（环境工程专业论文）煤矿酸性矿井水特征、机理实验及防治研究.pdf

摘要 摘要 在查阅国内外大量文献和对四台煤矿酸性矿井水( a m d ) 形成地质背景( 地 层、水文地质条件、煤中硫分含量特征) 分析基础上，研究该矿井酸性水的水化 学特征，并做了实验模拟分析，提出防治措施，其内容为：( 1 ) 酸性矿井水p h 值 在2 9 9 3 7 之间，水化学类型多为c a ，m g n a - s 0 4 型，具有低p h 值、高s o ? 、 高电导率、高硬度、高t d s 特征，运用主成分和聚类分析对水样数掘进行分类。 治理后其水质p h 值介于7 。0 8 7 9 5 之间，水化学类型为c a - m g s 0 4 ，具有高c a ”、 低f e ”特征；( 2 ) 为了研究产酸机理，采用间歇式反应器在不同条件下进行黄铁矿 氧化溶解反应实验，定时监测p h 、e h 和e c 的变化值，选择s 0 4 2 。为反应进程变 量，计算出黄铁矿氧化的反应速率，实验表明随着温度升高，有利于增加黄铁矿 氧化反应速率，同时温度的升高也加快了黄铁矿的溶解反应。反应结束后，测试 总铁和f e 2 + ，计算出f e 元素的溶出率和溶出速率，并得出反应后总铁的浓度小于 反应起始的f e 3 + 的结果；( 3 ) 最后针对四台煤矿酸性实际情况，结合国内、外防治 酸性矿井水研究方法，提出具体防治措施，为我国类似矿区酸性水的防治提供参 考。 图【3 5 】表【2 0 】参【5 8 】 关键词t 地质背景；酸性矿井水；黄铁矿；氧化溶解反应速率；防治措施 中图分类号；x 5 2 2 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nc o n s u l t i n gp l e n t yo fd o c u m e n t sa th o m ea n da b r o a d ，a n a l y z i n gt h e g e o l o g i cf o r m a t i v eb a c k g r o u n d ( f o r m a t i o n ，h y d r o g c o l o g i cc o n d i t i o n , s u l f u rc o n t e n t c h a r a c t e r i s t i c so fc o a l ) o nt h ea c i dm i n ed r a i n a g e ( a m d ) i ns i t a im i n e ，i n v e s t i g a t i n g h y d r o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so fa c i d w a t e ri nt h em i n i n ga r e a , a n dc a r r y i n go u tt h e s i m u l a t e de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i t sc o n t e n ti n c l u d e s ：( 1 ) p hv a l u e so fa c i dm i n e d r a i n a g ei nt h em i n ea r eb e t w e e n 2 9 9a n d3 7 h y d r o g e o l o g i ct y p e sc a nb ed e s c r i p ta s c a - m g - n a s 0 4 ，w h i c hh a sl o wp hv a l u e s ，h i g hs u l f a t ei r o n , h i g hc o n d u c t i v i t y , h i g h h a r d n e s sa n dh i g hc o n c e n t r a t i o no ft o t a ld i s s o l v e ds u b s t a n c e t h ew a t e rs a m p l e sa r e c l a s s i f i e db yp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n dc l u s t e ra n a l y s i s a f t e rt r e a t m e n to fa m d ，p h v a l u e so fw a t e rq u a l i t ya r eb e t w e e n7 0 8a n d7 9 5 h y d r o g e o l o g i et y p e sa r e c h a r a c t e r i z e db yc a - m r s 0 4 ，w h i c hh a sh i g hc a l c i u mi o na n dl o w e rf e r r i ci o n ；( 2 ) i n o r d e rt oa n a l y z ea c i d p r o d u c i n gm e c h a n i s m ，u s i n gt h eb a t c hr e a c t o rt oc a r r yo u tt h e o x i d i z e d d i s s o l u t i o ne x p e r i m e n ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，o b s e r v i n gt h ec h a n g e dt i m i n g p h ，e h ，e cv a l u e s ，s e l e c t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fs u l f a t ei o n s 船r e a c t i o np r o g r e s s v a r i a b l e ，t h e nc a l c u l a t i n gt h eo x i d i z e dr e a c t i o nr a t e so f p y r i t e ，t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e s t h a tr a i s i n gt e m p e r a t u r ec a l la c c e l e r a t et h eo x i d i z e dr e a c t i o nr a t e so fp y r i t e ，m e a n w h i l e i tc a l li m p r o v et h ed i s s o l u t i o no fp y r i t e w h e nt h er e a c t i o ni so v e r , t o t a lf ea n df e r r o u s i o na r em e a s u r e d ，t h e nc a l c u l a t i n gs o l u b i l i t ya n di t sr a t eo fi r o ne l e m e n t ，a n do b t a i n i n g t h er e s u l tt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so ft o t a lf ea r el e s st h a nt h ef e r r i ci o n sb e f o r et h e r e a c t i o n s ；( 3 ) e v e n t u a l l y , f o c u s i n go nt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no fa m d i ns i t a im i n ea n d b i n d i n gt h er e s e a r c hm e t h o d sa th o m ea n da b o a r dt op u tf o r w a r dp r e v e n t i v em e a s u r e s ， 嬲t op r o v i d et h ea d v i c e sf o rt h er e s e a r c ho na m di ns i m i l a rm i n ei no u rg o a n t r y f i g u r e 【3 5 】t a b l e 2 0 】r e f e r e n c e 5 8 】 k e y w o r d ：g e o l o g i cb a c k g r o u n d ；a c i dm i n ed r a i n a g e ；p y r i t e ：o x i d a t i o n - d i s s o l u t i o n r e a c t i o nr a t e ；p r e v e n t i n gm e t h o d c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 5 2 2 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 为获得塞徼堡王太堂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：瑟赶 日期：哆年6 月，占日 学位论文作者签名：强翻日期：丝：王年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留，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立 徵理工大堂。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。本人授权安徽理工大学 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) 学位论文作者签名：丽群签字日期：少一7 年z 月日 导师签名：孑争参喾 签字日期：弘7 年# 月，多日 l 绪论 1 绪论 酸性矿井水的分布很广，世界上的几个主要产煤国几乎都存在着严重的酸性 矿井水问题【l i 。美国东北部的宾夕法尼亚、俄亥俄、西弗吉尼亚、肯塔基以及西部 的科罗拉多、内华达州，英国的达拉默盆地，德国的鲁尔、劳济茨矿区，西班牙 的加力西亚地区，南非的m p u m a l a n g a 省，加拿大的不列颠哥伦比亚省、魁北克省 等，酸性矿井水问题尤为突出。煤矿酸性矿井水在我国分柿广泛，主要分布在陕、 晋、鲁和内蒙等北方省区以及川、桂、贵、浙、闽等南方省区。煤炭资源开采过 程中，煤层、围岩中的硫化矿物与氧气和水接触，在微生物的催化作用下，经过 一系列复杂的地球化学反应，能够产生酸性矿井水( a c i dm i n ed r a i n a g e ，a m d ) ， 由于酸性矿井水会对矿业生产、生态环境造成严重危害，因而近几十年来，这一 问题引起了众多学者的关注而得以深入的研究。 1 1 研究意义 a m d 的低p h 值和较高的矿化度特征，说明其有很强的溶解性和侵蚀性，这种 矿排废水能携带大量的重金属及有害化学物质进入环境。大量研究表明，煤中n g ， a s ，c d ，p b ，s b 等元素主要存在于黄铁矿中，这些有害元素随黄铁矿的氧化溶解 而被释放进入水体，破坏生态环境。目前，对a m d 的研究多集中在金属矿床、矿 尾等的酸性矿排水治理方面，而对含煤地层环境下产生的a m d 的水化学数据中所 蕴含的丰富环境地球化学信息的研究还不多。煤矿a m d 的化学特征在一定程度上 反映了相应地区的物质组成、主要水一岩反应和水中组分的相互作用等环境信息， 对这些信息的研究可了解煤矿a m d 的产生、变化过程及可能产生的环境效应，为 煤矿环境治理及模拟预测提供可靠依据。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 1 2 1 国内研究现状 我国煤矿区水体的检测大多限于常规水文地球化学指标，部分学者对淄博矿 区的酸性矿井水问题进行了初步分析，主要成果有：( 1 ) 张建立 2 1 等对淄博夏庄煤 矿矿井排水进行了水质分析，同时利用p h r e e q c 软件计算了水中主要矿物的饱 和指数，揭示了在酸性水的流动过程中，f e 、a l 等离子的变化趋势。( 2 ) 吴耀国、 沈照理、钟佐粲等口】针对淄博矿区的酸性矿井水问题通过数值模拟，认为该矿区酸 安徽理t 火学硕七论文 性矿井水的硫酸根源于黄铁矿氧化，钙，镁离子不是来自通常认为的方解石和白 云石，而是方解石和绿泥石。( 3 ) 钟佐桀、汤呜皋等【4 】在研究淄博矿区排水时，为 揭示地下水污染的原理，进行了现场土柱模拟，认为由于直接排放酸性、高s 0 4 2 离子、高硬度和较高矿化度( t d s ) 的矿坑水导致地表水体及地下水污染。 近几年一些学者对煤系黄铁矿进行了氧化溶解动力学试验研究和酸性矿井水 环境地球化学信息研究：( 1 ) 岳梅等1 5 】对不同煤系的黄铁矿样品进行了氧化溶解动 力学试验，研究表明，在模拟煤矿酸性水( p h i 2 ) 的环境下，煤系黄铁矿的氧化速 率随液相中f e 3 + 浓度的增加而增加，反应为f c ”浓度的一级反应；温度对黄铁矿氧 化反应速率有明显影响，温度每升高1 0 k ，反应速率平均增加约2 倍；不同黄铁 矿样品氧化溶解反应的活化能在5 0 k j m o l 以上，表明反应受表面反应的控制。( 2 ) 岳梅、赵峰华、任德贻【6 1 对煤矿酸性矿井水的水化学特点及其成因进行了研究， a m d 在一定的物质条件和环境条件下，只要条件适宜，不管是高硫煤还是低硫煤 均可产生酸性水；水中的s 0 2 与其e c 之间以及f e 3 + f c 2 + 比值与其e h 值走势具有 良好的一致性，水中微量元素及重金属来源较复杂，如n i 、c u 、c o 、z n 等来源 于黄铁矿的氧化溶解，但p b 、s r 等主要来自a m d 对煤系地层中煤及岩石中矿物 的淋滤作用。( 3 ) 岳梅i 7 1 实验室模拟酸性水环境下对煤中非均质黄铁矿进行氧化反 应，运用s e m 和x r d 等手段，发现反应产物中存在斯沃特曼矿物，并指出随着 反应时间的延长，斯沃特曼矿物逐渐向针铁矿转变。另外，鲍道亮1 8 1 通过研究永定 酸性矿井水的水质特征，初步探讨了a m d 的形成机理及预防措施，认为矿井水的 形成与煤层含硫量和采空区氧渗透条件有关；通过减源、减量、减时、提高设备 性能等四个方面进行预防或减轻其危害程度。 依据煤矿酸性矿井水水质特征，认为处理煤矿矿井水关键之一是中和及除铁 【9 】。胡文容、高廷耀呻1 利用曝气法处理酸性矿井水中的铁，认为曝气在中和及除铁 处理中具有重要的作用，气水比取4 0 是石灰石中和曝气过滤处理工艺流程的最佳 曝气量；现场和实验室表明，当酸性矿井水f e 2 + 含量7 0 0 m g l 时，处理后出水 总f e 含量o 5 m g l ；当f e ”含量 7 0 0 m g l 时，在回流部分沉淀池出水的条件 下，处理后出水总f e 含量o 5 m g l 。张燕秋掣i l j 用粉煤灰处理模拟矿井水的研 究中发现，含碱性氧化物并具有一定吸附特性的粉煤扶不仅可中和酸性废水，而 且对二价铁离子的去除率较好；在p h 值为3 0 和4 0 时，对二价铁离子的去除率 分别达9 5 7 和1 0 0 ，但当p h 值为2 0 时，去除率仅为1 2 9 ，粉煤灰对二价 铁离子的饱和去除率可达4 2 0 m g f e 2 + g 粉煤灰。由于经济、技术等诸多条件的限 制，我国治理酸性矿井水大多采用石灰、石灰石中和法，处理方法单一。 t 绪论 近年来不少学者对人工湿地、离子交换、生物处理等方法进行初步探讨，但 目前大多仍然停留于理论研究阶段，没有得到大范围的实际应用。兰叶青【l2 j 研究 有机盐膜抑制黄铁矿生物氧化，实验发现未包膜接菌淋洗收集液中除了c a 2 + 、n a + 和k + 离子外，其他各元素均高于包膜处理的几十倍，以s 0 4 2 。和f e ”的浓度最为突 出，这说明经过有机难溶盐包膜处理能有效抑制黄铁矿氧化，从而会降低酸性矿 井水的形成量和达到源头控制酸性矿井水污染的目的。 另外，我国尚不能对酸性矿井水的产生进行有效预测和预防，而根据国外经 验，在酸性矿井水产生后再进行被动处理，势必对环境造成一定的负面影响，且 治理费用数额巨大，增加矿山企业的经济负担。 1 2 2 国外研究现状 煤矿酸性矿井水所造成的环境破坏已成为美国东部阿巴拉契亚矿区最严重的 工业污染问题，由美国环保局( e p a ) 及各州政府赞助和支持，美国地质调查所( u s g s ) 和很多高校等科研机构进行了大量的相关研究。英国、德国、加拿大、西班牙、 南非、新西兰等国也根据本国不同的煤田地质背景，对由煤炭开采引起的环境污 染问题，尤其是酸性矿井水问题，从不同的角度进行了深入研究。目前公开发表 的论文有数百篇，出版了几部专著和会议论文集。研究成果主要体现在以下几个 方面： ( 1 ) 硫化物矿物的氧化过程及影响因素 酸性矿井水的产生是由硫化物矿物( 主要是黄铁矿) 氧化而引起的，因此，国外 的学者对硫化物矿物，特别是黄铁矿的氧化机制进行了研究。具有代表性的如 s i n g e r t b l 等人于1 9 7 0 年在科学杂志上发表的题为酸性矿井水：决定速率的 因素论文。比较著名的专著宾夕法尼亚煤矿排水的预测和污染防治 1 4 10 他 们详细探讨了脱硫微生物、碳酸盐类矿物、氧气扩散速率等影响黄铁矿氧化的因 素。相关的研究成果还反映在1 9 9 2 年由著名的美国化学学会地球化学分会组织的 第2 0 4 届国家会议，会议主题是“硫化物氧化的环境地球化学”1 9 9 4 年美国化学学 会又精选部分论文予以出版。 ( 2 ) 酸性矿井水的地球化学演化过程 酸性矿井水在形成和运移过程中，不断与周围环境进行水一岩相互作用。酸 性矿井水中的各种组分，有些来源于煤中的各种矿物，也有部分来自于水与围岩 相互作用的产物。因此研究水一岩相互作用，对确定酸性水组分的来源，进一步 预防酸性水的发生，具有重要的指导意义。 安徽理r = 大学硕十论文 目前已有学者尝试利用稀土元素( r e e ) 及放射性同位素s r 的示踪作用，来测 定和量化围岩对酸性矿井水组分的影响i ”】。 近年来，随着水文地球化学模拟软件的发展，利用该类程序模拟的方法己成 为全世界水文地球化学研究的最重要手段之一，许多学者也应用其模拟和预测酸 性矿井水的发生和衰减过程。如，m a y o 1 6 使用u s g s 开发的模拟程序n e t p a t h ， 对煤矿顶板落水、矿物之间的可能溶质质量迁移反应进行了模拟计算，确定了酸 性矿井水形成过程中的反应，辨别出矿井水中总固体溶解的来源。k a n g 等1 1 7 】通过 p h r e e q c 计算饱和指数( s i ) 时，指出酸性矿井水中p h 与s i 之间存在正相关关 系，即p h 值越小，方解石和白云石的饱和指数越小，理论上具有溶解的可能性。 a m yc b e r g e r t 埔】针对美国p e c o s 矿产生的酸性矿井水，初步建立了一个酸性水自然 衰减的反应模型，模型显示，在该矿区，对p h 值变化起主要控制作用的是含有石 灰石围岩与酸性水之间的反应；污染物的衰减主要通过两条不同路径：a 1 、c u 、 f e 、p b 直接从水中沉淀出来，而z n ，m g 、m n 、s 0 4 2 - 浓度的降低主要是由于稀释 的原因。 ( 3 ) 酸性矿井水及沉淀物的化学与矿物学组成特征 随着近年来实验手段和测试技术的飞速发展，仪器中子活化( i n a a ) 、等离子 体质谱( i c p m s ) 、电子探针( e p m a ) 、x 射线衍射( x r d ) 、等离子体发射光谱 ( i c p a e s ) 等分析方法的大量使用，使得在研究酸性矿井水中有害元素的存在形 式，以及沉淀物的化学和矿物学组成特征方面取得了丰硕的成果。德国学者m u r a d 和s c h w e r t m a r m 1 9 1 在研究酸性矿井水中结晶度差的沉淀物的矿物学特征时，运用配 有步扫描和计算机拟合数据的x 射线衍射技术、傅立叶转化红外光谱、穆斯鲍尔 谱技术以及选择性化学分离技术，发现了一种铁的含氧硫酸盐矿物，这一矿物已 被“国际矿物学会新矿物和矿物名称委员会”承认为一种新的矿物，并命名为 “s c h w e r t m a n n i t e ”，这是一个重要的创新成果。围绕这一新的矿物，许多学者进行 了相关研究。y a e y o u n g 等【2 0 】利用x r d 和e p m a 分析技术，及其对有害离子的去 除作用；s w e d l u n d t 2 1 1 在实验的基础上，通过模拟计算，准确预测了s c h w e r t m a n n i t e 对c u 和z n 的吸附作用：m o n t e r r o s 0 1 2 2 1 指出在酸性矿井水中，s c h w e r t m a n n i t e 是控 制f e 和其他元素活度的主要固相物质。 ( 4 ) 酸性矿井水及其有害元素的环境效应 由于酸性矿井水未经处理会对环境造成严重危害，因此，有关酸性矿井水及 有害元素的环境效应也是研究的热点之一。酸性矿井水通常含有大量的重金属， 这些重金属有可能在生物体内富集，通过食物链对人体健康造成潜在威胁。所以， i 绪论 酸性矿井水对鱼类、藻类、浮游生物、植物的影响引起了研究者的关注。如， e a m a y s 2 3 】指出，在人工建造的处理酸性矿井水的湿地中，m n 、z n 、c u 、n i 、c r 等元素在植物体内大量富集。w i n t e r b o u m f 2 4 l 对新西兰的几处受酸性矿井水影晌的 水体研究发现，丝状藻、苔藓植物和无脊椎动物体内的a 1 、f e 等金属元素严重超 标，危害了当地的生态环境。l i e s lh i l l 和s e b s t i a nj o o s t e i ”j 通过分析沉淀物和酸性 矿井水水样以及毒理性试验。认为对于很多物种来说，化学物质能够直接从沉淀 物中进入生物体内，重金属在相当大的程度上增强了水体的毒性。 1 2 3 存在问题 酸性矿井水及其有害元素造成的环境影响已成为目前关注的热点，但关于酸 性水的深入研究，还存在一些薄弱内容，即： ( 1 ) 酸性矿井水的形成机制研究，体现在影响黄铁矿氧化的因素如时间、温度、 细菌、氧逸度等以及酸性水中有害元素释放过程。 ( 2 ) 建立酸性矿井水及有害元素的地球化学演化模型，预测和预防酸性矿井水 的产生。 ( 3 ) 酸性矿井水引起的生念环境效应问题研究。 ( 4 ) 研究处理酸性矿井水的新技术、新工艺。 i 3 研究内容及研究路线 l - 3 1 研究内容 本研究在国家自然科学基金( 项目编号：4 0 5 7 2 0 9 3 ) 资助下，以山西省大同市 四台煤矿为研究地点，通过对四台煤矿的地质背景条件，包括地层岩性与构造条 件、矿井水文地质特征、地下水补给、径流、排泄特征以及影响地下水动态因素， 对治理前后的四台酸性矿井水水化学特征、煤系黄铁矿氧化溶解动力学实验以及 酸性矿井水的防治进行初步研究，研究的主要内容如下： 1 酸性矿井水形成背景 系统分析了水文地质条件，收集了历年来四台煤矿地区的大气降水量以及流 经矿区地表水( 十星河) 的资料，分析大气降水与矿井涌水量之间内在联系，为 研究酸性矿井水的形成条件提供基础资料。 2 四台煤矿矿井水水化学特征分析 在分析酸性水的形成地质背景基础上，调查其分布范围，测试四台煤矿酸性矿 安徽理t 大学硕士论文 井水水样指标并分析酸性矿井水水化学类型，运用主成分和聚类分析方法评价水 质指标，与非酸性矿井水水质指标进行对比。 3 酸性水形成及机理实验 在弄清酸性水形成基础上，利用四台煤矿煤层层位采集煤系黄铁矿样品，预 处理样品后将样品磨至2 0 0 目后过筛后，在模拟酸性水条件下，进行黄铁矿氧化 溶解实验研究，分析p h 、e h 及e c 的变化趋势，揭示其变化趋势与哪些因素有关， 并且讨论影响黄铁矿氧化反应速率的条件；选择反应体系中的s 0 4 2 。为黄铁矿样品 氧化的反应进程变量，分析温度对样品氧化速率的影响。 4 滤液测试 对反应后的残余液体进行测试，进一步阐述黄铁矿氧化溶解反应的机理，利 用邻菲哕啉紫外分光光度计法测试滤液中f e 元素含量，并对比反应前后f e 元素 的变化，分析产生变化的原因；分析影响酸性水元素释放特性因素，并计算黄铁 矿样品中f e 元素的溶出率以及溶出速率。 5 酸性矿井水防治 针对酸性矿井水的危害分析，初步探讨酸性矿井水的预防、防治以及修复方 法。结合目前四台矿酸性水实际情况，提出具体防治酸性水措施。 一 1 3 2 研究路线 通过对国内外相关文献的查阅、四台矿基础资料搜集，采集了野外酸性水的 样品并在室内进行测试分析，并对井下的煤中黄铁矿样品进行测试与处理，然后 进行酸性水模拟机理实验，确定煤系黄铁矿氧化反应速率，分析影响黄铁矿氧化 反应因素，并针对四台矿存在酸性水问题，提出防治措施。 开展本项工作的研究路线见图1 。 1 绪论 调研与查阅文献 ，一。，一 收集资辩 丫一。 野外采样及现场分析， 一一，一， 室内样品分析 。t 。 实验数据处理与结果分析 t 煤系黄铁矿氧化溶解实验 一r 一一 实验结果分析研究 t 提出矿井求防治措施 图l 研究路线图 f i g 1r e s e a r c hr o u t e - 7 - 安徽理1 = 大学硕十论文 2 i 自然地理条件 2 四台矿区水文地质条件 四台矿区位于山西省大同市西2 7 k i n ( 如图2 所示) ，井用位于山西省黄土高原 北部，平均海拔1 3 5 0 m ，井田的地貌属丘陵地带，大多为黄土所覆盖，冲沟切割 较深，多呈v ”字型贯穿于井田，形成网状羽列其间。由于地形的影响，本区为关 外寒流的必经之路，所以气候干燥寒冷，风沙较大，属大陆性气候，早晚温度低， 中午高，尤其夏季变化更大。每年温度最高在7 8 月份，平均3 4 5 ，最高温度 3 7 7 ；年最低温度在1 2 月至翌年1 月，为零下2 9 ，7 、8 、9 月为雨季。其它 月份降雨较少，历年平均降雨量3 5 6 m m ，冬季降雪量3 7 5 0 7i n l n ，平均3 0r a i n ( 见表1 ) ，蒸发量一般大于降水量3 4 倍，多年平均为2 0 3 8 9i t i i t i ，年相对湿度 为5 4 ，冰冻期自1 0 月中旬至翌年4 月下旬，冻结深度1 5 1 6 m ，冬季长达半。 年，本区多为北风和西北风，风速最大2 2 7 m s 。年平均3m s 左右。 图2 大同四台煤矿位置 f i g 2l o c a t i o no f s i t a im i n ei nd a t o n gc i t y - 8 ! 婴鱼! 垦坐奎丝堕垒! ：! = 表l 四台煤矿年大气降水量 单位：m m t 曲1a t m o s p h e r i cp r e c i p i t a t i o no f e v e r yy e a ri ns i t a im i n e u n i t ：m m 年1 月 2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月 9 月1 0 月1 1 月1 2 月全年 9 9 33 940 6 12 31 1 93 1 86 6 32 5 62 81 8 8 01 9 4 2 1 9 9 4 03 40 37 83 2 73 8 6 2 91 5 9 03 41 4 92 23 73 2 83 1 9 9 5 0 1 9 9 60 047i i 51 0 3 11 6 8 9 1 1 6 61 2 2 01 7 70 00 55 5 1 3 01 1 41 3 75 23 8 51 6 4 i8 7 01 4 56 2 0 8 7 0 0 4 0 5 1 9 9 7 0 4 2 27 7 2 95 55 48 7 02 7 43 7 76 05 31 3 2 8 6 9 9 9 82 , 85 41 5 58 7 32 9 5 3 2 23 6 06 7 02 9 00 00 0 003 0 4 7 9 9 90050 54 9 1 56 3 64 1 09 0 01 2 ，00 00 0 2 7 6 1 2 0 0 01 2 10 4i1 33 22 52 3 64 4 3 9 2 72 7 69 , 35 1012 5 4 7 2 0 0 1003 6i 521 6 55 8 0 7 0 05 3 14 3 01 0 03 , 02 6 0 7 十里河发源于左云县曹家堡，横穿四台井田中部，自西向东流入桑干河，为季 节性河流，穿越本区长度为6 8 k m 。河床断面为“s ”形，一般流量为0 5 2 0 m 3 s ， 洪汛期多集中于7 8 月份，冬季河水结冰，河床冰封至翌年3 4 月间，十里河 动态变化如表2 所示。 表2 十里河动态观测 单位：m 3 s t a b 2r e g i m eo b s e r v a t i o ni ns h i l ir i v e r u n i t ：m 3 s 年l f j2 月3 月4 f i5 f j 6 f j7 y 8 f j9 b1 0 月i i f l1 2 月 1 9 9 30 2 8 60 3 9 8 04 6 70 1 2 90 1 20 1 2 701 3 3o 2 3 9o 3 0 40 3 8 8 0 2 0 80 1 8 1 9 9 402 6 405 3 91 8 5 40 4 2 30 ，1 2 1 0 2 3 40 2 0 30 1 6 80 2 9 80 2 9 60 1 1 50 1 1 9 1 9 9 50 1 1 50 1 3 90 , 1 9 60 1 7 60 1 3 90 1 1 9 0 1 8 70 4 0 62 1 7 60 4 4 70 3 8o 2 9 1 1 9 9 60 0 8 8o 1 3 0 1 8o 2 10 2 5 l0 2 4 9i 1 4 4i 2 8 61 0 3 90 9 7 403 9 4 0 3 1 9 9 70 3 2 8o 3 2 30 2 5 30 3 4 - 902 4 10 2 0 9 1 i1 7i 0 8 30 1 6 40 0 9 80 4 1 303 3 3 1 9 9 8 03 1 4 o 2 8 9o 6 3 70 5 9 61 2 40 7 9o 6 50 4 10 3 30 6 7 0 3 80 1 5 1 9 9 9 0 2 5o 1 8 o 0 80 0 90 0 5o 0 ，1 90 50 3 10 1 10 ，1 3 00 8 2 0 0 000 7结冰结冰断流0 0 3 0 1 40 1 35 3 0o 0 90 1 30 0 9 20 1 2 2 0 0 1 结冰结冰 i ，4 10 , 6 50 5 50 4 6 2 6 41 , 8 60 0 8 6 o 1 1 0 1 3 结冰 一9 安徽理：1 ：人学硕十论文 2 2 地层与构造 2 2 1 地层岩性 井田内赋存的地层从老到新为：太古界的集宁群；古生界的寒武系、石炭系、 二叠系、中生界的侏罗系、白垩系；新生界的第四系。具体地层岩性如下所示： 1 太古界集宁群( a r j n ) ：厚度巨大，主要由棕红紫红肉红色花岗片麻岩、 角闪片麻岩和黑云母片麻岩等组成。其上部6 m 多为古风化壳产物。 2 寒武系中统毛庄组( e 2 m ) - 一本组厚度为1 7 1 2 4 m 。岩性主要为深灰色、灰 色厚层状灰岩、竹叶状灰岩和鲕状灰岩，有溶洞发育。与下伏太古界集宁群呈角 度不整合接触。 3 寒武系中统徐庄组( e 2 x ) ：井田内南厚北薄，一般厚度为6 8 3 2 m ，在十里 河以北地区厚度4 4 0 3 2 2 3 m 。岩性主要为紫红色泥岩、砂质泥岩夹薄层铝质泥 岩，与下伏毛庄组整合接触 4 石炭系中统本溪组( c 2 b ) ：井用内南厚北薄，在十里河以北地区尖灭，以 南地区平均厚度为2 2 1 5 m ，最大厚度达3 3 m 。岩性以灰白、灰褐色中细砂岩和粉 砂岩为主，胶结良好，质地坚硬：下部夹1 2 层灰褐色灰岩( k l 标志层) ；底部 为灰、绿、紫色鲕状粘土岩和铝土质页岩。与下伏徐庄组平行不整合接触。 5 石炭系上统太原组( c 3 t ) ：井田内南厚北薄，在十里河以北地区缺失，在 河南一般厚6 6 8 9 m ，最大厚度可达8 4 7 7 m 。是大同煤田煤系之一，由灰色、深灰 色砂岩、砾岩、粉砂岩以及灰黑色页岩或炭质页岩组成，胶结良好，质地坚硬， 层理清楚；一般含煤1 0 层，煤层总厚度约为7 6 m ，其中可采煤层2 4 层，矿、 5 4 、矿、8 4 煤层稳定，矿、1 0 4 煤层结构复杂，不稳定；基底为一层灰白色砂砾岩( k 2 标志层) 。与下伏本溪组整合接触。 6 二叠系下统山西组( p l s h ) ：井田内南厚北薄，在十里河以北地区缺失，在 河南最大厚度可达9 5 m ，一般厚5 7 1 9 m 。岩性为灰白、灰黄色砂岩和粉砂岩，胶 结良好，质地坚硬，层理清楚；含煤1 3 层，4 ”煤层可采；基底为一层灰白色中 粗砂岩或砾岩( k 3 标志层) 。与下伏太原组整合接触。 7 侏罗系下统永定庄组( j l y ) ：井田内南厚北薄，本组在十里河以北地区厚 度为2 2 5 6 5 5 9 m ，在河南最大厚度可达1 2 8 7 6 m ，全井田平均为5 3 8 9 m 。岩性 由灰白、紫红、狄褐、狄绿色砂质泥岩、粗砂岩、细砂岩和粉砂岩组成，下部胶 结较好，上部较疏松，发育交错层理。与下伏地层角度不整合接触。 2 四台矿区水文地质条件 8 侏罗系中统大同组( j 2 d ) ：是本井田的主要含煤岩系，厚度1 0 3 8 5 2 2 4 ，4 0 m ，平均1 8 6 3 0 m ，井田内有南厚北薄的趋势。岩性为灰白、浅灰色粗砂岩、 中砂岩，深灰色细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及煤层，砂岩分选较好，胶结坚固， 岩系中发育水平层理、波状层理和斜层理；底部为一层厚度变化较大的灰白色含 砾粗砂岩( k l l 标志层) 。与下伏永定庄组平行不整合接触。 井田内本组含煤2 l 层，可以对比的1 5 层，总厚度1 5 5 4 m ，含煤系数8 3 。 达到可采厚度的1 2 层，分布较稳定、全井田大部分可采的7 层，局部可采的5 层， 不可采的3 层。就全井田来说，其特点是煤层层位比较稳定，但厚度变化较大。 在井田西北部，左云组自北西向南东超覆，本组煤系地层遭到剥蚀，最上部 煤层剥蚀边界大致在4 0 4 4 1 钻孔、4 2 4 5 2 钻孔和4 2 4 6 1 、4 4 4 6 2 钻孔一带，底部1 5 4 煤层剥蚀边界最井田之外，剥蚀坡度约3 0 0 4 0 0 。界外，白垩系直接覆盖于寒武 系之上。 9 侏罗系中统云岗组( j 2 y ) ：出露于十里河两侧的低山顶部，厚度不全。与 下伏大同组呈假整合接触。 井田内该组地层分为两段： 1 ) 青磁窑段( h y q ) ：根据岩性可称为灰白色砂岩组。地层厚度o 1 1 2 9 4 m ， 平均为8 2 m 。主要分布在井田东、南一带，以灰白灰黄色粗砂岩为主，中上部 夹有青灰色砂质泥岩，底部为一层厚度不均的灰白色厚层石英质砂砾岩( k 2 l 标志 层) ，局部与下伏2 4 煤层直接接触。与下伏大同组呈假整合接触。 2 ) 石窟段( j 2 y s ) ：根掘岩性可称为杂色砂岩组。地层厚度0 9 8 m ，平均约 5 0 m 。主要分布在井田南部，岩性为紫红色、灰绿色砂岩、粉砂岩及砂质页岩等， 与下伏地层整合接触。 1 0 白垩系下统左云组( k l z ) ：出露于井田西部、北部，愈往西北厚度愈大。 地层厚度为0 2 0 4 4 m ，平均约8 5 m 。岩性以杂色砾岩、紫红色砂质泥岩、粗砂岩 等组成，砾石成分为片麻岩、灰岩、砂岩、泥岩、玄武岩、石英、燧石等；上部 胶结疏松，下部胶结坚硬，并有喷发岩流、玄武岩及不稳定的薄层淡水灰岩出露。 与下伏地层呈角度不整合接触。 1 1 自垩系上统助马堡组( k 2 z ) ：沿沟谷零星出露于井田北部施加哇、张大 窑、刘中和、蔡家窑、马家村一带，地层厚度不祥。岩性为米黄色、灰黄色砂岩、 含砾粗砂岩，紫红色泥岩、砂质泥岩等组成。与下伏地层整合接触。 1 2 第四系上更新统马兰组( 0 3 m ) ：全井田分布、地层厚度0 3 0 m ，平均约 为1 4 m 。与下伏不同时期的老地层呈不整合接触。为灰黄、浅黄、黄褐色亚粘土， 安徽理r 大学硕十论文 土质疏松，偶见钙质结核，夹砂砾石透镜体，具明显的垂直节理，属风成黄土。 底部与基岩接触处，往往有一层不连续的红色粘土，厚度约2 3 m 。 1 3 第四系全新统( q 4 ) ：出露于井田十里河河床及较大的沟谷中，堆积松散， 构成河床、河漫及i 级阶地，一般地层厚度为l o m 。岩性主要为次生黄土及冲积砂 砾层，卵石层、碎石等，在河漫滩阶地多为细砂和淤泥。 2 2 2 构造条件 1 区域地质构造 大同煤田是一不对称向斜构造。向斜轴走向大致为4 0 0 。西北翼宽缓，东南翼 急剧翘起，其边缘构成口泉山脉。 四台井田处于大同向斜北西翼( 见图3 ) ，呈一单斜构造。伴有次级小型褶皱。 地层总体走向北东，倾向南东，倾角小于1 0 。经过1 0 年的开采，揭露落差i m 以 上的断层1 2 4 余条，冲刷1 5 条，陷落柱3 3 个，反映出四台井田地质构造较复杂。 图3 四台井田构造纲要图 f i g 3t h et e c t o n i co u t l i n eg r a p h ym i n ef i e l di ns i t a im i n e 2 四台矿区水文地质条件 2 井田构造 1 ) 褶皱 井田内褶皱构造从煤层底板等高线来看，较明显的有4 个，分别简述如下： ( 1 ) 陶沟背斜：位于井田东侧，十里河以北，背斜轴起自4 6 4 4 1 号钻孔。经 4 6 4 4 2 号孔、4 5 4 2 1 号孔，全长2 6 0 0 m ，背斜轴向3 0 0 ，两翼倾角5 0 左右，为一对 称背斜。 ( 2 ) 田草沟向斜：位于4 0 2 盘区东部，十里河以北，枢纽约在4 5 4 3 4 号孔 4 5 4 4 4 号孔一带，轴向3 0 0 5 0 0 , 4 0 2 辅2 盘区田草沟向斜北西翼揭露一条落差2 3 m 的断层，东南翼揭露一条落差3 2 m 断层，两条断层之间还有很多派生断层，断层 之间煤层比较平缓：4 0 2 辅1 盘区分布的田草沟向斜一般无较大型地质构造，向斜 j e 西翼煤岩层倾角较大，在7 0 1 6 。之间，东南翼煤层平缓在6 0 左右。1 1 层8 2 0 6 、 8 2 0 4 面布置在向斜北西翼，8 2 0 0 面布置在向斜枢纽两侧。其宽度大约为1 0 0 0 m ， 在井田内发育长度2 1 0 0 米左右。它主要由原生沉积基底及后期两条落差分别为 3 2 m ，2 3 m 的正断层相对断裂所形成的，故田草沟向斜又可更名为田草沟地堑。 ( 3 ) 杨树湾向斜：位于3 0 3 盘区1 0 3 石门南部，十里河以北，轴向约7 0 。，北 起4 2 4 2 1 ，南到4 2 4 2 4 钻孔，延伸约1 2 0 0 m ，两翼煤岩层倾角较大，南翼倾角1 0 0 2 5 0 ，北翼倾角l o o 左右，南翼揭露一条落差1 2 m 的断层，北翼揭露一条落差1 l m 的断层，揭露位置分别在3 0 3 盘区1 4 。层盘区辅助巷和8 3 0 5 面，对巷道掘进及工 作面回采影响很大。 ( 4 ) 小村向斜：位于井田南部，十里河以南，向斜轴南起4 3 3 5 2 号钻孔，经 4 2 3 6 1 、4 1 3 7 2 、4 1 3 8 2 号孔，延伸至4 2 3 9 4 号孔，呈半月形，延长约4 0 0 0 m ，南端 轴向约3 2 5 m ，向北转为n n e 向，北端被陷落柱和窑沟断层截断，两翼倾角l o 6 0 。 3 井田内主要断裂构造、断层特征、延伸情况 断裂构造主要发育三大组，均呈n e 向展布，现分述如下： 1 )井田北部断裂：分布在3 0 7 盘区、4 0 6 盘区，断裂带发育有近5 0 条落差 1 0 m 以上的断层，落差1 0 m 以下未作统计；1 1 个陷落柱，但陷落程度不大。 2 )井f r 中部断裂：分布在4 0 2 盘区北部，4 0 4 盘区南部、3 0 3 盘区南部，断 裂带发育有近3 1 条落差1 0 以上的断层，落差1 0 m 以下未作统计；1 5 个陷落柱， 且柱体范围较大，特别是4 0 2 盘区揭露的陷落柱陷落范围均很大，最小的长轴在 4 0 m ，大的长轴在3 5 0 m 以上。 3 )井田南部断裂：主要分布在井田十里河以南，南盘区南部，现正在开拓。 勘探期间查明有一条落差1 0 m 以上的窑沟断层及陷落范围3 5 0 m 以上的陷落柱l 个，根据对地方小煤矿开采的调查，发育有很多断层。 4 断层、陷落柱、冲刷般性规律 断层主要的正断层( 断层走向及倾向见图4 和图5 ) i 走向为s n 、n n e 、n e 、 n - n w 、n w , 沿横向，垂向上落差变化快，断层主要分布在3