2水化学探测技术

水文地球化学探测技术中煤科工集团西安研究院有限公司2014年2014年山西省煤矿防治水专项技术培训主要内容一、化探技术概述二、水文地球化学探测技术方法及装备1、水文地球化学探测依据及原理2、水文地球化学探测技术与方法3、水文地球化学探测装备三、水化学探测应用1、突水水源判别2、地下水径流方向、径流通道的确定3、注浆堵水效果检验4、其他方面应用一、化探技术概述地球化学应用范围化探：地球化学勘探，通过系统测量天然物质的地球化学性质，发现各种类型的地球化学异常的一种调查方法。金属矿产勘查、石油勘探、环境地球化学、农业地球化学、考古等。不仅可用于找矿，还可为解决环境污染、农业、畜牧业、地方病以及各种地质问题提供有价值的资料。一、化探技术概述化探常用方法水系沉积物测量；(重砂、水系沉积物）土壤地球化学测量岩石地球化学测量水地球化学测量生物地球化学测量气体地球化学测量同位素地球化学测量稀土元素地球化学测量水文地球化学探查（水文化探）以地下水为主要的研究对象，通过分析地下水中的化学（常量离子、微量元素、气体成分）、同位素成分，达到探测地下水运移规律。是煤矿水害防治和探查的重要技术手段之一。二.水文地球化学探测技术方法及装备1、水文地球化学探测依据、原理2、水文地球化学探测方法3、水文地球化学探测装备1、水文地球化学探测依据原理依据地下水系统中天然(或人工示踪剂)的化学、物理及同位素成分的分布及变化规律，分析和了解地下水的输人、输通及输出(即补给、径流、赋存及排泄)特征，及含水介质本身的结构特征，从而达到对地下水探查的目的。基本原理涉及到地下水动力学、化学动力学、化学热力学、气体地球化学、同位素水文学及测年学等。二.水文地球化学探测技术方法及装备天然探测方法指对地下水中分布的天然要素(化学成分及同位素成分等)进行研究;包括地下水化学宏量组分、微量组分和气体成分(CO2,H2S,溶解氧等)、同位素成分(3H,18O,D,14C和氡)及某些物理性质等。人工探测方法通过人工投放示踪剂(化学和同位素示踪剂)，并观察和分析示踪剂在地下水中的运动、变化特征来达到探查的目的。连通（示踪）试验。2、水文地球化学探测方法按照具体探查要素的属性分为两大类：二.水文地球化学探测技术方法及装备多元连通（示踪）试验技术与方法环境同位素技术与方法水文地球化学综合测试分析和模拟技术与方法按照采用的技术与方法分三种：二.水文地球化学探测技术方法及装备2、水文地球化学探测方法二.水文地球化学探测技术方法及装备多元连通（示踪）试验技术与方法目的：判别井下突水水源；探查矿区含水层中地下水的流向、流速和径流通道，不同含水层地下水连通程度及相互补给关系；判别断层的阻水、导水性能。方法原理：通过钻孔在目标含水层中投放示踪剂，在放水孔（突水点）取样检测示踪剂，根据接受到示踪剂的时间和浓度峰值分析研究地下水连通程度。理想人工示踪剂（易溶盐：碘化钾、溴化钠、氟化钠、钼酸铵等）《煤矿防治水》第三十七条（五）规定：“进行连通试验，不得选用污染水源的示踪剂”。化学性质稳定，易溶于水、没有毒性，在被示踪地下水中不存在或含量极微;注人地下水中不改变水流的天然流向，不易被固体介质吸附;检测灵敏度高，分析、定量容易。示踪试验过程示踪剂投放：用1.0m3清水将试剂溶解后注人(井下钻孔常为压入)钻孔，并向钻孔内灌人清水4-5m3或注人清水半小时以上，压挤试剂进人含水层裂隙内，使之随地下水运移。取样频率：每20分钟取样一次(投放后4小时以内）每30分钟取样一次(4-8小时内)，每40分钟取样一次(8-24小时内)，每1小时取样一次(24小时以后)。取样应严格按照规定(取样时间、地点、取样量、取样方法等)并在标签上加以注名，直到试验结束为止；地面钻孔需定深取样器。多元连通（示踪）试验技术与方法二.水文地球化学探测技术方法及装备示踪试验过程检测：采用简便、快速的分析测定方法，比色法、离子选择电极法、荧光紫外分析法等进行现场分析；各种方法具有相应的分析灵敏度〔如铵0.02ppm,铁络合物0.01ppm,紫外线分析仪对荧光素用320波长激发显色灵敏度可达0.01ppm)。结果：在示踪试验结束后，对获得的数据和资料进行处理和综合分析，画出离子浓度历时曲线图，并对地下水的运动状况和含水介质的结构和特性进行评价。二.水文地球化学探测技术方法及装备多元连通（示踪）试验技术与方法二.水文地球化学探测技术方法及装备环境同位素技术与方法稳定同位素2H、18O原理：2H、18O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（δD、δ18O）偏小，使得各种天然水具有各自不同的同位素特征。用途：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。使用中注意事项：确定地下水来源时，把地下水2H、δ18O绘制在坐标系中，附以全球降水线或地区降水线做参考，比较两者关系，当地下水同位素组成接近地区降水线时，说明地下水起源于大气降水，是大气降水所补给；研究中要取得不同含水层中典型水样，应满足数量要求；取样量一般1L，密封保存运输，采用质谱仪或用激光法快速测试。二.水文地球化学探测技术方法及装备环境同位素技术与方法放射性同位素氚原理：半衰期12.43年，天然氚和热核试验产生氚形成氚化水，参与自然界水循环，成为研究现代渗入起源水理想示踪剂。用途：研究地下水的补给、排泄、径流条件，探索地下水的成因年龄，确定径流通道等。应用中注意事项研究中要取得当地补给水的氚含量；由于目前大气中氚含量衰减已接近天然水平（5~10TU),研究过程需要不同区域的氚对比资料（补给区、径流区、排泄区）;取样使用1L取样瓶，取满密封保存，利用电解浓集浓缩在低本底液闪烁谱仪上测试。二.水文地球化学探测技术方法及装备环境同位素技术与方法其他同位素应用地下水污染研究（氮同位素、硼同位素、13C、37Cl及含氯有机物的污染）加拿大Cambridge地区化粪池下部地下水中δ15N分布二.水文地球化学探测技术方法及装备水文地球化学综合测试分析和模拟技术与方法建立水文地球化学基础数据库（包括水质资料和同位素资料）系统整理不同含水层水化学资料水质类型各类图示：Piper图、Schoeller图、stiff图，不同离子相关关系图、相关离子等值线图、矿化度等值线图、同一含水层δD、δ18O等值线图等。分析不同含水层水化学特征，同位素特征，指出不同含水层水源的差别和联系，提出不同含水层水源主要判别指标。利用不同水源的水化学特征、结合环境同位素技术综合分析，有必要时采用多元连通（示踪）试验技术与方法和室内的模拟实验综合分析。二.水文地球化学探测技术方法及装备水文地球化学综合测试分析和模拟技术与方法兖州矿务局鲍店不同含水层水质Piper叠加图二.水文地球化学探测技术方法及装备水文地球化学综合测试分析和模拟技术与方法Radial图Schoeller图二.水文地球化学探测技术方法及装备水文地球化学综合测试分析和模拟技术与方法水文地球化学模拟技术与方法为探求和研究水文地球化学环境及各种物理化学（包括物理—化学作用、生物化学作用及地球化学作用）对地下水化学形成及一系列水文地球化学现象的影响，以及为了判定各种作用的进行方向与速度，采用的模拟试验的方法来实现；通过水质模型来模拟各种天然条件和作用，使类似的水文地球化学环境条件再现。如：通过模拟石灰岩地区的溶蚀过程和机理的实验，通过室内模拟试验探讨和定量评价碳酸盐岩石的反应方向和溶蚀速度；通过模拟采空区积水的环境、温度和水动力等条件，揭示和研究老空水的水化学特征和演化模式。二.水文地球化学探测技术方法及装备水文地球化学探测装备水质分析实验室（中心实验室）同位素分析实验室（中心实验室）水质快速检测分析系统（现场快速）现场流动快速检测车（现场快速）水质分析实验室(中心实验室）二.水文地球化学探测技术方法及装备水质分析实验室霍州煤电集团防治水中心水化学实验室晋城煤业集团防治水中心水化学实验室二.水文地球化学探测技术方法及装备水质分析实验室陕西陕煤韩城矿业防治水中心水化学实验室二.水文地球化学探测技术方法及装备水质快速检测分析系统（软件+硬件）二.水文地球化学探测技术方法及装备水质快速检测分析系统该系统由检测仪器设备硬件+软件组成；可检测的阴离子有：Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-、NO2-；可检测的阳离子有：Ca2+、Mg2+、K++Na+、Fe3+、Fe2+；PH值、电导率及TDS（TotalDissolvedSolids，溶解性总固体）二.水文地球化学探测技术方法及装备与常规实验室比较，水质快速检测设备具有以下优点：测量速度快：可以在2～3小时之内完成常规水质化验的18个指标;操作简单：只须按固定的程序投加相应的药片即可;仪器结构紧凑，体积小，携带方便，具有流动实验室的特点;仪器管理方便、管理费用低：一般常规煤矿水质化验室须3～4人，水质快速分析系统只须1～2人，省去试剂配制等繁琐的准备工作，仪器保养管理方便。水质快速检测分析系统二.水文地球化学探测技术方法及装备水质快速检测分析系统（软件）水质资料数据库化验分析数据录入功能（导入、导出）；分析数据自动单位换算，处理功能；分析数据自动查询功能；水质类型自动判别功能；水质图象自动生成功能；水质分析结果报表打印功能；突水水源判别功能聚类分析；灰色关联分析；多组逐步判别分析；灰色关联—多组逐步判别综合判别分析。；二.水文地球化学探测技术方法及装备水质快速检测分析系统软件；软件界面二.水文地球化学探测技术方法及装备水质快速检测分析系统软件；报告单格式二.水文地球化学探测技术方法及装备同位素实验室；放射性氚（14C）测试利用低本底液闪烁谱仪为主要测试仪器，辅助样品预处理装置（氚为蒸馏、吸附过滤、电解浓缩装置；氚测试周期一般较长。二.水文地球化学探测技术方法及装备同位素实验室；稳定同位素2H、18O测试，利用同位素质谱仪或液态水同位素分析仪进行测试。质谱仪：价格昂贵，一个基本配置的质谱仪，价格200~300万人民币，而且操作复杂，体积庞大，必须有专门实验室安放，操作人员必须受过较长时间的培训，才能熟悉掌握仪器的操作和使用，每天只能测量20~30个样品。液态水同位素分析仪：采用激光偏轴积分腔吸收光谱技术，仪器结构简单，体积小，每天可测量110个样，可同时得到δ2H、δ18O的值，成本较低。二.水文地球化学探测技术方法及装备现场流动快速检测车（移动实验室）二.水文地球化学探测技术方法及装备车载仪器通过测试运行在1小时内能完成PH、电导率、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cl-、SO42+、HCO3-(CO32-)、NO3-、NO2-、F-离子含量测试，利用软件系统可计算水质类型、矿化度、总硬度、碳酸盐硬度、非碳酸盐硬度等。备用蓄电池，蓄电池供电达2～4小时。现场流动快速检测车王楼煤矿示踪试验现场二.水文地球化学探测技术方法及装备1、突水水源判别2、地下水径流方向、径流通道的确定3、注浆堵水效果检验4、其他方面应用三、水化学探测应用突水水源判别方法特征离子含量及特征离子比值判别方式在掌握某些含水层地下水离子特征的前提下，直接测定该特征离子，快速判断突水含水层水源。SO42-离子含量判别酸性老窑水：高硫酸盐含量（数百mg/L以上）、较低的pH值（6.0）和较高的Fe、Mn、Al含量、水质类型为SO4—Ca型；含石膏地层的地下水特征之一。有些煤矿奥陶系灰岩含水层以SO42-作为特征离子判别奥灰突水水源。Cl-离子含量判别（深部地下水，水化学类型已从HCO3型转化