干湿循环次数对砂岩破碎岩石矿井水化学特征影响分析

王玉娇

（山西焦煤山煤国际豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041000）

受我国淘汰落后煤矿产能能源政策以及实际生产影响，2022 年我国废弃矿井的数量约为1.1×104处，预计2030 年数量可到达1.5×104[1]。据文献统计[2]，我国关闭矿井造成地下空间体量巨大，初步统计现有废弃矿井可利用地下空间体积可达156 亿m3左右，主要为采空区。国内外学者针对废弃矿井储水空间特点和特征开展了广泛的研究，其中利用废弃矿井采空区建设地下水库和抽水蓄能电站是最具代表性的利用模式[3-4]。

地下储水库运营期间，普遍存在库水频繁涨落引起的干湿循环劣化岩石效应，水岩作用是影响劣化效应的关键因素之一。水岩作用（Water Rock Interaction，简称“WRI”）可以根据物理、化学作用类型划分为水力作用和水化学作用，其中水化学作用是煤矿地下储水库储水介质劣化的重要原因。

水化学作用主要是煤系沉积岩内部微观组成沉积物矿物与矿井水之间所发生的复杂的溶解、水化、离子交换和溶蚀等多方面作用。由于这种化学作用使矿物趋于溶解的趋势，进而改变了煤系沉积岩的微观-亚宏观孔隙结构以及沉积矿物成分，使得煤系沉积岩的孔隙率增加，导致了宏观裂隙发生萌生、扩展、发育、交错等生长行为，最终诱发岩体的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、变形模量、内摩擦角等物理力学参数迅速劣化，威胁采空区上覆岩层的稳定性。考虑到煤矿地下水库的服役时间长，地下水对库体岩石的水化学作用不容忽视，亟需研究。

目前，国内外针对水-岩相互作用的研究主要集中在对水岩作用后的试样宏细观试验数据结果进行简单拟合，通过拟合函数关系得出岩样的各种力学参数随干湿循环次数、pH 值、水压力的劣化规律，而分析干湿作用导致岩体劣化机理方面的文献鲜有报道，特别是岩石的水化学作用机理尚不明确。干湿循环和化学溶液作用后的岩石，其内部晶体矿物会发生溶解，导致岩石多尺度孔隙结构发生变化，孔隙率增加，裂隙发生萌生、发育、扩展行为，是岩石宏观物理力学特性发生劣化的主要原因。

分析矿井水化学特征的演变规律是建设地下水库和抽水蓄能电站的基础研究[5-8]。目前，学者对煤矿垮落带破碎岩石与矿井水的相互作用机理开展了大量研究，却忽视了整个蓄-排水过程中对矿井水化学特征进行分析。为此，本文以山西吕梁豹子沟矿10203 工作面为工程背景，开展不同循环次数下破碎岩石水化学特征演化规律研究，为今后废弃矿井采空区建设地下抽水蓄能电站评价提供理论参考与借鉴。

1 矿井概况及水文地质特征

1.1 矿井概况

山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司位于山西省吕梁山南端，区内地形地势南北高、中部低，东高西低，最大相对比高556.5 m，沟谷纵横，风能资源丰富。按照计划，未来5 年内，将建设10 万kW 风力发电项目。豹子沟矿年生产能力0.9 Mt，主采煤层为9#、10#、11 煤层，平均埋深450 m，为极近距离煤层，开采方式采用联合开采，剩余可开采年限仅为9 a，矿井即将面临闭井。目前，矿井开采平均厚度为5.5 m，10203 工作面为目前回采工作面，顶板为11 m 中砂岩，底板为9 m 的泥岩、砂岩互层复合地层结构。顶板砂岩层单轴抗压强度25.3～38.5 MPa，裂隙发育，较完整～较破碎，地下水表现为潜水至弱承压水性质，呈弱碱性。

1.2 矿井水文地质特征

10203 工作面自地表初露地层至底板地层分别为第四系、新生界新近系、中生界三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系。9#、10#、11#煤层位于石炭系上统太原组，平均厚85.05 m。底板岩性主要由灰黑色泥岩、深灰色石灰岩组成，顶板主要为深灰～灰黑色粉砂岩、灰白～深灰色砂岩，致密块状，局部质不纯，含泥质，裂隙较发育，具有良好的含水空间。

豹子沟井田内地表水属黄河流域昕水河水系，地表水丰富，具备建设“上库为地表水库，下库为采空区”的天然水文地质条件。结合物探和《矿井安全手册》采空区积水量W 计算公式，如公式（1）所示，目前9#、10#、11#连采煤层存在15 处采空积水，平均积水量为9 292.67 m3，表明豹子沟煤矿具有建设抽水蓄能电站较大的潜力。图1 为豹子沟煤矿积水区域积水量统计。

式中：K为采空区充水系数，取0.3；F为采空区面积；M为煤层采高，采用平均值5.5 m；α为煤层倾角。

10203 工作面矿井水主要来源于顶板水，顶板钻液消耗量一般在0.1～15.00 m3/h，个别钻孔消耗量达35 m3/h，富水性中等。通过在实验室对顶板水水化学成分分析，矿井水中K++Na+、SO42-离子相较于其他离子含量高，K++Na+为49.08～54.05 mg/L，SO42-在71.56～78.15 mg/L，水化学类型为SO4-Na·Ca。

1.3 砂岩矿物特征

本文研究的抽水蓄能电站地下储水库为10203工作面采空区，故选取豹子沟10203 工作面回采巷道出露砂岩为破碎堆积体试样。取两组砂岩试件进行岩石的水理性、堆积密度试验，考虑到破碎砂岩为非连续介质，属于典型的堆积体，其堆积密度对于计算采空区储水系数特别重要。为了便于快速测试，随机选取同一粒径下一定质量的破碎砂岩岩块，将砂岩的块体装入铁质圆柱筒内，通过铁桶来测得破碎后的砂岩岩块的体积，再结合砂岩块石的总质量，计算得到砂岩试样堆积体的堆积密度。经计算，10203 工作面采空区砂岩堆积体的密度为2.43 g/cm3。经对砂岩岩块的其他物理特性检测，砂岩的自然含水率为1.95%，天然含水率为1.85%。通过实验室SEM 观察结果可知，砂岩微观尺度上具有典型的中-细粒砂状结构，呈块状构造分布。通过实验室XRD 矿物定性识别，其物相主要由石英、长石、岩屑、方解石、重矿物多种矿物组成，矿物碎屑颗粒的长轴粒径集中在0.03～0.7 mm 之间，其中0.03～0.25 mm 的矿物碎屑颗粒约占75%，0.25～0.7 mm 的矿物碎屑颗粒约占21%，矿物呈次棱角状交错分布，圆度值较低，颗粒互相咬合支撑，胶结面多为钙质胶结，结构整体较密实。

2 实验方法

10203 工作面砂岩经过干湿循环作用后，砂岩不同组分矿物在矿井水的作用下发生溶解行为，溶液中会出现浓度值大小不一的各种离子。因此，根据矿井水溶液中离子浓度的大小，可以间接反映砂岩矿物的水化学溶解程度与趋势。本文采用控制变量法，以干湿循环次数为自变量，溶液中阴、阳离子的浓度设置为因变量。本次离子测试实验采用的矿井水的体积一律为10 L。对每个阶段干湿循环后浸泡溶液的阳离子（Na++K+、Mg2+、Ca2+），阴离子（Cl-、SO42-、HCO3-+CO32-）浓度进行测试，将测得的矿井水待测离子浓度减去原溶液中的待测离子浓度，然后除以浸泡试件个数得到每个试件溶解贡献的离子浓度。

为研究不同干湿循环次数下破碎矸石的水化学特征，首先，利用分级筛将矿方收集的直接顶砂岩层破碎岩石进行逐级筛选，按照级配指数n为0.6进行配制，即粒径分为四组，分别为0～1.5 mm，1.5～3.0 mm，3.0～5.0 mm，5.0～8.0 mm，8.0～10.0 mm。各组试样的骨料质量占比如图2 所示。根据采集的矿井水离子浓度及pH 值检测结果，配制pH=10 的碱性浸泡液。

图2 砂岩破碎岩石级配指数0.6 骨料占比图

矿井水离子浓度检测方法采用化学滴定法，干湿循环次数设定5 组，分别为10 次、20 次、30 次、40 次、50 次。为了避免实验误差，每不同循环次数实验开展5 个实验组。

3 结果分析

3.1 离子浓度变化趋势

矿井水中离子浓度的变化是水岩作用的直接作用而表现出的结果。图3 为不同干湿循环次数下阴、阳离子浓度演变规律统计图。由图可知，随着循环次数的增大，不同离子浓度的变化趋势存在较显著的差异特征。其中，Na++K+、HCO3-、CO32-浓度变化趋势与循环次数呈正相关，Ca2+浓度变化趋势与循环次数呈负相关，其他离子浓度变化趋势不敏感。表明，干湿循环次数增大，砂岩中的石英、长石矿物晶体在碱水条件下水岩化学反应下，颗粒发生了溶解行为，逐渐析出了离子形态的K+、Na+、HCO3-、Ca2+，水岩作用进程加强；且在碱性条件下，由于OH-的存在，水中游离态的Ca2+会与砂岩表层的Na+发生阳离子交换行为，逐渐将砂岩表层的Na+置换，因此，矿井水中Na+浓度呈增高的趋势，Ca2+反之。化学反应方程如式（2）、式（3）所示。

图3 不同干湿循环次数下阳、阴离子浓度统计图

3.2 溶蚀量演变规律

砂岩的干湿循环过程是水岩作用以不断循环方式将砂岩矿物晶体不断地动态侵蚀过程。考虑到环境条件，即砂岩在每次干湿循环过程中浸泡时间、烘干试样的温度以及试样干燥状态相同，因此，客观评价由外界条件—干湿循环次数下砂岩矿物晶体溶解趋势对于理解水岩作用至关重要。

随着干湿循环次数的增加，矿井水对砂岩矿物晶体的溶解-侵蚀作用是逐步加重的，因此，在干湿循环作用下矿物晶体的溶解-侵蚀导致阴、阳离子浓度的增量是衡量干湿循环水岩作用效应的准确、合理表达。因此，本文在假定两者的关系是连续的基础上，设砂岩矿物溶解-侵蚀作用下阴、阳离子浓度的变化率为因变量，干湿循环次数n为自变量，建立溶液中阴、阳离子浓度与干湿循环次数的归一化函数表达式如表1 所示。

表1 矿物溶解归一化表达结果

溶液中阴、阳离子浓度与干湿循环次数的归一化函数导数R中ln（n）项的系数绝对值越大，表明其变化率就越大，离子浓度的增量越大。因此，干湿循环作用下砂岩矿物溶解-侵蚀的水岩作用程度通过每次循环的离子浓度的增量反映到各拟合表达式中，进一步地，定义ln（n）项的系数为干湿循环作用下矿物溶解-侵蚀系数Dc，其表达式如公式（4）所示。别为10、20、30、40、50 环境下的干湿循环砂岩矿物溶解-侵蚀系数Dc，并绘制归一化矿物溶解-侵蚀系数图，如图4 所示。

图4 归一化矿物溶解-侵蚀系数图

1）砂岩在干湿循环下，Na++K+的溶蚀系数最大，其次是HCO3-+CO32-，可知对钾长石和钠长石的溶解速率最大。

2）溶液中Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-的归一化溶解系数为负值，表明存在离子交换行为，结合砂岩组分特征，表明砂岩在干湿循环下黑云母和石英出现了显著的固化其他离子的离子交换行为。

根据干湿循环作用下矿物溶解-侵蚀系数表达式和表1 溶液中阴、阳离子浓度与干湿循环次数的归一化函数导数表达式，得到各参数在循环次数分

3.3 水化学类型演变趋势

水文地质学常用Piper 三线图揭示地下水水化学类型、污染物浓度指数随着外界条件变化的时空变化特征，其原理是通过水样取点与其所在的水化学分区半定量半定性地判断水化学类型和污染物浓度指数。本文将干湿循环后的矿井水化验结果的常规离子浓度录入Aquachem 的专业Piper 三线图插件中，自动生成离子分布特征图。

图5 呈现了不同干湿循环次数水岩作用下矿井水化学类型的演变规律。由图可知：1）随着干湿循环次数的增多，矿井水化学类型发生了显著的变化，由最初的SO4-Ca 逐渐转化为HCO3-Na 类型，弱酸根（HCO3-）毫克当量百分比超过强酸根离子（Cl-、SO42-）；2）通过对沉淀物的XRD 组分分析，随着循环次数的增多，砂岩中长石矿物溶解-沉淀效应增强；3）在干湿循环作用下，存在较显著阳离子交换行为和矿物溶解效应共同主导水化学类型转换，干湿循环次数对破碎砂岩水化学类型改变起到显著的促进作用，且这种促进作用随着循环次数的增大，呈先快速增大后趋于稳定的趋势。

图5 破碎岩石水化学特征演化Piper 图

4 结论

本文对不同干湿循环次数下破碎岩石矿井水离子浓度演变规律及水化学类型进行了初步分析，研究结论如下：

1）矿井水离子浓度演变规律随着干湿循环次数的增大呈现不一的特征，特别的是弱碱性矿井水的条件下，Na++K+、HCO3-、CO32-变化趋势较敏感，呈正相关的关系；

2）建立了砂岩矿物晶体溶解-侵蚀归一方程和矿物溶解-侵蚀系数方程，结果表明，随着干湿循环次数的增大，采空区破碎砂岩石英、长石与矿井水水岩作用趋势增强，被溶蚀趋势增大，Na++K+溶解-侵蚀系数呈正相关，Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-溶解-侵蚀系数呈负相关；

3）采用Piper 三线图法可以对不同循环次数下破碎岩石水化学特征演变规律进行半定量半定性分析，表明随着干湿循环次数的增大，存在较显著阳离子交换行为和矿物溶解效应共同主导水化学类型转换，干湿循环次数对破碎岩石水化学类型改变起促进作用，且这种促进作用随着循环次数的增大，呈先快速增大后趋于稳定的趋势；

4）建议在地下水库、抽水蓄能电站建设前期的设计水文地质评估阶段，应重点评估岩性、矿井水pH、循环次数对水化学类型的影响。