一种基于比拟法的矿井水中氟化物浓度预测方法与流程

1.本发明属于矿井技术领域，涉及矿井水资源保护与利用，具体涉及一种基于比拟法的矿井水中氟化物浓度预测方法。


背景技术：

2.煤炭长期占据我国能源消费结构的主体地位，其中，西部煤炭资源占据全国煤炭资源总量的70％，但西部地区属于干旱－半干旱气候，生态脆弱，水资源短缺，仅占全国不足10％。随着东部煤炭资源趋于枯竭，煤炭开采中心逐渐西移动，国家对煤炭绿色开采更加重视，颁布《煤炭行业绿色矿山建设规范(dz/t 0315—2018)》要求“水资源短缺矿区，矿井水利用率要求达到100％”，目前，西部大部分矿井要求实现零排放，小部分矿井要求外排水达标排放。据统计，我国西部高矿化度矿井水的比例超过50％，高矿化度对氟化物的富集有积极作用，因此西部矿区矿井水氟化物污染较为普遍。含氟矿井水直接外排，将造成矿区土壤、地表水及地下水氟化物污染，附近居民长期饮用高氟水，将导致不同程度的氟中毒，如引起氟斑牙、氟骨病等，甚至引起肾脏损害、甲状腺素异常和生理紊乱。氟含量超标已成为矿井水资源化利用的制约因素之一。因此，准确预测矿井水中氟化物的浓度，并选择与之相适应的处理工艺，对高氟矿井水资源的保护与利用具有重要意义。
3.以往关于矿井水质预测的方法多集中在溶质运移数值预测方面，侧重于预测矿井水中某种污染物的扩散范围，难以精确预测矿井水中某种污染物的浓度，而且溶质运移数值预测理论性强，技术门槛高，难以在现场推广应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于比拟法的矿井水中氟化物浓度预测方法，解决现有技术中在矿井水中氟化物浓度预测领域目前处于技术空白的技术问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.一种基于比拟法的矿井水中氟化物浓度预测方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤一，水文地质补勘中水样采集及检测；
8.步骤二，矿井涌水水源识别及各源比例定量计算；
9.步骤三，矿井水中氟化物来源分析；
10.步骤四，矿井水氟化物浓度预测；
11.步骤s41，矿井水进入采空区前氟化物的浓度；
12.步骤s42，矿井水在采空区滞留一段时间后采空区氟化物的浓度。
13.本发明还具有如下技术特征：
14.具体的，该方法包括以下步骤：
15.步骤一，水文地质补勘中水样采集及检测：
16.在矿井水文地质补堪抽水试验期间，采集各含水层水样、岩样以及已采矿区矿井
水水样；
17.检测各含水层水样及矿井水水样中氟化物的浓度；检测水样中氢氧稳定同位素，测试结果中，δd和δ
18
o的检测精度分别为
±
0.1
‰
和
±
0.02
‰
；
[0018][0019]
式中：
[0020]
δ表示样品的同位素比值相对于标准样品的同位素比值的千分偏差，单位为
‰
；
[0021]rsammple
表示待测样品中同位素的丰度；
[0022]rvsmow
表示国际标准样品中同位素的丰度；
[0023]
δd表示氘的δ值；
[0024]
δ
18
o表示氧18的δ值；
[0025]
采用x射线衍射检测岩样中含氟矿物的成分；
[0026]
步骤二，矿井涌水水源识别及各源比例定量计算：
[0027]
借助piper三线图和离子schoeller图分析不同含水层地下水的水化学特征，统计并计算各类型水样δd和δ
18
o的平均值，综合水化学特征、δd和δ
18
o关系定性识别矿井水水源；在此基础上，将δ
18
o作为标识参数，对矿井水水源进行分割，通过式ii求出各水源的比例；
[0028]
δo＝γa×
δa (1-γa)
×
δbꢀꢀ
式ii；
[0029]
式中：
[0030]
δo为待测矿井水样的δ
18
o值，单位为
‰
；
[0031]
δa为a含水层水样的δ
18
o值，单位为
‰
；
[0032]
δb为b含水含水样的δ
18
o值，单位为
‰
；
[0033]
γa为a含水层所占的比例；
[0034]
步骤三，矿井水中氟化物来源分析：
[0035]
根据各含水层不同水样中氟化物的质量浓度，绘制不同类型水样氟化物浓度箱型图，根据不同类型水样中氟化物浓度的最大值、最小值及平均值，判断氟化物的来源；
[0036]
步骤四，矿井水氟化物浓度预测：
[0037]
根据含水层中氟化物的浓度，利用比拟法预测矿井水中氟化物的浓度，分为两步：
[0038]
步骤s41，矿井水进入采空区前氟化物的浓度：
[0039]
根据矿井水的来源及充水水源含水层中氟化物的浓度，通过式ⅲ初步计算矿井水进入采空区与采空区岩石反应之前氟化物的浓度；
[0040]
cm＝γaca γbcbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式ⅲ；
[0041]
式中：
[0042]
cm为假设矿井水未与采空区的破碎岩石发生水岩相互作用之前，矿井水中氟化物的浓度；
[0043]
γa和γb分别为a和b含水层充水水源占矿井水涌水量的比例；
[0044]
ca和cb分别为a和b含水层中氟化物的浓度；
[0045]
步骤s42，矿井水在采空区滞留一段时间后采空区氟化物的浓度：
[0046]
利用比拟法，根据采掘过程中采空区矿井水中氟化物的浓度与氟化物来源含水层
氟化物的浓度，通过式ⅳ预测未知采空区矿井水中氟化物的浓度；
[0047]
c＝k cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式ⅳ；
[0048]
式中：
[0049]
c为未知采空区矿井水中氟化物的浓度；
[0050]
k为已知采空区矿井水氟化物的平均浓度与天然含水层中氟化物浓度的比值。
[0051]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0052]
(ⅰ)本发明的方法充分考虑了矿井水中氟化物的来源及形成作用，利用含水层中氟化物的浓度，比拟预测矿井水中氟化物的浓度，旨在解决矿井水中氟化物浓度难以精准预测的问题。
[0053]
(ⅱ)本发明的方法可推广应用至现场，为煤矿矿井水处理的系统配置提供基础数据，为矿区矿井水资源处理、调配和管控提供依据。
附图说明
[0054]
图1为本发明的基于比拟法的矿井水中氟化物浓度预测方法的工作流程示意图。
[0055]
图2为研究区水样piper三线图。
[0056]
图3为氟化物浓度箱型图。
[0057]
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
[0058]
氟作为一种亲石元素，在地壳中分布极为广泛，以微量的形式广泛存在于岩石圈的硅酸盐矿物及岩石中，并以游离态吸附余高岭石、伊利石等粘土矿物表面。在长期的水岩作用下，含氟矿物及游离态的氟经过溶解、释放、解离等作用转化为溶解态氟化物进入地下水中，使得地下水中氟化物的浓度高于《生活饮用水卫生标准》中(gb 5749
–
2006)规定的1mg/l。煤炭资源的开采，破坏了原有的含水层结构，大量的地下水沿采动裂隙涌入巷道，采空区，此过程中地下水与工作面煤岩或采空区矸石进一步发生相互作用，形成高氟化物矿井水。因此，可利用地下含水层中氟化物的浓度，通过比拟精准预测矿井水中氟化物的浓度，为西部矿区矿井水资源保护与利用提供科学依据。
[0059]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0060]
实施例：
[0061]
本实施例给出一种基于比拟法的矿井水中氟化物浓度预测方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0062]
步骤一，水文地质补勘中水样采集及检测：
[0063]
在矿井水文地质补堪抽水试验期间，采集各含水层水样、岩样以及已采矿区矿井水水样；
[0064]
采用美国thermo(赛默飞)ics-600型离子色谱仪检测各含水层水样及矿井水水样中氟化物的浓度。采用美国pocarro(皮卡罗)l2140-i同位素分析仪检测水样中氢氧稳定同位素，测试结果采用vsmow标准，δd和δ
18
o的检测精度分别为
±
0.1
‰
和
±
0.02
‰
。
[0065][0066]
式中：
[0067]
δ表示样品的同位素比值相对于标准样品的同位素比值的千分偏差，单位为
‰
；
[0068]rsample
表示待测样品中同位素的丰度；
[0069]rvsmow
表示国际标准样品中同位素的丰度；
[0070]
δd表示氘的δ值；
[0071]
δ
18
o表示氧18的δ值；
[0072]
采用x射线衍射(xrd)检测岩样中含氟矿物的成分。
[0073]
步骤二，矿井涌水水源识别及各源比例定量计算：
[0074]
借助piper三线图和主要离子schoeller图分析不同含水层地下水的水化学特征，统计并计算各类型水样δd和δ
18
o的平均值，综合水化学特征、δd和δ
18
o关系定性识别矿井水水源。在此基础上，将δ
18
o作为标识参数，对矿井水水源进行分割，通过式ii求出各水源的比例；
[0075]
δo＝γa×
δa (1-γa)
×
δbꢀꢀ
式ii；
[0076]
式中：
[0077]
δo为待测矿井水样的δ
18
o值，单位为
‰
；
[0078]
δa为a含水层水样的δ
18
o值，单位为
‰
；
[0079]
δb为b含水含水样的δ
18
o值，单位为
‰
；
[0080]
γa为a含水层所占的比例；
[0081]
步骤三，矿井水中氟化物来源分析：
[0082]
根据各含水层不同水样中氟化物的质量浓度，绘制不同类型水样氟化物浓度箱型图，根据不同类型水样中氟化物浓度的最大值、最小值及平均值，判断氟化物的主要来源。
[0083]
步骤四，矿井水氟化物浓度预测：
[0084]
根据含水层中氟化物的浓度，利用比拟法预测矿井水中氟化物的浓度，主要分为两步：
[0085]
步骤s41，矿井水进入采空区前氟化物的浓度：
[0086]
根据矿井水的主要来源及主要充水水源含水层中氟化物的浓度，通过式ⅲ初步计算矿井水进入采空区与采空区岩石反应之前氟化物的浓度。
[0087]
cm＝γaca γbcbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式ⅲ；
[0088]
式中：
[0089]
cm为假设矿井水未与采空区的破碎岩石发生水岩相互作用之前，矿井水中氟化物的浓度；
[0090]
γa和γb分别为a和b含水层充水水源占矿井水涌水量的比例；
[0091]
ca和cb分别为a和b含水层中氟化物的浓度。
[0092]
步骤s42，矿井水在采空区滞留一段时间后采空区氟化物的浓度：
[0093]
利用比拟法，根据采掘过程中采空区矿井水中氟化物的浓度与氟化物主要来源含水层氟化物的浓度，通过式ⅳ预测未知采空区矿井水中氟化物的浓度；
[0094]
c＝k cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式ⅳ；
[0095]
式中：
[0096]
c为未知采空区矿井水中氟化物的浓度；
[0097]
k为已知采空区矿井水氟化物的平均浓度与天然含水层中氟化物浓度的比值。
[0098]
应用例：
[0099]
石圪台煤矿位于陕西省神木市西北直距约55公里处的乌兰木伦河东北侧，行政区划属神木市大柳塔试验区所辖。井田西为乌兰木伦河，南邻哈拉沟井田，北与巴图塔井田接壤，东以七槪沟及陕蒙边界为界。东西长约10km，南北宽约8km，面积65.283km2。核定生产能力1200万吨/年，目前主采侏罗系延安组2-2煤和3-1煤。石圪台矿井水处理厂即将面临改扩建，为了合理确定矿井水处理厂氟化物的处理工艺及设备配置，需要对石圪台矿井水氟化物浓度进行预测，未来主采3-1，但3-1煤采空区检测出氟化物超标，高达5.1mg/l，与以往认识差异大。石圪台地下含水层从上至下分别为：第四系萨拉乌苏组潜水含水层、直罗组裂隙含水层和延安组裂隙含水层。
[0100]
本应用例采用实施例的基于比拟法的矿井水中氟化物浓度预测方法，该方法包括以下步骤：
[0101]
步骤一，水文地质补勘中水样采集及检测：
[0102]
在水文地质补堪工作中采集不同含水层的地下水样及矿井水样，其中包括大气降水3组、地表河流水3组、第四系萨拉乌苏组水样3组、直罗组4组、延安组4组、矿井水5组，共计23组。分别检测不同类型水样中常规离子的浓度、氟化物的浓度、氢氧同位素的值。
[0103]
步骤二，矿井涌水水源识别及各源比例定量计算：
[0104]
根据不同类型水样中七大常规离子的浓度，绘制piper三线图，如图2所示，判断不同类型水样的主要水化学类型。
[0105]
由图2可知，大气降水、地表水的水化学类型为hco
3-ca型，萨拉乌苏组的水化学类型为hco
3-ca型和hco
3-na型，延安组及矿井水的水化学类型为hco
3-na型，从水化学类型初步判定矿井水的来源为萨拉乌苏组和延安组地下水补给。
[0106]
统计并计算不同水样中δd和δ
18
o的平均值如表1所示，各类型水稳定同位素δd(vsmow)在-114.00
‰
—-87.15
‰
之间，δ
18
o(vsmow)在-14.70
‰
—-12.01
‰
之间，证明地下水和矿井水的最初补给来源均为大气降水。萨拉乌苏组平均δd为-104.00
‰
，δ18o为-13.85
‰
；延安组平均δd为-102.95
‰
，δ
18
o为-13.81
‰
；矿井水平均δd为-103.00
‰
，δ
18
o为-13.60
‰
，显然矿井水的平均δd与δ
18
o值与萨拉乌苏组及延安组最接近，进一步推测矿井水的主要来源为萨拉乌苏组与延安组的混合水
[0107]
表1不同类型δd与δ
18o[0108][0109]
综合水化学特征和氢氧稳定同位素的分析结果，判定矿井水的主要来源为萨拉乌苏组与延安组地下水补给。
[0110]
基于矿井水水源定性识别的结果，定量计算萨拉乌苏组与延安组地下水的混合比例，将δ
18
o作为标识参数，根据式(2)计算不同水源的比例，结算结果表明萨拉乌苏地下水占矿井涌水的26.4％，ⅲ含水占矿井涌水的73.6％，
[0111]
步骤三，矿井水中氟化物来源分析：
[0112]
根据不同类型水样中氟化物的浓度，绘制氟化物浓度箱型图，如图3所示，判断矿井水中氟化物的主要来源。
[0113]
由图3可知，矿井水中氟化物的最大值为3.71mg/l，最小浓度为1.20mg/l，平均浓度为浓度为1.93mg/l，大气降水、地表水、萨拉乌苏组、直罗组、延安组氟化物的平均浓度分别为0.02mg/l、0.18mg/l、0.81mg/l、0.28mg/l 1.55mg/l、1.93mg/l，因此判断矿井水中氟化物主要来源于萨拉阿乌苏组与延安组，且主要来源于延安组。
[0114]
步骤四，矿井水氟化物浓度预测：
[0115]
矿井水中的氟化物主要来源为延安组，因此利用延安组地下水总氟化物的浓度，可比拟预测矿井水中氟化物的浓度。
[0116]
首先根据矿井水的涌水比例、萨拉乌苏组及延安组氟化物的浓度，计算矿井水未和采空区岩石发生反应前，矿井水中氟化物的浓度如下：
[0117]
cm＝26.4％
×
0.81mg/l 73.6％
×
1.55mg/l＝1.34mg/l
[0118]
其次，利用直罗组矿井水的浓度，预测未采矿区矿井水中氟化物的浓度
[0119]
c＝k
×
cm＝1.25
×
1.34mg/l＝1.68mg/l
[0120]
其中cm＝矿井水氟化物浓度/延安组氟化物浓度＝1.93mg/l
÷
1.55mg/l＝1.25
[0121]
因此，根据基于比拟法最终预测未开采矿区矿井水中氟化物的平均浓度为1.68mg/l。