阳泉市山底河流域酸性老窑水形成机制及其影响研究

摘要

我国煤炭资源丰富，开采方式以地下井工开采为主，由此产生的煤矿开采问题也相对较多，特别以煤矿开采后形成的采空区积水问题较为突出。在煤矿整合前后存在小煤窑开采、各种私采行为以及煤矿正常开采形成的采空区等地下空间，这些空间一般缺乏详细的开采资料，并且成为地下水的蓄积空间，地下水汇聚的过程中与煤层采空区经过各种物理化学作用以及微生物的参与等，逐渐形成酸性老窑水的特征。同时地下水不断汇聚水位升高导致形成的酸性老窑水在适当的位置形成出流点，排泄出的老窑水容易污染区域环境以及周边河流水系，对区域地下水也存在渗漏污染的风险。 本文以山西省阳泉市山底河流域为研究背景，通过收集资料、野外调查、室内实验、现场取样等手段对山底河流域酸性老窑水的形成进行分析研究。主要了解流域概况以及流域范围内的地质及水文地质条件、煤矿分布情况、煤质特征等，分析区域内煤矿整合及开采情况，明确煤矿采空区分布,评估计算流域内煤矿老空区的积水量大小。对酸性老窑水的形成条件进行分析，探究不同煤矿的积水成因；理清酸性老窑水的影响因素，对SO4-Ca·Mg型水的水化学变化特征进行分析。通过室内实验，对采集的黄铁矿、12号煤、15 号煤样品进行氧化溶解试验。对河流不同断面进行取样检测，分析其水质特征及污染情况；对山底河流域柳沟处酸性老窑水排泄点流经的耕地进行土壤样品检测，分析土壤特征及硫酸根离子分布规律。 通过计算结果可知各个煤矿的开采煤层均有不同程度的积水存在，其中最大的为牵牛山煤矿，而最小的为燕龛煤矿，积水面积最大达 2.45km2，最小为0.21km2，积水量最大达265.80万m3，最小为21.39万m3。 实验结果表明在固液比1:100、1:50、1:20的条件下，pH值随历时的延长而增大，Eh值和EC值随历时的延长而减小，无论以何种固液比进行反应，Fe2+浓度均高于Fe3+浓度，且各种形态的铁浓度均随着固液比呈现正相关。黄铁矿不同固液比 1:100、1:50、1:20 时 FeS2 反应速率分别为0.016524mg/h、0.025284 mg/h、0.048624 mg/h；12号煤不同固液比1:100、1:50、1:20时FeS2反应速率分别为0.004464mg/h、0.006408 mg/h、0.010464 mg/h；15 号煤不同固液比 1:100、1:50、1:20 时 FeS2 反应速率分别为0.001368mg/h、0.002376 mg/h、0.003192 mg/h。因此固液比越大，铁元素的释放速率越大，样品的含量影响反应的快慢，含量越大，接触面积相应增大，反应越快。 通过对比相同固液比不同材料情况，无论以何种固液比，pH值均是上升趋势，Eh整体下降，EC相对平缓下降。Fe2+、Fe3+以及总铁浓度均是黄铁矿最高，其次为 12号煤，最小为 15号煤。通过计算得知黄铁矿反应速率最大，12号煤次之，15号最小。由此可见样品中FeS2的含量影响反应速率及SO42-的浓度。 通过水质监测结果可知流域内未发生Cl-、CN-、挥发酚、As、Cr6+、Pb等污染，但其他指标都已受到不同程度的污染。其中超标的离子中，三价铁离子单项污染指数最低为1.2，最高为4253.3，而亚铁离子最低为14.3，最高为4546.7；硫酸根离子单项污染指数最低为2.5，最高为79.3。根据土样检测结果显示，耕地内 SO42-含量整体超高，Zn、Cl-、NO3-含量局部较高，其他离子及重金属含量均相对较低。分析AB和CD断面的SO42-浓度在水平和垂直方向的分布特征得到，由于扩散和吸附等原因，水平距离越远浓度越低，深度越大浓度越低。

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阳泉市山底河流域酸性老窑水形成机制及其影响研究（答辩后修改版 2018.6.5）