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Groundwater Hydrogeochemical Processes and the Connectivity of Multilayer Aquifers in a Coal Mine with Karst Collapse Columns
Mine Water and the Environment ( IF 2.8 ) Pub Date : 2020-02-24 , DOI: 10.1007/s10230-020-00667-w Haitao Zhang , Guangquan Xu , Xiaoqing Chen , Anesu Mabaire , Jisheng Zhou , Yanxi Zhang , Gang Zhang , Liang Zhu
Mine Water and the Environment ( IF 2.8 ) Pub Date : 2020-02-24 , DOI: 10.1007/s10230-020-00667-w Haitao Zhang , Guangquan Xu , Xiaoqing Chen , Anesu Mabaire , Jisheng Zhou , Yanxi Zhang , Gang Zhang , Liang Zhu
Understanding groundwater hydrogeochemical processes and the connectivity of multilayer aquifers in a coal mine with karst collapse columns (KCCs) is very important for mine safety and groundwater resource management. In this study, 52 groundwater samples from the main aquifers in the Xieqiao coal mine (Anhui Province, China) were analyzed using hydrochemical, multivariate statistical methods, and stable isotope analyses. In the Permian aquifer, the main hydrogeochemical processes are halite and silicate dissolution and sulfate reduction, followed by cation exchange, while in the Carboniferous and Ordovician aquifers, the main hydrogeochemical processes are carbonate, gypsum, and halite dissolution, followed by cation exchange. This causes the hydrochemical characteristics of these two aquifers to be similar. The Permian aquifer contains less SO 4 2− , more HCO 3 − concentration, and a concentration ratio of SO 4 2− to HCO 3 − less than 0.25 due to sulfate reduction, which allows the Permian aquifer to be distinguished easily from the other two. Both hierarchical cluster and stable isotope analysis show that water samples from both aquifers appear to have been mixed via the KCCs, which may serve as a potential channel for groundwater inrush into the coal mine. These results may assist in accurately predicting potential water inrush sources in this coal mine as well as in other mines. Das Verstehen von geochemischen Prozessen im Grundwasser und der hydraulischen Verbindung von multiplen Schichtaquiferen in einer Kohlenmine mit Einbruchschloten in Karst (KCCs) ist für die Bergbausicherheit und das Management von Grundwasserressourcen sehr bedeutsam. In dieser Studie wurden 52 Grundwasserproben aus den wichtigsten Aquiferen der Xieqiao Kohlenmine (Anhui Provinz, China) mittels hydrochemischer Methoden, multivariater Statistik und stabiler Isotopenanalyse untersucht. Die wichtigsten chemischen Prozesse im permischen Aquifer sind Halit- und Silikatlösung sowie Sulfatreduktion, gefolgt durch Kationenaustausch, während in den karbonen und ordovizischen Aquiferen Karbonat-, Gips- und Halitlösung, gefolgt durch Kationenaustausch auftreten. Deshalb sind die chemischen Charakteristika beider Aquifere ähnlich. Der permische Aquifer enthält weniger SO 4 2− , mehr HCO 3 − , und infolge der Sulfatreduktion ein SO 4 2− /HCO 3 − Verhältnis < 0.25. Dies ermöglicht eine klare Unterscheidung des permischen Aquifers von den beiden anderen. Hierachische Cluster und die Analyse der stabilen Isotope zeigen, daß sich die beiden tieferen Aquifere durch KCCs mischen, welche als mögliche Fließwege für Wassereinbrüche in den Kohlenbergbau dienen können. Diese Ergebnisse unterstützen eine genaue Vorhersage möglicher Fließwege für Wassereinbrüche in diesem und in anderen Bergbauen. La comprensión de los procesos hidrogeoquímicos de las aguas subterráneas y la conectividad de los acuíferos multicapa en una mina de carbón con columnas de colapso kárstico (KCC) es muy importante para la seguridad de la mina y la gestión de los recursos de aguas subterráneas. En este estudio, se analizaron 52 muestras de agua subterránea de los principales acuíferos en la mina de carbón Xieqiao (provincia de Anhui, China) utilizando análisis hidroquímico, métodos estadísticos multivariantes y análisis de isótopos estables. En el acuífero Pérmico, los principales procesos hidrogeoquímicos son la disolución de halita y silicato y la reducción de sulfato, seguido del intercambio de cationes, mientras que en los acuíferos carboníferos y ordovícicos, los principales procesos hidrogeoquímicos son la disolución de carbonato, yeso y halita, seguido del intercambio de cationes. Esto hace que las características hidroquímicas de estos dos acuíferos sean similares. El acuífero Pérmico contiene menos SO 4 2− , más concentración de HCO3- y una relación de concentración de SO 4 2− a HCO3- menor a 0,25 debido a la reducción de sulfato, lo que permite que el acuífero Pérmico se distinga fácilmente de los otros dos. Tanto el análisis de clusters jerárquicos como el de isótopos estables muestran que las muestras de agua de ambos acuíferos parecen haberse mezclado a través de los KCC, que pueden servir como un canal potencial para la entrada de agua subterránea en la mina de carbón. Estos resultados pueden ayudar a predecir con precisión las posibles fuentes de irrupción de agua en esta mina de carbón, así como en otras minas. 了解岩溶陷落柱(KCCs)发育煤矿的地下水水文地球化学过程和多层含水层之间水力联系对煤矿安全生产和地下水资源管理具有重要意义。研究对安徽省谢桥煤矿主含水层的52个地下水样进行了水文化学、多元统计和稳定同位素分析。二叠系含水层的主要水文地球化学过程为盐岩、硅酸盐的溶解和硫酸盐的还原,其次为阳离子交换;石炭系和奥陶系含水层的主要水文地球化学过程为碳酸盐、石膏和盐岩溶解,其次为阳离子交换。该特征使两个含水岩系水化学特征相似。而二叠纪含水层含有较少SO 4 2− 和较多HCO 3 − ;硫酸盐的还原作用使SO 4 2− 与HCO 3 − 的浓度比小于0.25,也使二叠纪含水层水易区别于与其它两含水岩系。层次聚类和稳定同位素分析均表明,两个含水层的水样已经通过岩溶陷落柱(KCCs)混合,岩溶陷落柱可能成为潜在煤矿突水通道。研究有助于煤矿和其它煤矿精确预测突水水源
更新日期：2020-02-24
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