摘要
酸性矿井水（AMD）对环境的污染不仅表现在采矿过程中，在矿井闭坑后仍会对环境造成巨大威胁。贵州省高硫煤炭资源分布广泛，煤矿闭坑的增多势必会对岩溶地下水系统的水质造成影响。而当闭坑矿井采空区上覆为碳酸盐岩地层时，AMD在回弹过程中会与之相互作用，但这一反应过程尚不明确。因此，本课题利用室内实验，通过设计不同的水动力条件、不同碳酸盐岩地层厚度、不同AMD初始pH值、不同AMD初始Fe2+浓度四个影响因素，来研究闭坑矿井地下水在回弹的过程中，AMD与碳酸盐岩接触并反应的水文地球化学过程。重点分析了四个不同影响因素下反应过程中各水化学参数的变化特征，并阐明了各因素对各参数的影响规律；根据空间上的取样测试结果，揭示了AMD在反应过程中的时空变化机制；采用矿物饱和指数SI、Eh-pH图、XRD、SEM-EDS、Ca2+/Mg2+释放量等多种手段来解析碳酸盐岩对AMD的缓冲机制；并构建了AMD-碳酸盐岩-地下水相互作用的数学模型。取得的主要研究成果如下： (1)反应过程中各水化学参数的变化特征：各组实验pH值均表现为先快速上升，再缓慢上升并逐渐趋于平稳的趋势。Fe在反应过程中均表现为先下降再趋于平稳的趋势，当水动力条件改变之后， Fe的下降速率加快；而各组实验Mn在反应过程中总体呈下降趋势。 (2)各因素对pH、Fe、Mn的影响：当水动力条件越强，AMD的pH值上升的越快；水动力条件的增强有利于Fe、Mn浓度的降低，在相同水动力条件下， Mn的降低速率要小于Fe。当碳酸盐岩的地层厚度越大时，pH值的上升速率越快，Fe、Mn的下降速率亦越快，且地层厚度的改变对Fe的影响大于Mn。在淹没阶段，初始pH值越低，AMD的pH上升速率就越慢，在排水阶段初期，初始pH值越低，pH的上升速率越快。反应过程中，初始pH=3更加有利于Fe、Mn浓度的降低。当AMD的初始Fe2+浓度越高时，Fe浓度的下降速率越快， 初始Fe2+浓度对Mn浓度的降低具有一定的影响，表现为初始Fe2+增高会抑制Mn浓度的降低。 (3)AMD在空间上的扩散机制：在淹没阶段，岩溶地下水的补给使得水平方向上AMD中H+、Ca2+、Fe、Mn的扩散表现为从远离补给端扩散到补给端的过程。垂直方向上， AMD中H+、Fe、Mn的扩散总体上是自下而上的；H+浓度在整个反应过程中均出现上下分层的现象，Fe、Mn浓度在反应前期出现上下分层的现象，在反应后期逐渐趋于一致，而Ca2+则是向四面八方而扩散的。在排水阶段，水流流速是AMD扩散的主控因素，总体而言，水流流速的加快使得各离子浓度趋于一致。 (4)碳酸盐岩对AMD的缓冲机制：碳酸盐岩对AMD的pH的缓冲机制为方解石和白云石消耗AMD的H+，从而提升AMD的pH值。碳酸盐岩对AMD的缓冲效应与AMD自身的pH值相关，表现为当AMD的初始pH值越低，碳酸盐岩所起到的缓冲效应就越大，且水动力条件越强、碳酸盐岩的地层厚度越大、初始AMD的Fe2+浓度越低时，碳酸盐岩对AMD的pH的缓冲就越快。针对闭坑矿井地下水回弹并与碳酸盐岩接触的这一反应过程，提出了如下概念，反应过程中 Ca2+/Mg2+的释放量可作为碳酸盐岩与AMD反应的缓冲因子。碳酸盐岩对AMD重金属的缓冲机制为：提高溶液的pH而引起Fe(Ⅱ)的氧化，Fe(Ⅱ)氧化过程中会释放?OH并生成纤铁矿(?-FeOOH)和针铁矿(?-FeOOH)的沉积物。Mn在反应过程中主要是以吸附或共沉淀的方式来降低。 (5) AMD-地下水-碳酸盐岩反应的数学模型：pH在淹没阶段的数学表达式均遵循一元一次线性函数，而排水阶段数学表达式均表现为底数为e的指数函数。Fe、Mn在淹没阶段和排水阶段的数学表达式均表现为底数为e的指数函数。
NETL