喀斯特中高硫煤矿区矿井水酸化去气动力学过程及CO2排放规模研究

The acidification and drainage of mine water would induce environmental problems such as the destruction of surface aquatic ecosystems and heavy metal pollution, but also may be a long-neglected CO2 emission source. This study will select the mine water in karst medium-high sulfur coal mine area, southwest China, as the research object. The chemical composition and evolution features of mine water will be studied through the water chemical and isotopic analysis. Based on the analysis of mine hydrogeological data, the acidification mechanism of mine water and the acid potential of bedrock will be revealed. Based on the quantitative study of dissolved inorganic carbon sources in mine water, the migration characteristics of mine water and the variation features of pH and pCO2, the degassing kinetic characteristics will be researched according to the first-order reaction kinetic mode, and the fractionation mechanism of carbon isotope would be probed according to the improved Rayleigh isotope fractionation equation. In the end, the emission scale of CO2 during the acidification and degassing process of mine water in karst medium-high sulfur coal mine area will be reasonably evaluated based on the above analysis. The results of this study may promote the quantitative research of carbon budget during the exploitation of coal. It will not only have significant scientific research value and demonstrative value, but also have important instruction significance on the protection and management of karst ecological environment.

煤矿矿井水酸化和排泄不仅会造成地表水生生态系统破坏和重金属污染等环境问题，还可能是一个尚未受到重视的大气CO2排放源。本项申请以我国西南喀斯特中高硫煤矿区矿井涌出水为研究对象，通过水化学全分析、同位素分析和基岩产酸潜力分析相结合，查明煤系地层水化学组成和演化规律，揭示矿井水酸化机理及影响因素；结合对瑞利分馏方程的修正，深入探讨矿井水去气过程中δ13C-DIC的演化特征；基于矿井水溶解无机碳来源和演化特征、矿井水运移/酸化特征、pH和pCO2变化规律，建立一级反应动力学去气模型，系统阐明喀斯特中高硫煤矿区矿井水酸化去气动力学过程及影响因素。综合上述研究，最终合理评估喀斯特中高硫煤矿区矿井水从涌出-运移/酸化-排泄-下游河流系统全过程中的CO2排放规模。研究成果将进一步提升煤炭开发中的碳收支认证水平，具有较高的科学研究价值和示范意义，对喀斯特生态环境保护和治理也具有一定的指导意义。

我国煤炭开发过程中每年外排矿井水总量达60～80亿m³。矿井水是一个长期以来未被受到重视的大气中CO2排放源。一方面，煤炭卸压开采会使富含DIC的原始地层水pCO2超过大气背景压力，进而向大气释放大量CO2。另一方面，矿井水在酸化、运移过程中遇有碳酸盐岩地层时，会对其产生溶蚀作用，把一部分地质“老碳”活化，增加表生圈层的碳循环载荷。鉴于目前对矿井水酸化过程中的去气过程和CO2排放规模认识较为欠缺，深入开展相关研究有助于科学评估这一被忽视的大气CO2排放源，具有较高的科学研究价值和示范意义。.本项目通过对AMD驱动下典型喀斯特中高硫煤矿区流域水体CO2去气动力学过程的系统研究，厘清了碳酸盐岩溶蚀、有机质降解和生活污水的输入对水体DIC的贡献，揭示了不同季节流域水体的碳传输动力学过程，定量表征了碳酸盐系统对[H+]的缓冲过程，阐明了影响碳酸盐体系缓冲过程的主控因素及作用机制、AMD影响下整个流域不同季节的去气特征，并评估了CO2去气规模。.研究区河水pH总体表现为冬春季节pH要低于夏秋季。DO在全年均表现出明显的不饱和状态；冬季受到AMD补给，其中含有的大量还原性耗氧组分的氧化可能是低溶解氧饱和度的重要因素。DIC表现出沿水体流动方向逐渐降低的趋势，这主要受低pH的AMD驱动。.受CO2去气过程的影响，DIC碳同位素组成比常规喀斯特流域水体显著偏重。∆[CO2]与∆DO化学计量平衡显示水体酸化是造成CO2过剩的主要原因。基于DIC浓度与碱度非协同演化、∆DIC与∆δ13C-DIC分析结果，整个流域除CO2去气过程以外，碳酸盐岩溶蚀、有机质降解和生活污水的输入都不同程度向水体贡献了DIC。.研究区流域水体存在地层水卸压去气、AMD驱动下的DIC中和缓冲去气和质子驱动去气等过程。受AMD影响，研究区维持在一个较高的CO2去气水平。在2021年10月和11月，约有46.11%和42.10%的DIC以CO2的形式释放到大气中。考虑到整个西南地区中高硫煤广泛分布，亟需进一步对AMD驱动下的流域排放进行更为精确的研究。