煤矿酸性矿井水中有害元素的迁移特性

利用电感耦合等离子质谱（ICP-MS）、离子色谱（IC）和X射线衍射（XRD）等方法研究了马兰煤矿酸性矿井水及其沉淀物的化学成分和物相组成，并通过吸附解吸实验和PHREEQC水化学模拟计算研究了典型酸性矿井水样品中Pb，Th，U，Be，Zn，Ni，Co，Cd，Cu，As，Cr，V，Ba等有害元素的迁移特性.研究表明：① 煤矿酸性矿井水中SO^2-₄，Fe，Mn，Al，Pb，Th，U，Be，Zn，Ni，Co，Cu等离子含量较高，对环境存在潜在危害；② 酸性矿井水中有害元素的迁移主要受pH，Fe-Al-Mn含量和水体颗粒物矿物组成的控制；③ Fe，Al和Mn的含量随pH上升而迅速下降，并控制着Pb，Th，U，Be，Zn，Ni，Co，Cu等潜在有害微量离子的迁移行为； ④ 各离子随pH上升被去除的先后顺序为: Th>Fe>Pb >Cr>Al>Cu>Be>U>Zn>As>Cd>Mn>Co>Ni>Ba；⑤ 酸性矿井水中V不能够随pH的升高而去除，反而会有更多的V溶解在水中.     

重庆西部干旱区煤矿矿井水水质综合评价

为了提高重庆西部干旱区煤矿矿井水综合利用水平,缓解该区居民用水严重短缺状况,必须对该区的矿井水水质进行综合评价研究。利用Aq.QA水化学软件和模糊综合评价法对重庆西部干旱地区煤矿矿井水、矿区饮用水和水库水体的水质特征进行了综合评价,并结合煤矿地层特点对矿井水水质成因进行了分析。研究结果表明:91%的矿井水水化学类型为Cl-Na型,矿区饮用水和水库水样均为SO4-Ca型;矿井水中共有9个离子超过国家生活饮用水标准的限制,其中Cl-,Na+和Fe离子超标情况最为严重;矿井水中较高含量的Fe离子来自须家河组地层内菱铁矿结核的溶解,而严重超标的Cl-和Na+可能来自于须家河组地层部分地段岩盐的溶解;10个V级水质的矿井水包括4个微咸水、3个咸水和1个盐水水样,2个矿区饮用水为Ⅲ级水质淡水,2个水库水样和广顺县城饮用水为I级水质;模糊综合评价法能够准确评价不同类型的水体,且能揭示每个水体的主控污染因子,但无法对矿化度大于1 000 mg/L的水体进行深度评价。     

煤矿酸性矿井水及其沉积物的地球化学性质

选择山西省西山煤电股份有限公司马兰煤矿和大同煤矿集团公司四台煤矿为研究区，利用IC，ICP—MS，XRD，XRF和粒度分析仪等分析测试仪器，并结合水文地球化学模拟软件PHREEQCI，对酸性矿井水及其沉积物的地球化学性质进行了详细分析．研究结果表明，酸性矿井水具有较低的pH，较高的Fe和SO4^-浓度，并含有多种重金属元素；PHREEQCI软件模拟计算发现酸性矿井水中金属的结合形态主要为Me^n＋和MeSO4^n-2；酸性矿井水沉淀物的矿物组成主要受酸性矿井水的pH，Fe和SO4^2-浓度的控制，并以针铁矿等含铁矿物为主，在国内首次发现了Schwertmannite矿物。     

煤系黄铁矿氧化溶解地球化学动力学研究

对不同煤系的黄铁矿样品进行了氧化溶解动力学实验.研究表明，在模拟煤矿酸性水（pH≈2）的环境下，煤系黄铁矿的氧化速率随液相中Fe³⁺浓度的增加而增加，反应为Fe³⁺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10 K，氧化速率平均增加约2倍.不同黄铁矿样品氧化溶解反应的活化能在50 kJ/mol以上，表明反应受表面反应的控制.不同来源煤系黄铁矿样品所含的杂质种类和含量不同，可能是造成其抗风化能力差异的重要因素，反映在其反应速率以及对温度的敏感程度，但反应机理基本一致.     

煤系岩石产酸潜力的索氏淋滤实验评价

为了准确评价非均质性较强含煤岩系样品的产酸潜力,采用索氏淋滤实验方法对山西省西山煤田石炭二叠纪含煤岩系岩石样品的产酸潜力进行了评价,建立了煤系岩石产酸潜力的索氏淋滤实验评价方法.结果表明:1)淋出液pH值小于7、(Ca+Mg+Mn)/SO24-累积摩尔比小于1的样品被评价为产酸样品,反之被评价为不产酸样品.据此将西山煤田的泥岩、砂岩和菱铁矿等3个样品评价为不产酸样品(淋出液pH>8,(Ca+Mg+Mn)/SO24-累积摩尔比1.99～2.91),2个非均质黄铁矿样品评价为强产酸样品(淋出液pH<3.4,(Ca+Mg+Mn)/SO24-累积摩尔比0.08～0.58);2)基于淋出液SO24-浓度计算的2个非均质黄铁矿样品产酸速率分别为177.1mM[SO24-]/(kg.d)和291.8mM[SO24-]/(kg.d);基于淋出液(Ca+Mg+Mn)浓度计算的砂岩、泥岩和非均质菱铁矿样品酸中和速率为10.73～68.77mM[Ca+Mg+Mn]/(kg.d);3)产酸样品淋出液中SO24-离子累积质量浓度为507～1 681mg/L,Fe离子累积质量浓度为135～753mg/L;不产酸样品淋出液中SO24-离子累积质量浓度小于140mg/L,Fe离子累积质量浓度小于1.2mg/L;4)不产酸样品淋出液的S/Fe摩尔比大于66,2个产酸非均质黄铁矿样品淋出液的S/Fe摩尔比为0.95～3.2;5)样品淋滤过程中产生了赤铁矿、石膏和硬石膏等次生矿物相.     

辛置煤矿复杂灰岩含水层的模糊综合判别法

本文通过对辛置煤矿52个矿井水水质的系统研究,总结了辛置煤矿3个复杂灰岩含水层的水化学特征,并利用改进的模糊综合判别法对辛置煤矿3个灰岩含水层的水样进行了判别研究。研究结果表明:辛置煤矿石炭系太原组K;灰岩含水层水化学特征明显,其判别依据为SO₄-Na型,且水样的y_ca/Y_so4,比值均小于0.5;由于地质构造复杂、地层岩性不均一和地下水径流条件多变,造成石炭系太原组K,灰岩含水层和奥陶系峰峰组O,f灰岩含水层的水质参数相互重叠,无法通过常规水化学方法进行有效判别。本研究采用常量离子当量浓度百分比、Y_caYa和Y_MgYa作为模糊综合判别模型中的判别因子,取代传统判别法中利用常量离子质量浓度作为判别因子,将水化学机理与模糊数学原理有机融合,使模糊综合判别法的准确度由原来的75%提高至96.2%。     

煤矿酸性水中稀土元素的分布模式及影响因素

通过对山西省两个不同矿区的酸性矿井水、沉积物、围岩以及煤样中的稀土元素(REE)含量的测定,并结合吸附解吸实验和地球化学模拟软件(PHREEQC),研究了酸性矿井水中REE的分布模式及其主要的影响因素.研究表明:1)酸性矿井水中REE的含量很高,且呈典型的中稀土元素(MREE)富集模式分布;2)酸性水中的REE主要来源于围岩和黄铁矿的酸淋滤,而煤中REE的丰度相对较低;3)pH是影响酸性矿井水中REE含量及其分布模式最重要的因素;4)随着酸性矿井水pH的升高,Mn的氢氧化物沉淀对REE的含量影响最大,并且含铁沉积物优先吸附重稀土元素和中稀土元素;5)酸性矿井水中的REEs主要络合种类为REE(SO4)+(52.8%～79.4%),其次为REE(SO4)2-和REE3+.     

辛置煤矿主要含水层的自由排水柱淋滤实验与水岩作用机理

辛置煤矿石炭系太原组K_2灰岩含水层与奥陶系峰峰组O_2f灰岩含水层水质参数相互重叠,利用传统的判别方法无法对这两个水源进行有效判别。为了解决辛置煤矿水源判别的问题,并揭示该矿4个主要含水层的水岩相互作用机理,对辛置煤矿4个主要含水层的岩芯样品进行自由排水柱淋滤实验。研究结果表明:①岩芯样品含有非矿物相的硫酸盐,4个主要含水层地层同样也含有硫酸盐和石膏矿物,造成淋滤液和灰岩含水层水样均富含硫酸根离子;②K_8,K_3,K_2和O_2岩芯淋滤液中SO_4~(2-)离子当量百分比均超过74%,Ca离子当量百分比均超过40%,所有淋滤液对应的水化学类型均为SO_4-Ca型;③所有淋滤液中阴离子含量大小顺序均为:SO_4~(2-)HCO_3~-Cl~-,K_8,K_3,K_2和O_2f岩芯淋滤液中阳离子含量顺序分别为:CaMgKNa,CaNaMgK,CaMgNaK和CaMgKNa;④K_2灰岩岩芯样品和淋滤液中Mo,Sb,U和Sr含量均高于奥陶系O_2f灰岩岩芯样品及其淋滤液,但Fe离子含量分布规律正好相反,该特征可以作为判别K_2和O_2f灰岩含水层的参考因素。辛置煤矿含水层的水化学特征受岩性、埋藏条件、地下水补径排及水动力条件的控制,含水层实际水质比淋滤液更为复杂多变。K_8砂岩含水层和K_3灰岩含水层的水化学类型分别为HCO_3-Na型和SO_4-Na型,与对应的淋滤液水化学类型差异较大;但K_2和O_2f灰岩含水层的实际水化学类型与淋滤液基本一致。二叠系K_8砂岩含水层中主要的水岩相互作用为溶解斜长石为主,部分区域中可能存在少量的硫酸盐溶解反应。太原组K_3灰岩含水层中的水岩相互作用主要为方解石和白云石矿物的溶解,以及部分硫酸盐和钠盐的溶解反应。太原组K_2灰岩含水层和奥陶系峰峰组O_2f灰岩含水层中主要的水岩相互作用均为方解石、白云石和硫酸盐的溶解,以及局部地段的脱硫酸作用。     

北京西郊浅层地下水回灌的水质预测

地下水回灌不仅能够弥补地下水资源的亏空,而且能够稀释净化受污染的地下水。根据北京水源四厂的回灌试验数据,利用PHREEQC模拟软件进行了水质混合模拟和水质预测研究。回灌试验对南井水质影响较大,北井和东井的水质基本没有变化;南井的水质由Ⅲ类水质提升为Ⅱ类水质,其氯化物、硫酸盐、硝酸盐和碳酸氢盐浓度在回灌结束时与回灌井的浓度非常接近;而钾、钙和镁的最终浓度略微低于回灌井中相应指标的浓度,可能是由于阳离子交换作用导致。混合模拟水质与其回灌实测水质数据具有很好的相关性,由此获得南井的模拟混合比与回灌时间的线性方程,其R2高达0.999。据此预测北井在相同的回灌条件下需要回灌11d,其水质才能由最初Ⅳ类水质提升为Ⅱ类水质。本研究的水质预测方法能够有效提高地下水回灌的效率,对于地下水的精准回灌具有重要的指导意义。