隙承压含水层）；第Ⅵ含水层组（土坡组砂岩裂隙承压含水层）；第Ⅶ含水层组（奥陶系碳酸盐岩裂隙承压含水层）。见图1。

1.2含水层主要特征

含水层中对矿井建设和开采有影响的，主要是第Ⅱ～第Ⅶ含水层组。其中第Ⅱ含水层组富水性中等，对井巷掘进危害尤为突出。第Ⅳ、第Ⅴ含水层弱富水～中等富水，为煤层开采时的直接充水含水层。该矿井水文地质类型为复杂型。

2　主要含水层水化学特征

地下水在地壳岩石中赋存和运移过程中，其化学成分不断发生变化，同时也“标记”了地下水的形成环境和形成过程。研究地下水的化学特征有助于判断其补给来源、含水层交替程度以及各含水层之间、含水层和地表水之间的水力联系程度，从而有助于判断矿井充水水源，确定可能充水地段和采取相应的防治水措施。

2.1地下水化学成分分析

以水质全分析项目为主，主要有：

（1）阳离子：包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等8种。其中NH+、Fe2+、Fe3+、Al3+四4种离子浓度微弱，不作为分析重点。

（3）水质评价指标：总硬度、永久硬度、暂时硬度、矿化度、pH值等。见表1。

图1　含水层特征示意图

表1　各含水层地下水化学成分及浓度统计表

2.2水化学特征表示与分类

（1）库尔洛夫式。按照库尔洛夫式表示法，阴阳离子均按照毫克当量百分数自大而小的顺序排列，小于10%离子不予标示，见表2。

（2）舒卡列夫分类。根据地下水中Na+、Ca2+、Mg2+、、、Cl-（K+合并于Na+）6种主要离子及矿化度，对毫克当量百分数小于25%的离子不予考虑。按三步法确定含水层舒卡列夫分类代码，见表3。

表2　各含水层库尔洛夫式

表2　各含水层水化学分析表

2.3主要含水层水化学玫瑰图模型的建立

含水层水质特征采样测试工作一般在采煤至少一年前完成，以便在采煤后准确判别矿井涌水水源。本次利用该矿井20个水样全分析资料，绘制完成了第Ⅱ～第Ⅶ含水层地下水水化学玫瑰图，如图2～图8所示。

含水层地下水水化学玫瑰图如下：第Ⅱ含水层阳离子相对阴离子摩尔浓度偏低，阴离子、Cl-和阳离子Na+、Ca2+、Mg2+摩尔浓度分布基本均匀；第Ⅲ含水层阴离子SO4

2-、Cl-摩尔浓度基本均匀分布，阳离子Na+、Ca2+、Mg2+摩尔浓度呈递减形态；第Ⅳ、第Ⅴ含水层图形态相似，主要区别在于Na+与Ca2+、Mg2+摩尔浓度差异；第Ⅵ含水层阴离子摩尔浓度相对阳离子明显偏低，Na+摩尔浓度明显较Ca2+、Mg2+高，右翼呈窄长条尖峰状；第Ⅶ含水层呈现出两翼蝴蝶状，Cl-、Na+以峰值形式分布。

2.4含水层水化学特征分析

（2）各含水层矿化矿化度1.5～5.1g/L，按照舒卡列夫分类方法，均划分为B组。

（3）各含水层水质为弱碱性水～碱性水，硬度普遍较高，为硬水～特硬水。其中，第Ⅶ含水层总硬度最高达到1708.49P（CaCO3）mg/L。

（4）第Ⅱ含水层矿化度相对较低。第Ⅲ～第Ⅵ含水层矿化度变化不大。第Ⅶ含水层矿化度最高，为高矿化度咸水。

（5）根据各含水层化学组分特征判断，各含水层形成作用以溶滤、离子交换吸附作用为主；第Ⅱ含水层地下水径流速度相对较快；第Ⅲ～第Ⅶ含水层水体较为封闭。

2.5水化学玫瑰图在判别涌水水源中的应用

水化学特征是含水层最本质的特征。一旦矿井发生涌水和突水现象，及时准确地判断涌水水源，是防治水的关键所在，前提是要了解各含水层水化学特征，并分别建立各含水层水化学玫瑰图模型。

为了验证上述水化学玫瑰图模型的判别效果，2013年10月在该矿一采区运输巷掘进过程中的涌水点采取水样（初期涌水量为6.4m3/h，48小时后稳定在0.6m3/h）。水样测试单位、测试项目及绘图方法与判别模型均相同。

通过绘制水化学玫瑰图（见图8-YS），并与以上玫瑰图模型对比分析认为：该水样主要阳离子与阴离子种类与第Ⅳ、第Ⅴ含水层完全相同，硬度、矿化度、离子摩尔浓度形态均等特征，与Ⅳ含水层相似，但Cl-、SO42- 两种离子摩尔浓度比值存在一定差异，与Ⅴ含水层存在一些共性。综合判断矿井涌水水源主要为Ⅳ含水层，有部分Ⅴ含水层水混入。

图2　第Ⅱ含水层地下水化学玫瑰图

图3　第Ⅲ含水层地下水化学玫瑰图

图4　-第Ⅳ含水层地下水化学玫瑰图

图5　第Ⅴ含水层地下水化学玫瑰图

图6　第Ⅵ含水层地下水化学玫瑰图

图7　第Ⅶ含水层地下水化学玫瑰图

图8　YS地下水化学玫瑰图

3　主要含水层同位素特征分析

3.1环境同位素应用原理及方法

环境同位素作为天然示踪剂标记着天然水和地下水的形成过程。通过研究各水体中同位素的分布和变化规律，揭示地下水的起源、补给以及相互之间的水力联系，这一方法在国内外水文地质工作中已经得到广泛认可。

稳定氢氧同位素（2H，18O ）源于海洋，在运移过程具有守恒性。一方面反映大气降水进入地下前的信息，同时在进入地下后，平均含量不会随时间而变化。因此，常用以推断地下水来源及其混合情况。研究氢氧稳定同位素，常用的指标是千分位偏差值δ（‰）和丰度比值R（AT%）：

式中D为氢（H）的同位素氘（2H），R标准为国际标准样品，代号为SMOW。氚（3H或T）是氢的放射性同位素，半衰期T1/2=12.623年。氚起源于大气层和人工核实验，在高空生成后很快以HTO形式参与自然界水循环。在天然条件下，大气降水氚浓度约在10TU以上。这种含氚的降水进入地下水系统后，其氚浓度按照放射性衰变规律而减少，可根据测年数学模型推算地下水年龄，即：t=λlg（A0/At），t为地下水年龄，氚浓度At可通过取样进行测定，氚衰变常数λ为40.75，A0为初始氚浓度值，可采用距离最近的观测站资料值。

实际工作中，利用氚浓度定量计算地下水演化年龄的意义不大，常用对比参照法估测其年龄。即根据水样氚浓度测试结果，与前人研究成果进行比对，定性估计地下水的年龄范围，并分析其补给更新能力等特征。

3.2样品采集与测试

本次选择测试的同位素有D、18O和T三种。采取的水样包括黄河水、池塘水、主要含水层水样共11组。测试项目：氚浓度（TU）、δ2H/1H及丰度（AT%）、δ18O /16O及丰度（AT%）、TDS（电导率法测得的溶解性总固体含量）。测试结果如表4所示。其中：电导率与含盐量的对应关系为：1ms/cm×（0.55～0.7）=0.55～0.7g/L）。

表4　水化学氢氧环境同位素测试成果表

3.3δD和δ18O特征与分析

（1）绘制δD/δ18O关系图。本次采用的大气降水线方程式为：

δD=8.73δ18O+10

将上述11组样品的δD和δ18O的对应值（落点）分别绘制在δD与δ18O关系图上（见图9）。以大气降水线作为参考，在图上进行比较，当δD和δ18O落点十分接近或落在大气降水线上时，说明水样起源于大气降水；当δD和δ18O的落点越靠近大气降水线时，说明地下水中含有大气降水的比例越高，受大气降水补给条件越好；当δD和δ18O的落点偏离大气降水线越远时，说明地下水含有大气降水的比例越低，受大气降水补给条件越差。

图9　δ18O与δD关系图

（2）水样特征分析。总体来看，11组水样中溶解性总固体含量变化较大，在1.25～13.20ms/cm之间。水样中同位素分馏现象较为明显。δ18O变化范围为-10.08‰～-6.40‰，δD变化范围为-82.04‰～-56.64‰。根据TDS值和图2所示，分析认为：①黄河水样：TDS值1.25ms/cm，在水样中最低，δD值明显高于地下水。水样落点与大气降水线基本重合，充分说明并验证了水样主要起源于大气降水。②水塘水样：TDS值3.92ms/cm，高于黄河水，δD、δ18O值在水样中均为最高，水样落点距离大气降水线比黄河水稍远，二次蒸发强烈，存在少量地下水混合现象。③第Ⅶ含水层水样（S10孔）：TDS含量13.20ms/cm，为水样中最高值。水样落点偏离大气降水线最远，说明该含水层受大气降水补给条件最差，无水力联系。④第Ⅴ、第Ⅵ含水层水样（S6孔、S7孔）：TDS含量在7.05～7.21ms/cm之间。水样落点与大气降水线较远，地下水受大气降水补给条件微弱，基本无水力联系。⑤其它水样：TDS含量在6.37～7.51ms/ cm之间。水样落点较为接近大气降水线，含水层中含有大气降水的比例相对较高，存在一定的水力联系。

3.4氚浓度测试结果分析

经氚浓度测试结果表明，地表水体水样（黄河水、池塘水）氚浓度均大于14.01±3.38TU。其它含水层水样氚浓度明显较小，大多数小于3TU；对照前人研究成果（见表5），分析认为：

表5　建立在氚含量基础上的地下水的近似年龄

（1）地表水体年龄在5～10a以下，为典型的现代水，受大气降水和浅层地下水补给，水力联系密切，径流、排泄条件良好。

（2）大多数地下含水层氚浓度小于3TU。分析认为：地下水年龄较长，以50年前补给水为主，受到近期水微弱补给混合。含水层总体与上部现代水水力联系极差，地下水体封闭，径流滞缓、排泄条件差。

（3）个别水样（S2孔、S4孔）氚浓度（大于5TU）略微高于其它含水层。分析认为：含水层以50年前补给水和近期水混合为主，所取水样的第Ⅱ、第Ⅴ含水层含水层局部接受上部现代水补给，但补给条件总体微弱。

4　结论

（1）经定量测试和定性分析表明，该矿各主要含水层地下水化学组成与水质特征存在一定差异，但总体上阴离子以SO42-、Cl-为主，阳离子以Na+、Ca2+、Mg2+离子为主，水化学类型均为舒卡列夫B组。

（2）建立了各主要含水层水化学玫瑰图判别模型。通过实例验证表明，该方法直观、快速、准确、经济，可操作性强，可作为快速判别矿井出水水源的手段和方法之一。

（3）应用环境同位素分布特征，揭示了该矿含水层总体以50年前补给水为主，受现代水微弱补给，地下水体封闭，径流、排泄、更新条件较差。同时，稳定氢氧同位素与放射性氚两种方法间接反映的水文地质特征相一致。

［1］王大纯，张人权，等.水文地质学基础［M］.北京：地质出版社，2002.

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［3］任家国，武倩倩.水文地球化学基础［M］.北京：地质出版社，2014.

［4］陈从磊，姚多喜.地下水化学特征在岱河矿涌水水源判别中的应用［J］.中国煤炭地质，2012，（24）：35-37.

［5］桂和荣，陈陆望.矿区地下水水文地球化学演化与识别［M］.北京：地质出版社，2007.

TD742

A

1671-3818（2016）09-0009-04

毛兴军（1971-），男，宁夏人，1993年毕业于阜新矿业学院，高级工程师，主要从事煤田地质、水文地质工作。