煤矿水害防治中的化探技术及方法

SO42-；③ 煤的燃烧产生大量SO2，与大气中的水汽结合形成含硫酸的降雨
→酸雨，从而使地下水中SO42-增加；④ 在我国能源消耗中，煤占70%以上 ，我国每年向大气排放的SO2已达1800×104t之多，因此，地下水中SO42-的
这一来源不容忽视。
一、基本理论
HCO3-，低矿化水的主要阴离子。
不同阳离子吸附能力的大小： H+＞Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+ 影响因素： （1）离子价愈高，离子半径愈大，则吸附能力也愈大（H+例 外）（2）地下水中某种离子的相对浓度愈大，交替吸附作用（置换岩土 所吸附的离子能力）也就愈强。（3）颗粒愈细，比表面积愈大，交替吸
附作用也就愈强；（4）粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用，在致
密的结晶岩中，实际不发生这种作用。
一、基本理论
混合作用 混合作用——成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者 都不相同的地下水这便是混合作用。
人类活动在地下水化学成分形成中的作用 污染地下水； 改变地下水的形成条件，水质发生变化。 过量开采地下水引起海水入侵，不合理灌溉引起次生盐渍化，使浅层水变 咸等；引淡补咸使地下水淡化。
三、不同水源的水化学特征
岩性特征与离子成分 砂岩含水层：K+、Na+、HCO3-为主要成分，PH值大于8.0。 石灰岩、白云岩分布区： HCO3-、Ca2+、Mg2+为主要成分。 含石膏的沉积岩区： SO42-、Ca2+较多。 酸性岩浆岩地区： 大多为HCO3—Na型水 煤系地层分布区与金属矿床分布区：硫化物氧化，多形
不易沉淀析出，是地下水中最稳定的离子；② Cl-含量随着矿化度增长而不断增
加，Cl-的含量常可用来说明地下水的矿化程度。
一、基本理论
SO42-，中等矿化度的地下水中，SO42-为主要阴离子。
ห้องสมุดไป่ตู้
来源： ① 含石膏（CaSO4·2H2O）或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；② 硫化物
的氧化。
注意：① 由于煤系地层常含有很多黄铁矿（硫铁矿），因此流经这类地层的 地下水往往以SO42-为主；② 金属硫化物矿床附近的地下水中常含有大量的
度越低，难溶离子的相对含量就越高
一、基本理论
浓缩作用产生条件：
气候：干旱半干旱；
地势：低平； 地下水位：埋藏浅； 为排泄区（从别处带来的盐分在排泄区集聚）
一、基本理论
脱碳酸作用
CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2 从水中逸出，这便是脱碳酸作用。
结果：① 地下水中HCO3-、Ca2+、Mg2+减少； ② 矿化度降低。
大气降水同位素组成变化解释
雨量效应：雨量越大， δ D、δ
18O越低（较低温度形成较大雨量）。
纬度效应：大气降水δ D、δ
18O随纬度升高而减少（一是纬度升高，年
平均气温降低；二是大气圈中水蒸汽大部分形成地纬度区） 高程效应：大气降水δ D、δ
18O随地形高程增高而减少（随地形增高，
18O与地面年平均气温呈线性递增关系（温度越高，分 18O）偏
馏作用越弱）；来自于第四纪冰期和间冰期寒冷气候条件下的大气降水入渗形
成的地下水稳定性同位素氘、氧同位素含量和氘过量参数都低于当地现代大气 降水。
雨量效应：雨量越大， δ D、δ
18O越低（较低温度形成较大雨量）。
一、基本理论
稳定同位素2H、18O
主要研究内容： 地下水化学成分的来源、时空分布特征及其演变规律； 地下水化学的形成作用及其影响因素； 化学元素在地下水中的迁移规律；
地下水中同位素成分的形成、分布及其水文地球化学应用；
地下水中污染组份的迁移、转化规律及污染的治理方法研究； 各种数学、物理及化学的研究方法在水文地球化学中的应用研究。
地下水中主要离子成分： Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+
Cl-：所有的天然水中都有氯化物的存在，主要出现在高矿化水中。
来源：① 来自沉积岩氯化物的溶解；② 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解； ③ 来自海水；④ 来自火山喷发物的溶滤；⑤ 人为污染。
特点：① Cl-不为植物及细菌所摄取，不被土粒表面所吸附，氯盐溶解度大，
成硫酸盐水
三、不同水源的水化学特征
气候对离子成分的影响 潮湿气候区：易溶组分溶滤带走，最终以难溶组分为主， 形成低矿化的重碳酸型水； 干旱气候下平原、盆地排泄区：由于盐分不断带来，水 分蒸发，盐分积累，最终形成高矿化的氯化物水。
有机成因：氮有机物经微生物分解→胺→水解生成氨→有氧存在分解亚硝 酸盐→氧化成硝酸盐。 微量（痕量）组分（元素），碘、溴、氟等； 胶体成分： Fe(OH)3、A1(OH)3及SO2。
有机体、卤代烃类、杀虫剂类；
微生物，细菌、真菌和藻类：氧化环境中存在硫细菌、铁细菌等；在还原 环境中存在脱硫酸细菌等；污染水中，有各种致病细菌。
力及与其它物质共存等无关，而仅与放射性同位素的种类有关，半衰期
12.43a， 3H在大气层中形成氚水后遍布整个大气圈，对现代环境水起着标 记作用，因此利用3H可以计算50a 以内的地下水年龄（50a以内的误差较小 ）。 应用：研究地下水的补给、排泄、径流条件，探索地下水的成因，确定径流
二、化探分析方法
水的流动状况：停滞的地下水，最终将失去溶解能力；流动的地下 水，经常保持较强的溶解能力。地下水的径流与交替强度是决定溶 滤作用强度的最活跃、最关键的因素。
一、基本理论
溶滤的时间阶段和空间差异性
次级可溶物 硫酸盐 难溶物碳酸盐和 硅酸盐类
初级可溶物NaCl
水携带走
水携带走
时间阶段性：一个地区经受溶滤作用越强烈，时间越长久，地 下水的矿化度越低，越是以难溶离子为其主要成分。 溶滤的空间差异性：气候越是潮湿多雨，地质构造的开启性越好， 岩层的导水能力越强，地形切割越强烈，地下径流与水交替越迅速， 岩层经受的溶滤便越充分，保留的易溶盐类便越贫乏，地下水的矿化
以是Na+,也可以是Ca2+
三、不同水源的水化学特征
矿化度与离子成分关系的解释 从地下水中常见盐类的溶解度表中可以看出：
氯盐溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐最小； 钙的硫酸盐，特别是钙、镁的碳酸盐，溶解度最小；
随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉 淀析出，矿化度继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出。 高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势
透（突）水水源快速识（判）别技术 示踪试验 同位素技术
三、不同水源的水化学特征
矿化度与离子成分 一般情况下，随着总矿化度的变化，地下水中占主要地 位的离子成分也随之发生变化； 低矿化水中，以HCO-3、Ca2+、Mg2+为主； 高矿化水中，以Cl-、Na+为主； 中等矿化地下水中，阴离子以SO2-4为主、主要阳离子可
影响溶滤的因素：
岩土中矿物盐类的溶解度：首先：NaCl迅速转入水中，SiO2很难
溶于水中。 岩土的空隙：空隙发育，溶滤作用强。 水的矿化度：低矿化水溶解能力强，而高矿化水溶解能力弱。 水中CO2、O2等气体成分：水中CO2含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐
的能力愈强。水中O2含量愈高，溶解硫化物的能力愈强。
温度降低）。可以确定地下水的补给来源和补给高程。
一、基本理论
稳定同位素2H、18O
应用：研究矿井地下水的形成、判断地下水补给来源、确定地下水补给带（
含水层的补给区或补给高度）、确定的混合水的混合比例和不同水体间水力 联系等，具有重要意义。 放射性同位素氚 基本原理：氚是氢的放射性同位素，具有衰变特征，其衰变速度与温度、压
Ca2+，是低矿化水中的主要阳离子。 来源：① 碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解；② 岩浆岩、变质岩中 含钙矿物的风化溶解。 Mg2+，来源及分布与Ca2+相近：① 含镁的碳酸盐类沉积岩（白云盐、泥灰 盐）；② 岩浆岩、变质岩中含镁矿物的风化溶解。
一、基本理论
地下水中的其它成分
次要离子，包括硝酸根、亚硝酸根、铵离子、铁离子等；
脱硫酸作用
在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌使SO42+还原为 H2S——脱硫酸作用。其反应方程式如下： SO42-+2C＋2H2O→H2S+2HCO3结果：①水中SO42+减少以至消失； ②HCO3-增加，pH值变大。
一、基本理论
阳离子交替吸附作用
岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地 下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分， 这便是—阳离子交替吸附作用
地下水的化学成份往往代表着其赋存地层的环境特征 特征离子含量 矿化度 水质类型
PH值
可以区分不同含水层地下水，从而识别井下涌（突）水
二、化探分析方法
主要通过水质化验、示踪试验等实（试）验方法，利用不同时 间、不同含水层的水质差异，确定突水水源和各含水层（水体） 之间的水力联系
水化学快速检测技术
煤矿水害防治中的化探技术及方法
中煤科工集团西安研究院 2013年10月
讲座提纲
一、基本理论
二、化探分析方法
三、不同水源的水化学特征
四、标准水样水化学资料档案的建立 五、突水水源判别方法 六、其他水文地质条件探查方法
一、基本理论
化探：即水文地球化学分析技术，研究地下水中化学组分的形成、分布
、迁移和富集规律及其在煤矿防治水技术实践中应用的一门学科
一、基本理论
矿化度：水的矿化度又叫做水的含盐量，是表示水中所含盐类的数量。由于水中的 各种盐类一般是以离子的形式存在，所以水的矿化度也可以表示为水中各种阳离子的 量和阴离子的量的和。一般用M表示。 总矿化度，又叫总溶解固体（total dissolved solid,简写TDS），指地下水中所含
一、基本理论
同位素基本理论—稳定同位素2H、18O
基本原理： 2H、18O是是氢和氧的稳定同位素，由于质量差异，在蒸发、凝结过程 中会产生同位素的分馏，即轻同位素优先蒸发，而重同位素优先凝结。由于同位素 分馏作用的结果，地下水中富集轻同位素1H、16O，而重同位素（ δ D、δ 小，使得各种天然水具有各自不同的同位素特征。 大气降水同位素组成变化解释 温度效应：降水δ D、δ
来源：① 含碳酸盐的沉积盐与变质岩（大理岩）；② 岩浆岩与变质岩地
区，HCO3-主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解。 Na+，高矿化水中的主要阳离子。 来源：① 沉积岩中岩盐及其它钠盐的溶解；② 海水；③ 岩浆岩和变质 岩地区含钠矿物的风化溶解；④ 酸性岩浆岩中大量含钠矿物。
K+，高矿化水中含量较多。
有的各种离子、分子与化合物的总量，以每公升中所含克数（g/L）表示。为了便于比
较不同地下水的矿化程度，习惯上以105度到110摄氏度时将水蒸干所得的干涸残余物 总量来表征总矿化度。 两者含义很接近，其差别是前者比后者大，其差值为HCO3—含量的一半。因为在水 蒸干过程中，重碳酸根含量的一半将转化为CO2气体而逸出。 但是，在不很严格的情况下，当水比较清净时，水中的有机物质含量比较少，有时
一、基本理论
地下水化学成分的形成作用
溶滤作用
浓缩作用 脱碳酸作用 脱硫酸作用 阳离子交替吸附作用 混合作用 人类活动
一、基本理论
溶滤作用
在水与岩土相互作用下形成，岩土中一部分物质转入地下水中。岩土失去 一部分可溶物质；地下水则补充了新的组分。 砂岩中长石的溶滤：
一、基本理论
来源与分布特点与Na+相近：① 含钾盐类沉积岩的溶解；② 岩浆岩、变质 岩中含钾矿物的风化溶解；在地壳中K与Na的含量相近，但在地下水中K+的 含量比Na+少得多。γ K/γ Na=1:9。
一、基本理论
地下水中含量较少原因：① K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云
母、蒙脱石、绢云母）；② 易为植物所摄取。
也用溶解固体的含量近似地表示水中的含盐量，即用水的总矿化度来表示水的矿化度
。
一、基本理论
地下水中主要气体成分
O2 、N2：地下水中的O2含量多说明地下水处于氧化环境； H2S 、甲烷（CH4）：地下水中出现H2S、CH4 ，说明处于还原的地球化学环境； CO2 ：主要来源于土壤，地下水中含CO2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强