（环境工程专业论文）基于污染动态特征的新集矿区矿井水处理方案研究.pdf

摘要 摘要 矿井水是煤矿开采过程中，从各种来源流入矿井的水的总称。矿井水的大量 排放，不仅污染了环境，而且对水资源相对缺乏的中国来说是一种严重的资源浪 费。 本文在对新集一矿、二矿矿井水采样分析的基础上，对涌水量与水质指标、 标型组分与标型组分、标型组分与微量元素之问进行相关性分析，同时对矿井水 进行主要污染指标的分布特征分析和超标概率分析，并结合新集现有的矿井水净 化处理工艺选择矿井水的深度处理工艺。 通过以上分析可以得出以下结论：新集矿井水为含悬浮物的高矿化度矿井水， 主要来源为含水层水；水中钾、钠主要以氯化物的形式存在；总硬度有随氯离子 和硫酸根离子浓度的增加而增加的趋势；钙离子、镁离子、钾钠离子、硫酸根离 子与总矿化度之间存在显著的相关性；铅、锌、铜与标型组分之间不存在显著的 相关性：铁与钙离子、镁离子、氯离子符合指数方程拟合；铬与钙离子、镁离子 的线性相关性比较显著，与氯离子的一元二次方程拟合效果比较好；镉与钾钠离 子、硫酸根离子的一元二次方程的相关性比较显著；如果将矿井水作为生活饮用 水，浊度、氯化物、矿化度1 0 0 超标，含铁量超标概率为8 5 7 1 ；如果将矿井 水作为锅炉给水，悬浮物含量和总硬度1 0 0 超标，含铁量的超标概率也为 8 5 7 1 ；基于超标概率分析，选择接触氧化法除铁比较合适，同时选择反渗透法 作为矿井水的深度处理。 图7 0 表2 2 参煎 关键词：矿井水：动念特征；污染物；处理方案 摘要 a b s t r a c t c o a lm m ew a t e r1 sa ut h ew a t e rt 王l a ti si n p o u r e di n t om em i n e sf r o me v e r w h e r ei n t l l ep r o c e s so f m i n i n g t h er e l e a s eo fu n t r e a t e dc o a lm i n ew a t e rw i t h o u tu t i l i z a t i o nw i l l n o to n l yp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t ，b u ta l s ow a s t em ew a t e rr e s o u r c ew h i c hi sn o t a b u n d a n tr e l a t i v e l yi no u rc o u n t r y o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fc o a lm i n ew a t e rf r o mt h ef i r s ta n dt h es e c o n dx i n j i c o a lm i n e s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec o r r e l a t i o n so fm eq u a n t i t ya n dt h ei n d e x e so f q u a l i t yo fc o a im i n ew a t e r ，t h er e l a t i v i t i e so ft y p o m o r p h i cc o m p o n e n t sa 1 1 dt r a c e e l e m e n t s ， a n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h et y p o m o r n h i c c m p o n e n t s ，a n a l y z e d t h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee x c e e d a n c ep r 0 1 ) a b i l i t i e so fp “n c i p a lp o l l u t i o n i n d e x e s ，a n dc h o o s e dt h et e c h n i c so fa d v a n c e dt r e a t m e n to fc o a lm i n ew a t e ro nt h e b a s i so f e x i s t i n gt e c h i c si nx i n j ic o a lm i n e a f t e rm ea n a l y s i sa b o v e ，t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e da sf o l l o w s ：x i n j ic o a lm i n e w a t e rc o n t a i n i n gs u s p e n d e ds u b s t a n c ea 1 1 dh i 曲s a l i n i t yw a sm a i n l yf r o ma q u i f e r ；k ， n ai nt h ew a t e rc h i e n ye x i s t e da sc h l o r i d e ；t o t a lh a r d n e s sh a dt h et r e n do fa c c r e t i o n w h e nt h ec o n c e n t r a t i o n so fc 1 a n ds 0 4 2 w e r ei n c r e a s e d ；t h ec o n c e n t r a t j o n so fc a 2 + ， m g h ，k 十+ n 矿，s 0 4 厶w e r er e l a t i v et ot h et d sm a r k e d l y ；t h er e la t i o n sb e t w e e np b ，z n ， c ua n dt y p o m o 印h i cc o m p o n e n t sw e r cn o tr e m a r k a b l e ；t l ee x p o n e n t i a ir e g r e s sw a 5 t h eb e s tm o d e lt op m v et h er e l a t i v i t i e so f f ea n dc a 2 + ，m 9 2 + ，c l 一，t h el i n e a rr e g r e s st o t h er e l a t i o n so f c ra i l dc a 2 + ，m 9 2 + ，t h eq u a d r a t i cr e g r e s st ot h ec ra 1 1 dc l ，a n da l s ot h e q u a d r a t i cr e g r e s st o t h ec da n dk _ + n a + ，s 0 4 2 。；t h ee x c e e d a n c e p r o b a b i l i t i e so f t u r b i d i t y ，c h l o r i d e ，t d sa n dt h ec o n c e n t r a t i o no ff ew e r e10 0 ，10 0 ，1o o a n d 8 5 7 1 w h e nt h ec o a lm i n ew a t e rw a sc o m p a r e dw i t hm es t a n d a r do f d r i n k i n gw a t e r ， a 1 1 dt h ee x c e e d a n c ep r o b a b i l i t i e so fs u s p e n d e ds u b s t a i l c e ，t o t a lh a r d n e s sa n dt h e c o n c e n t r a t i o no ff ew e r e10 0 ，10 0 ，8 5 71 计1 e nc o m p a r e dw i t hm es t a n d a r do f f 色e d w a t e rt ob o i l e r ；o nt h eb a s i so fe x c e e d a l l c ep r o b a b i l i t ya n a l y s i s c h o o s i n gc o n t a c t o x i d a t i o nt or e d u c et h ec o n c e n t r a t i o no ff ea n dt h er e v e r s eo s m o s i st ot r e a tt h ec o a l m i n ew a t e rf u n h e rw a sa p p r o p r i a t e f i g u r e7 0 t a b l e2 2 r e f e r e n c e ，堡3 k e yw o r d s ：c o a lm i n ew a t e r ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t a m i n a n t ，t r e a t m e n tm e a s u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得 塞邀堡王太堂一或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名乇刎参吻签字日期：玖务幽厮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理三太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徵理工大 堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名一拗害- 睇 签字日期：年6 月( 日 导师始、氓澎晋 签字日期：年翻f 6 日 引言 引言 水作为地球自然地理环境的基本要素以及一切生命新陈代谢和物质生产活动 不可缺少的介质和液体，是地球上一切生物赖以生存和发展的重要物质。当今人 类社会所面临的人口、资源、环境的危机问题，都和水资源的质量密切相关f i 】。 而我国是一个水资源十分匮乏的国家。我国多年平均水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ， 排在世界的第6 位，但是由于我国的人口众多，人均水资源占有量仅为2 4 0 0 多 m 3 ，是美国、加拿大的1 5 ，前苏联的1 7 ，世界人均占有量的l 4 还要低，排在 第8 4 位，是世界公认的1 3 个水资源匮乏的国家之一【2 】。 我国是一个煤炭生产大国，在1 9 9 2 年原煤产量就已经达到1 l 亿吨，居世界首 位【引。矿井水是在煤矿开采过程中破坏了地下水原始赋存状态，并产生了裂隙， 密切了各含水层之间的水力联系，通过大气降水和地表水渗透补给，使各种水沿 着原有的和新的裂隙渗入井下采掘空间形成的水【4 】。矿井水是煤炭生产过程中排 放量最多的废水。据1 9 9 3 年统计，我国国有重点煤矿年排矿井水约2 2 亿吨，平均 吨煤涌水量约4 0 吨，而且随着煤炭工业的发展，矿井水的排放量还将不断增多。 长期以来，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保护，极大地浪费了宝贵的水 资源。同时由于有些矿井水为高矿化度矿井水、或者为酸性水，还有的矿井水中 含有放射性元素等有毒有害污染物，这些矿井水未经处理直接外排既污染了环境， 又影响景观，甚至会破坏生态平衡【5 】。现在随着科学的发展和人们环境保护意识 的提高，对矿井水也已有了新的认识，开始将矿井水进行处理，并作为一种水资 源加以回用。对矿井水处理并回用是解决煤矿缺水和矿井水污染环境的最佳选择， 可以达到社会效益、环境效益和经济效益的统一。 矿井水资源化具有重要的意义。第一，从我国含煤地区的分布来看，北方地 区煤炭资源相当丰富，占全国总储量的4 5 ，但北方干旱少雨，水资源量只有全国 水资源总量的1 5 ，形成了富煤地区也是贫水地区的格局。据调查，目前全国9 6 个 国有重点煤矿中有7 1 缺水，其中严重缺水矿区占4 0 ，人均生活用水量不足 0 6 m 3 d ，只有正常用水指标的1 2 。尤其是近些年来，随着煤炭开采量的增加和矿 区经济的发展，生产和生活用水更趋紧张，以致影响了当地居民的正常生产和生 活。在我国北方地区，矿区能源开发与水资源紧张的矛盾已严重制约了煤矿工业 的发展，也制约了我国国民经济的总体发展。所以矿井水资源化是解决煤矿供水 严重短缺的最佳出路，具有明显的社会效益。 安徽理工大学硕士论文 第二，从煤炭资源的开发战略来看，综合利用矿井水也有着重要意义。我国 西部地区煤炭储量占全国煤炭资源总储量的1 3 ，但是西部地区是我国水资源严重 短缺的地区。随着煤炭发展战略向西北推进，煤炭缺水问题将曰益突出。只有综 合利用矿井水，充分保护有限的水资源，才能解决矿区的生产和生活用水。因此 矿井水资源的综合利用和保护，影响到煤炭工业的持续、稳定、协调的发展，直 接关系到我国煤炭资源的开发战略，是事关全局的基础工作。 第三，从经济效益来说，综合利用矿井水，保护水资源也具有它的生命力。 综合利用矿井水不仅本身具有很好的经济效益，还可以缓解因水资源短缺而造成 的生产上的不必要的损失。同时综合利用矿井水还可以极大限度地减少甚至消除 矿井水的不达标排放，可以免缴排污费和水资源损失费。 最后，矿井水资源化还可以缓解因矿井水污染导致的环境问题。煤矿矿井水 中含有各种各样的污染物。据全国煤矿矿井水水质调查资料表明，矿井水中普遍 含有以煤粉和岩粉形成的悬浮物以及可溶的无机盐类，一些矿井水中还含有有毒 和有害物质，以及放射性元素等。若未经过处理，直接外排，势必造成矿区周围 环境的污染。目前，我国地下水资源较紧缺，而矿区又需大量用水，这使得矿区 周围地下水供需失衡，水位大幅度下降。同时由于大量排放有害矿井水对土地和 水系造成直接的污染，不仅使土壤性质变差，而且危及农作物，影响人畜健康， 还造成地面裂隙、地面沉降、海水入侵等环境污染问题。 新集矿区位于淮南煤田南缘中段，矿区总排水量在1 5 0 0 m 3 m 左右，水量较大。 新集矿区地势平坦，水资源主要用于水产养殖和农田灌溉。矿井水自然排放，将 会污染周围的土壤，农作物和水产品，不仅对矿业生产者是一大浪费，而且对周 围居民的损失和潜在的危害也较大。第二，随着矿业生产的持续发展，井下生产、 选煤厂、电厂、地面生产的用水量逐渐增大；同时，由于至今矿区的生产和生活 用水主要来源于地下水，导致新集矿区的主要供水含水层的地下水位自矿井投产 以来已经下降了1 0 0 多米，由于地下水位降幅大并且降速快，使得矿区内许多供 水井的可使用期远远小于设计值，为了满足日益增长的用水需求，矿区每年需要 投入大量的资金用于打井和更新供水管网。因此，对新集矿区的矿井排出水进行 经济合理的处理并予以利用将具有十分明显的环境效益、经济效益和社会效益。 l 绪论 1 1 国内外矿井水处理现状 1 1 1 国内煤矿矿井水处理现状 1 绪论 据统计，我国煤矿矿井水主要来源于地表水体和地下水向井下采掘空间的涌 入。煤矿矿井水本身的水质主要受当地水文、地质、气候和地理等自然条件的影 响【6 j 。当矿井水流经采煤工作面时，将带入大量的煤粒、煤粉、岩粒、岩粉等悬 浮物；同时由于受到井下矿工的生产和生活活动的影响，矿井水中往往还含有一 定量的细菌；对于开采高硫煤层的矿井，由于煤层及其围岩中硫铁矿的氧化作用， 使矿井水呈现酸性和高铁性等。目前我国按照对环境影响以及作为生活饮用水水 源的可行性，习惯上将矿井水按水质类型特征分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、 高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有毒有害元素或放射性元素矿井水五类【7 】。不 同的矿井水采取不同的处理方法。 洁净矿井水水质中性，低浊度，低矿化度，有毒有害元素含量很低，基本符 合生活饮用水标准，进行消毒处理后可作为生活饮用水。 含悬浮物矿井水含有较多的煤粒、煤粉、岩粒、岩粉等悬浮物，多呈灰黑色， 混浊度比较高，p h 值呈中性，总硬度和矿化度并不高。目前国内对含悬浮矿井水 的处理有较成熟可行的经验，一般采用混凝、沉淀澄清( 或升浮) 以及过滤、消 毒等工序处理后，其出水水质即能达到综合排放标准，甚至生产使用和生活杂用 标准l 暑。1 们。处理含悬浮物矿井水的药剂很多，包括硫酸铝、硫酸铝钾、三氯化铝、 聚合氯化铝、硫酸亚铁、三氯化铁、聚合铁f l l 】、铝铁复合絮凝荆1 2 1 等。大量的实 验和实践结果表明，采用混凝剂聚合氯化铝( p a c ) 和絮凝剂聚丙烯酰胺( p a m ) 配合使用处理效果最好【1 3 1 4 l 。对于含悬浮物矿井水，煤炭科学研究总院杭州环境 保护研究所已设计出成熟的处理工艺并有大量的工程应用实例。 高矿化度矿井水是指含溶解态盐量大于1 0 0 0 m l 的矿井水。在我国，此类 矿井水的硬度也较高。我国的煤矿高矿化度矿井水的含盐量一般在1 0 0 0 3 0 0 0 m l 之间，少量矿井达4 0 0 0 m l 以上。对高矿化度矿井水的处理，除采用 给水净化传统工艺去除悬浮物和消毒外，其关键工序就是脱盐。降低矿井水含盐 量的方法主要有：化学法、热力法、膜分离法。离子交换法是化学脱盐的主要方 法，即利用阴阳离子交换剂去除水中的离子，以降低水的含盐量。这种方法用在 进水含盐量小于5 0 0 i i l g l 时比较经济。使用高温( 蒸馏) 和低温( 冷冻) 的处理 安徽理工大学硕士论文 过程属于热力法淡化。蒸馏法是对含盐水进行热力脱盐的有效方法，这种方法以 消耗热量为代价，一般适用于含盐量超过3 0 0 0 m g l 矿井水的处理。电渗析和反 渗透技术【l5 】属于膜分离方法，是我国目前苦咸水脱盐淡化处理的主要方法，尤其 是电渗析方法在我国煤矿系统已有不少应用实例和经验。如徐州矿务局张集煤矿 于1 9 8 8 年就采用电渗析技术作为脱盐工艺，建成一座日产淡水1 5 0 0 t 的煤矿高矿 化度矿井水淡化处理站，效益十分明显。1 9 8 9 年，姚桥煤矿采用反渗透脱赫技术 将高矿化度矿井水淡化成生活饮用水，除盐率达9 l ，除硬度率达9 6 7 ，最大 水回收率为5 0 。 酸性矿井水的水质特征为p h 值小于5 5 ，一般为3 3 5 之间，个别小于3 ， 总酸度高。酸性矿井水主要出现在开采高硫煤的矿井中，其成因与矿床开采过程 中使原来处于强还原环境的黄铁矿与矿井水及空气中的氧接触，经过一系列的氧 化、水解等反应生成硫酸的作用有关。目前国内酸性矿井水处理最常用的方法是 中和法，其基本原理是利用酸碱的中和反应达到降低酸度、升高p h 值的目的， 同时利用中和剂的某些组分去除酸性矿井水中的特定物质。考虑到价格的因素， 目前我国一般采用石灰石和石灰作为中和剂，将大理石、白云石、粉煤灰、煤矸 石、电石泥等作为中和剂用于酸性矿井水处理尚处于试验研究阶段【l6 】【i ”。用石灰 石作中和剂的处理工艺主要有中和滚筒法、升流式膨胀过滤中和法、曝气硫化床 处理法。石灰中和法是目前煤矿酸性水普遍采用的中和处理方法。如福建省永定 矿务局瓦窑坪煤矿就是用这种方法。它将氧化钙含量为6 7 8 1 的石灰制成含 活性氧化铝5 1 0 的石灰乳，加入中和氧化池中，同时进行充分地机械搅拌， 然后经过沉淀、过滤后，出水可达到排放标准。石灰石一石灰联合处理法是综合 石灰石和石灰两种处理工艺优点的一种方法。在第一阶段采用石灰石中和酸性矿 井水中的h + 离子，使酸性矿井水的p h 接近6 o ，然后投加石灰到p h 为8 左右， 进一步中和h + 离子，同时将f e ”氧化成f e 3 + ，抑制f e ”离子的水解。 1 1 2 国外煤矿矿井水处理现状 国外煤矿都把处理矿井水作为环境保护工作的重点，认为矿井排水是煤炭开 采中的一种伴生资源而不是负担，矿井水愈大，盈利愈多，经济效益也就愈大1 8 ，1 9 】。 据统计，美国早在8 0 年代初期，煤矿井下水的利用率就达到8 1 ，俄罗斯顿巴斯 矿区1 9 8 8 年矿井水利用率就己超过9 0 【2 0 1 。 俄罗斯对矿井水的处理技术及其利用的研究起步较早并且获得显著成果。俄 4 1 绪论 罗斯煤矿环保研究院研制了用压力气浮法净化矿井水，采用净化水部分循环工作 方式，循环水在压力箱中剩余压力作用下充满空气，较好地形成轻浮选剂。 俄罗斯采煤建井和劳动组织所研究的电絮凝法，是以直流电通过金属电极处 理矿井水，在电化学、电物理综合作用下，使矿井水杂质颗粒、水和微气泡形成 松散团粒，凝聚后漂浮在水面上，形成一层泡沫后用刮板排除。此法可使杂质团 粒的沉淀速度提高数倍，并对排除乳化于水中的石油产物和其它污染物有效。 俄罗斯煤矿环保研究院曾试验研究出一种供矿井水淡化处理的蒸馏装置，用 于含盐量超过5 9 l 的矿井水处理，其出水可供煤矿生活和生产使用，淡水成本为5 戈比吨。 捷尔诺夫斯克矿井建成的绝热式蒸发器，可将矿化度为7 8 0 0 9 0 0 0 m l 的含 盐量降至2 5 2 0 0 m g l ；波兰杰别尼斯卡矿井建成一套生产能力为1 0 0 m 3 h 的绝热 蒸发式淡化装置，可将原料水含盐量从1 0 0 l 降至1 0 0 m l 。1 2 l j 对酸性矿井水的处理，美国、英国、德国、加拿大、西班牙、南非、新西兰 等国研究较多2 2 2 3 1 ，提出了许多新方法和新工艺，有些国家已进行了工程应用。 美国m 凯特( 1 9 9 7 年) 提出了硫酸盐还原菌法；加拿大拉瓦尔大学的k 法陶斯 ( 1 9 9 7 ) 提出利用慢速释放丸剂形式施加杀菌剂，控制黄铁矿的氧化，从源头抑 制酸性矿井水的产生；美国俄亥俄大学的r u d i s e u ( 2 0 0 0 ) 研究中，利用管道烟 气脱硫副产物将废弃矿井与周围环境隔绝封闭起来，减少对环境的污染，这一方 法对处理废弃矿井的酸性矿井水问题具有显著的理论和实践意义【2 。 生物化学法处理含铁酸性矿井水是目前国内外研究比较活跃的处理方法，在 美国、日本等国已进行了实际应用。它是利用氧化亚铁硫杆菌在酸性条件下将水 中f e 2 + 氧化成f e 3 + ，然后再用石灰石进行中和处理，以实现酸性矿井水的中和及 除铁。1 9 7 6 年日本建成两座这种处理站。 2 0 世纪8 0 年代前后，美国和一些欧洲国家先后开展了采用人工湿地处理矿井 水的实验研究2 6 1 ，取得了一些可喜的成果，目前己逐步应用于生产，并收到了 良好的效果。此法具有投资省、运行费用低、易于管理等突出的优点【2 ”，起了人 们的极大兴趣。美国已经在煤矿系统建设了4 0 0 多座人工湿地处理系统【2 8 】。 世界上许多国家都对矿井水处理利用进行了深入的研究和实践，取得了很多 理论成果，并积累了许多丰富的经验。但是由于矿井水成份的复杂和地域的差异， 对矿井水的处理利用工艺应根据其水质特征和回用目的而定。 安徽理工大学硕士论文 1 2 本课题的思路、研究内容和技术路线 新集矿区矿井平均总排水量在1 5 0 0 m 3 l l 左右，但排水量的时变性特别明显。 此外，水质调查结果表明，矿井排出水的水质也是不稳定的。目前该矿区对矿井 水采用混凝一澄清一过滤一消毒处理工艺。处理工艺的设计是建立在平均排水量 和平均水质的基础上的，难以对水质水量的变化及时作出相应的改变。本研究改 变这种静态的处理方法，在了解矿区各充水含水层地下水的水质背景基础上，逐 月对矿井水采样，进行动态分析，统计分析矿井涌水量和水质指标及水质指标之 间的相关性，找出最大概率的污染物质，并选择最佳的处理工艺。这种动态的处 理方法，可以为新集矿井水处理提供一种更为经济合理的处理方案，并可以为其 他矿井的矿井水处理提供借鉴。 本研究的技术路线如图1 所示： 图l 研究技术路线 f i g 1f i a ws h e e tf o r t h e s e a r c h 6 2 新集一、二矿矿井水概述 2 1 新集矿区简介 2 新集一、二矿矿井水概述 新集矿区是国投新集能源股份有限公司投资开发及管理的矿区。矿区属地为 安徽省淮南、阜阳和毫州三市，东起淮河西岸及颍上陈桥断层，西至口孜集断层； 北起谢桥向斜轴或杨村集断层，南至颍风逆冲断层或寿县老人仓断层。矿区东西 长7 5 4 公里，南北宽2 7 至2 0 o 公里，面积约1 0 9 2 平方公里，资源储量1 0 1 6 亿吨。 新集集团现有3 对生产矿井、3 对在建矿井、l 对筹备矿井、4 对规划矿井、 2 座选煤厂、1 座煤矸石电厂、1 座在建煤矸石电厂、3 座规划坑口电厂，生产规 模8 5 0 万吨年。到2 0 1 2 年，新集集团将实现矿区年设计规模3 5 9 0 万吨，实际产 量达到5 0 0 0 万吨。 新集一矿和二矿位于淮南市风台县境内，分别于1 9 9 2 年和1 9 9 7 年投入生产， 是新集矿区目前两个最大的生产矿井，其商品煤生产能力分别为4 0 0 万吨年和 3 5 0 万吨年。新集一矿和二矿的井田分界线为新集勘探区的零号勘探线。 2 2 新集一、二矿的矿井水主要来源 新集一矿和二矿目前的矿井正常排水量均为7 0 0 m 3 h 左右，但随着今后矿井 向深部水平延伸以及解放部分浅部防水煤柱，矿井排水量有逐年上升的趋势。进 入新集矿区的水包括地面返供水、采空区水和含水层涌出水，其中，地面返供水 仅占矿井水的5 左右。 2 _ 3 新集一、二矿矿井充水含水层及其水质特征 新集一、二矿井田处于推覆体下缓倾斜单斜构造单元，二叠系煤层上覆新生 界松散层及推覆体下元古界片麻岩层、寒武系灰、泥岩层、部分奥陶系至石炭 二叠系地层( 呈楔形，矿区称“夹片”) ，下伏石炭系太原组及奥陶系地层。据此， 分析井田自上而下发育有新生界松散层孑l 隙含水组、下元古界片麻岩裂隙含水组、 寒武系灰岩溶隙含水组、“夹片”溶( 裂) 隙含水组、煤系砂岩裂隙含水组、太原组 灰岩溶隙含水组、奥陶系灰岩溶隙含水组，各含水层空间位置如图2 所示。 ( 1 ) 新生界松散层孔隙含水组 安徽理工大学硕士论文 图2 新集矿区含水层空间位置剖面示意图 f i g 2d i m e n s i o n a ls k e t c hs e c t i o no f x i n j id i g g i n g sa q u i f e r 本含水组共划分为三个含水层。第一含水层( i 含) 近地表1 0 m ，与地表水和 大气降水联系较密切，垂直渗透补给为主，属潜水型，局部具承压性，富水性中 等，水质良好。第二含水层( i i 含) 水位高峰值一般出现在每年7 1 0 月份，表明 与大气降水存在一定的联系。富水性中等，水质优，为矿区供水水源。第三含水 层( i i i 含) 富水性中等，全层富水性差异大。 新生界松散层孔隙含水组水质如表l 所示： 表1 新生界松散层孔隙含水组水质( 单位：m 班) t a b l elt h ep o m u sw a t e rq u a l i t yo f c n o z o i cu n c o n s o l i d a t e da q u i f e r ( u n i t ：m 叽) 8 2 新集一、二矿矿井水概述 该组水质较好，除新生界三含外，其他各含水层各项指标均符合生活饮用水 水质标准( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) 。 ( 2 ) 下元古界片麻岩裂隙含水组 本组分布于寿县老人仓断层与f 0 2 断层之间，近东西向呈狭长条带状覆盖于 井f 日南部的“兴片”地层和煤系地层之上。富水性弱且不均一，相对富水段多分 布在中上段，少数处于下段。下元古界片麻岩裂隙含水组水质指标如表2 所示： 表2 f 元古界片麻岩裂隙含水组水质( 单位：m g l ) 1 _ a b l e2t h ec r a c t u r ew a t e rq u a l i t yo fl o w e rp r o t e r o z o i cg n e i s s i ca q u i f e r ( u n i t ：m l ) 该组水质较差，氯化物、硫酸盐、总硬度含量较高，其中氯化物和总硬度含 量大大超过生活饮用水水质标准( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) ，不能作为生活饮用。 ( 3 ) 寒武系狄岩溶隙含水组 本组分布于阜风断层与f 0 2 断层之间，近东西向呈条带状覆盖于煤系地层之 上。富水性在平面上和垂向上具有明显的差异性。平面上，狄岩含量高的地段富 水性强；垂向上，总体顶部及中上部富水性较强，下部富水性较弱。寒武系石灰 岩溶隙含水组中地下水的水质指标如表3 所示： 9 安徽理工大学硕士论文 表3 寒武系灰岩溶隙含水组水质( 单位：m 舡) n 出k3t h ek a r s t i cw a t e rq u a l i t yo f c a i t l b r i a i ll i m e s t o n ea q u i f c r ( u n i t ：m g l ) 从上表可见，该组水质一般，氯化物含量较大，超过生活饮用水水质标准 ( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) ，总硬度和硫酸盐指标基本符合应用水水质标准。 ( 4 )“夹片”溶( 裂) 隙含水组 呈东西向不规则长条带状透镜体，分布在阜凤断层、寿县老人仓断层与下夹 片断层之间，直接覆盖于原地系统各煤层隐伏露头之上。富水性较弱且不均一， 局部地段富含水。“夹片”溶( 裂) 隙含水组水质指标如表4 所示： 表4 “夹片”溶( 裂) 隙含水组水质( 单位：m g ，l ) t a b l e4t h ec r a c n 】r e ( k a r s t i c ) w a t e rq u a l ；t yo f “h o r s e ”a q u i f e r ( u n i t ：m g ，l ) 2 新集一、二矿矿井水概述 该组含水层水质比较差，氯化物、硫酸盐、总硬度指标均大大超过生活饮用 水水质标准( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) ，为地下水质量分类指标( g b t 1 4 8 4 8 1 9 9 3 ) 中的劣 v 类地下水。 ( 5 ) 煤系砂岩裂隙含水组 井田主要可采煤层为1 3 1 、1 1 2 、8 、6 、1 煤。该含水组富水性较弱，多 以静储量为主，富水性及透水性等水文地质特征存在一定差异。煤系砂岩裂隙含 水组水质指标如表5 所示： 表5 煤系砂岩裂隙含水组水质( 单位：m g ，l ) t 曲1 e5t h ec r a c t u r cw a t e rq u a l i t yo f c o a lm e a s u r e ss a n d s t o n ea q u i f e r ( u n i t ：m l ) 该组水质一般，除氯化物含量超标外，硫酸盐和总硬度基本上符合生活饮用 水水质标准( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) 。 ( 6 ) 太原组灰岩溶隙含水组 本组厚约1 4 0 m ，由灰岩、泥岩、粉砂岩、砂岩和薄煤层组成。含灰岩1 0 1 3 层，平均总厚5 6 6 1 m ，其中c 3 3 、c 3 4 、c 3 1 2 层灰岩层位稳定且厚度大，c 3 1 2 富 水性大于上部c 3 3 、c 3 4 富水性。富水性中等但不均一，为区域内影响煤层开采、 特别是l 煤开采的主要含水层之一。该含水层组地下水的水质指标如表6 所示： 安徽理工大学硕士论文 表6 太原组灰岩溶隙含水组水质( 单位：m 班) t a b l e6t h ek a r s t i cw a t e rq u a l i t yo f t a i y u a nf o r i i l a t i o nl i m e s t o n ea q u i f e r ( u n i t ：m g ，l ) 水样取样层位 n a -c 1 。 s 0 4 2 h c 0 3 一c 0 3 2 。 总硬度 5 0 7 0 4 0 l 0 5 0 4 副检孔 l # 2 拌 太灰 太灰 太灰 太灰 太灰 太灰 7 6 7 0 8 9 6 6 5 3 6 8 0 5 3 2 6 1 3 2 8 0 o o 2 3 0 7 5 8 1 1 1 3 6 6 ，9 2 2 6 0 ，5 8 3 1 5 8 7 4 5 9 0 8 3 8 8 1 8 1 5 6 4 4 1 9 2 1 2 9 2 1 7 9 4 2 1 1 7 7 7 8 0 1 1 4 2 1 7 54 7 6 5 3 3 8 7 2 o o o 2 6 4 4 13 3 9 2 7 1 7 6 0o 0 0 2 7 1 5 42 4 0 0 2 8 9 8 50 0 0 4 9 5 7 2 3 5 1 8 3 1 0 9 2 7 3 8 2 4 7 5 6 2 4 0 4 8 3 水7 孔太灰 2 5 4 ，8 3 2 7 6 ，1 78 6 4 43 2 8 5 3o o o2 2 8 4 5 该含水组水质一般，氯化物含量部分满足生活饮用水水质标准 ( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) ，硫酸盐和总硬度基本上达到饮用水要求。 ( 7 ) 奥陶系灰岩溶隙含水组 据区域资料，灰岩厚约2 5 0 m ，上部溶隙较深部发育，但分布不均。富水性中 等丰富，区域强含水层，为太原组灰岩的直接补给水源。该含水组井田勘探资 料较少，不能对其水质特征作出评价。 2 3 实验分析与统计软件介绍 3 1 水分析实验 3 1 1 水样采集 3 实验分析与统计软件介绍 本研究从2 0 0 5 年3 月至1 2 月逐月对新集一、二矿采样进行水质分析，其中 一矿采样时间为5 月份、6 月份、7 月份、9 月份、1 0 月份、1 1 月份、1 2 月份， 共采7 个月的水样：二矿采样时间为3 月份、5 月份、6 月份、7 月份、9 月份、 1 0 月份、1 1 月份、1 2 月份，共采8 个月的水样。 3 1 2 水质分析 水样的简分析在安徽理工大学资源与环境工程系实验室进行，微量元素含量 由核工业北京地质研究院分析测试研究中心测试。简分析测试了碳酸根离子、碳 酸氢根离子、氯离子、硫酸根离子、钙离子、镁离子、钠钾离子、矿化度、总硬 度、p h 值、浊度、悬浮物含量：微量元素测试了镀、铝、铬、锰、铁、铜、锌、 银、镉、铅。 ( 1 ) c 0 3 、h c 0 3 和0 h 一的测定 方法提要：用盐酸标准溶液滴定水样，分别用酚酞指示剂和甲基橙指示剂， 根据两次滴定消耗盐酸标准溶液的体积，分别计算碳酸根离子和重碳酸根离子的 含量。 分析步骤： 取水样5 0 m 1 于2 5 0 m l 锥形瓶中，加入酚酞溶液( 1 ) 4 滴，如出现红色， 则用盐酸标准溶液( o 0 5 m o l l ) 滴定到溶液红色刚好消失，记录消耗盐酸的毫升 数( v 1 ) 。 继续加入甲基橙溶液( 0 0 5 ) 4 滴，用盐酸标准溶液( 0 0 5 m o l l ) 滴定 到溶液由黄色突变为橙色，记录盐酸标准溶液的消耗量( v 2 ) 。 当v l v 2 时，表明有o h 。和c 0 3 2 存在，无h c 0 3 一。此时 o h ( m 2 l ) ：丝! 必二坠! ! ! ! ：! ! 。l o o o( 3 1 ) 。 p c 0 3 2 。( m 班) = 坐型等坐堕1 0 0 0 ( 3 - 2 ) 当v l = v 2 时，表明有c 0 3 2 而无0 h 一和h c 0 3 存在。此时 安徽理工大学硕士论文 c o ，z 。( m l ) ：坐兰笔兰唑1 0 0 0 ( 3 _ 3 ) 当v l v 2 时，表明有c 0 3 2 。和h c 0 3 存在，没有0 h 。此时 c 0 3 2 - ( m 班) = 坐兰等型1 0 0 0 ( 3 - 4 ) h c 0 3 一( m g l ) = 尘兰：! ! ! 二二二：；i ! ：! 鱼! ! 旦三x1 0 0 0 ( 3 5 ) 当v 1 = 0 时，表明仅有h c 0 3 存在。则 h c 0 3 ( m l ) = 兰尘半l o o o ( 3 6 ) 当v 2 = 0 时，表明仅有o h 存在。则 o h 一( m g l ) ：丝! 竺! ! ! ：l o o o ( 3 7 ) 。 式中： m 盐酸标准溶液的摩尔浓度( m o l l ) ； v l 一第一次滴定消耗的盐酸标准溶液体积( m 1 ) ； v 2 一第二次滴定消耗的盐酸标准溶液体积( m 1 ) ； v 一所取水样的体积( m 1 ) 。 ( 2 ) c 1 的测定 方法提要：氯离子的测定采用方便易行的硝酸银容量法。硝酸银与氯化物作 用生成氯化银沉淀。当有多余的银离子存在时，则与铬酸钾指示剂反应，生成红 色铬酸银沉淀。根据硝酸银的消耗量可计算氯离子的含量。反应过程如下式所示： a 矿+ c l 。一a g c ( 白色) ( 3 8 ) 2 a g + + c r 0 4 2 一a 9 2 c r 0 4i ( 红褐色) ( 3 9 ) 分析步骤： 用移液管吸取5 0 m l 水样放入2 5 0 m l 锥形瓶中，加入铬酸钾溶液( 1 0 ) 1 0 滴，在不断振荡下用硝酸银标准溶液( o 0 5 m o l l ) 滴定至出现稳定的淡桔黄色 即为终点； 吸取蒸馏水5 0 m l 按上述步骤进行空白测定。 氯离子的含量可按下式计算： c l - ( m “l ) ：丝! 堡二竺! ! ! ! ：竺1 0 0 0 ( 3 1 0 ) 4 3 实验分析与统计软件介绍 式中： m 一硝酸银标准溶液的摩尔浓度( m g l ) ； v l 一滴定水样所消耗的a g n 0 3 标准溶液体积( m 1 ) ； v 2 空白试验所消耗的a g n 0 3 标准溶液体积( m 1 ) ； v 一所取水样的体积( m 1 ) 。 ( 3 ) 总硬度及c a 2 + 、m f + 的测定 方法提要：钙镁的测定广泛采用e d t a 容量法。在p h 1 2 的强碱性溶液中， 钙离子与指示剂( 酸性铬蓝k 等) 生成酒红色络合物，滴入e d t a 溶液后，e d t a 与c a 2 + 络合，生成无色络合物，当试液由酒红色变为指示剂本身的蓝色时，即为 滴定终点。根据所消耗的e d t a 体积可计算出钙的含量。镁离子在p h 1 2 的强 碱性溶液中生成氢氧化镁沉淀而不参与反应。镁可以用测定钙后的试液继续用 e d t a 容量法来测定。总硬度为钙镁之和。 分析步骤： 用移液管吸取5 0 m l 水样于2 5 0 m l 锥形瓶中，投入一小片刚果红试纸，滴 加盐酸溶液( 1 + 1 ) 至刚果红试纸由红变蓝； 将溶液加热煮沸1 。2 分钟，逐去二氧化碳； 待溶液冷却后，加入n a 0 h 溶液( 2 m o l l ) 2 m l ，再加入酸性铬蓝k 一萘 酚绿b 混合溶液2 3 滴，立即用e d l a 标准溶液( 0 0 1 m o l l ) 滴定至蓝色终点， 记录e d l a 溶液所用体积v i ( m 1 ) ； 在e d t a 滴定钙后的试液中，投入一小片刚果红试纸，逐滴加入盐酸溶 液( 1 + 1 ) 至刚果红试纸由红恰变蓝，摇匀： 加入氨性缓冲溶液( p h = 1 0 ) 5 m 1 ，用e d t a 标准溶液( o 0 1 m 0 1 l ) 滴定 至试液由酒红色变为不变的蓝色，即为滴定终点，记录e d t a 溶液所用体积v 2 ( m 1 ) 。 钙可由下式计算： c a 2 + ( m g l ) ：丝! 坚：! 旦：塑1 0 0 0( 3 1 1 ) 。 镁可由下式计算： m 孑+ ( m g l ) = 尘! ：学1 0 0 。 ( 3 一1 2 ) 总硬度可由下式计算： 总硬度( m g l ) = ( c a 2 + + m 9 2 + ) 5 0 ( 3 1 3 ) 安徽理工人学硕士论文 式中： m e d t a 标准溶液的摩尔浓度( m g l ) ； v 1 _ 一滴定钙时所消耗的e d t a 标准溶液的体积( m 1 ) ； v 2 一滴定镁时所消耗的e d t a 标准溶液的体积( m 1 ) ； v 一所取水样的体积( m 1 ) ； c a 2 + 、 m 矿+ 一分别为钙离子和镁离子的毫克当量数( m e q l ) 。 ( 4 ) s 0 4 2 的测定 方法提要：硫酸根离子的测定采用e d l a 容量法。在微酸性试液中加入过量 的氯化钡，使硫酸根定量地与钡离子生成硫酸钡沉淀 b a 2 + + s 0 4 2 一，b a s 0 4i ( 白色) ( 3 1 4 ) 当s 0 4 2 被等量地沉淀后，水样中剩余的b a 2 十在p h = 1 0 的条件下用e d t a 标 准溶液进行滴定 b a 2 + + h 2 y 2 - b a y 2 + 2h +k 稳= 1 0 7 7 8 ( 3 1 5 ) 滴定到终点时，从e d t a 消耗量及加入水样中的氯化钡溶液的含量可以计算 出s o a 2 。的含量。水样中所含的钙、镁离子在滴定的同时也消耗e d t a 溶液，在计 算s 0 a 2 。的含量时应加以校正。 分析步骤： 用移液管