矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析

矿井水深井回灌是矿井水“转移存储”处理的主要形式,根据鄂尔多斯盆地煤矿区地质和矿井水特征,从回灌目的层地下水与矿井水的匹配性、上下岩层的隔水性、回灌层的渗透性以及封闭性角度提出了矿井水回灌目的层选取依据。并以地下水达西定律和Dupuit理论为基础,建立极坐标系完整注水井稳定流数学模型,得出在稳定注水条件下,回灌量与注水层渗透系数、厚度、回灌压力、水位埋深以及回灌井直径正相关,与影响半径负相关,与回灌层埋深无关。提出了矿井水深层回灌水动力和溶质运移耦合仿真模型构建方法,并以矿井水回灌试验案例为分析对象,模拟得出矿井水回灌过程中含水层水压形成以注水井为中心的“高位水丘”,且注水压力越大,回灌量增加较为明显,模型分析结果与现场试验结果基本一致。溶质运移范围形成以注水井为中心的“圆柱状”弥散形态,特征离子浓度沿回灌井两侧变化剧烈,回灌层特征离子浓度被迅速稀释,随着时间的延伸,弥散稀释范围增加相对较小,说明矿井水回灌对深部高浓度含水层地下水水化学影响程度不大,研究成果可为西部煤矿区矿井水高效回灌处理提供科学依据。      

我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建

煤炭开采必然产生大量的矿井涌水,我国目前的矿井水整体上表现出水质相对较差、水处理成本较高等问题。首先明确了我国典型矿区矿井水水质的主体特征:常规离子是造成矿井水水质差的主要化学组分;矿井水中有毒有害物质占比小,且基本优于地下水Ⅲ类水质量标准。其次,详细探讨了我国矿井水水质形成、演化的几个科学问题,包括不同水文地质结构下物理–化学作用所起的主导作用,时间效应对水质演化的影响,微生物群落结构特征及其与环境因素的相关关系,水动力场–化学场–微生物场–温度场的多场耦合问题等。接着重点介绍矿井水污染防控的技术方法,以减少矿井突(涌)水量和水资源保护为前提,以实现煤–水双资源协调开采、煤炭绿色开采为目标,以矿井水“阻断、减量、保护”为主要防控思路,围绕煤矿区矿井水阻断技术、污染负荷减量技术、污染区修复治理等科学问题展开分析;通过各种现有技术、方法、工艺,最大可能地降低吨煤矿井水处理成本,如采用井下预处理、地面深度处理、超深回灌封贮、生态资源化利用等。最后,提出研发煤矿区地下水及污染物的阻断材料和吸附材料、注浆装备、监测设备、投料设备、原位取样检测设备等,形成我国煤矿区矿井水污染防控技术体系。该技术体系的构建可对煤矿绿色开采、煤矿区深层地下水污染防控、闭坑矿井水污染防控、矿区地下水资源及生态环境保护利用等提供理论及技术支撑。      

采煤对浅层地下水环境的影响及矿井水生态利用分析

黄河流域中上游矿区煤?水矛盾突出,煤炭开采对地下水环境造成一定的破坏。基于此,以鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田榆神府矿区为研究区,在野外调查、数据分析、室内测试的基础上,分析研究区矿井水的量质特征,揭示煤炭高强度开采对地下水环境的影响,并开展矿井水生态利用研究。结果表明:研究区矿井富水系数在0.23~2.28,平均为0.91,评估2020年区内矿井排水量高达4.70亿m3,受采掘活动影响,浅埋煤层开采区地下水位下降趋势明显;区内矿井水出现不同程度的污染组分超标现象,主要超标指标为化学需氧量(COD)、Na+、SO₄ 2?、溶解性总固体(TDS),未处理的矿井水外排将会污染区内地下水环境;研究区浅层地下水超限的水质指标主要为NO₃-N,与矿井水超限水质指标差别较大,反映出浅层地下水水质受采矿活动影响较小;提出矿井水浅层回灌和矿井水生态灌溉2种模式开展研究区矿井水的生态利用,矿井水回灌对矿井水中的溶解性有机碳、色度具有较好的去除效果,回灌后出水满足Ⅲ类地下水限值;浅埋煤矿矿井水具有作为矿区生态修复灌溉用水的较好潜力,中深埋煤矿和深埋煤矿矿井水不适宜作为灌溉用水。研究结果为我国西部煤矿区水资源保护和生态修复提供重要依据。      

国内外矿井水处理及资源化利用研究进展

煤矿区矿井水处理及资源化利用是实现煤炭工业高质量发展与矿区生态文明建设双重目标的重要推力。在全球水资源短缺与生态环境保护的约束下,矿井水作为一种非常规水资源,其大规模处理与高效利用是未来发展的必然选择。文中从煤矿区矿井水水质特征出发,全面论述了矿井水水质形成机制与水质评价方法,并将矿井水水质形成划分为含水层水–岩作用和采空区水–岩作用2个阶段。系统分析了国内外含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水及含特殊组分矿井水处理技术优缺点,重点阐述了含悬浮物矿井水高效旋流净化、高矿化度矿井水双极膜和膜蒸馏处理、酸性矿井水人工湿地处理的新技术。在总结国内外矿井水资源化利用现状的基础上,阐明了矿井水资源化利用的途径主要包括工业生产用水、生态用水、生活用水及热能利用4种。最后,提出了目前我国煤矿区矿井水处理及资源化利用存在的问题及科学思考,建立了矿井水处理及资源化利用概念模型,通过不断推进矿井水处理及资源化利用技术研发,提高矿井水资源综合利用率,解决煤矿区水资源供需矛盾,促进社会经济增长、煤炭资源开发与矿区生态文明建设三者之间的协同发展。     

山东济宁杨营煤矿工业广场新近系砂层水井回灌量分析

杨营煤矿拟采用水源热泵空调系统替代传统的取暖、空调设施。为满足水源热泵空调系统室外地能换热系统设计的需要,需确定静水和动水无压回灌的效果,抽水井、回灌井的数量和间距。通过对杨营煤矿工业广场新生界砂层含水特征及新近系深水井的抽水和回灌试验,进行了静水和动水无压回灌的比较,发现动水无压回灌的效果较好,回灌量较大,回灌比达67%,从而确定了实现全部回灌的井群布置方式:根据系统需水量大小,采用抽水井、回灌井为1∶2或2∶3的比例设置水井数量,井间距不小于75 m。     

基坑工程降水回灌一体化装置研制

为保证基坑降水工程中回灌水满足济南泉域地下水系统的水质要求,研制了基坑工程降水回灌一体化装置。该装置包括回灌主机和集水箱2个部分,主要组件由水泵、过滤器、压力罐、电控系統、集水箱、回灌井管材等构成。介绍了回灌设备工作原理、技术特色。通过济南轨道交通R1线大杨庄站基坑降水工程的成功应用,验证了该基坑工程降水回灌一体化装置取得的良好环境效益和社会效益。     

伊通满族自治县煤矿二井水文地质类型划分探讨

在系统整理、综合分析伊通满族自治县煤矿二井勘探、矿井建设生产各阶段所获得的地质、水文地质资料的基础上,主要从矿井受采掘破坏或者影响的含水层及水体、矿井开采受水害影响程度以及防治水工作难易程度等方面,按照矿井水文地质类型各项划分要求,确定矿井水文地质类型。提出伊通满族自治县煤矿二井水文地质类型为复杂型的结论从而分析和评价矿井水害危害程度,经济合理地搞好矿井防治水工作提供了基础资料。     

回灌井暂时性堵塞物的形成及其排除过程变化机制分析

以定期回扬方法及时排除回灌井中的暂时性堵塞物是整个回灌工作的重要环节,它对延长回灌井寿命提高回灌效益是至关重要的。回灌过程中井下形成的暂时性堵塞物,主要由三部分物质组成:回灌水本身固有的杂质;回灌水源转入地下后与地下水之间产生一系列物理、化学和生物化学反应所形成的物质;含水介质中的细颗粒成份。在回扬作用下这些暂时性堵塞物形成回扬水混浊度而被排除到井外,所以研究暂时性堵塞物的形成及其排除过程变化规律,要从研究回扬水混浊度变化机制入手,亦即通过回扬试验来实现。     

关于龙门石窟景区泉水间歇性断流影响因素的分析

景区内大部分泉水受东西向断裂控制,东西向断裂是常村煤矿、龙门煤矿与泉水联系的重要通道,矿井中的地下水大部分为煤层底板的石炭系灰岩及寒武系白云岩中的岩溶水,在采矿过程中遇到导水断裂造成矿井突水,引起地下水位下降,泉水动态主要决定于煤矿排水量的大小;在双层结构水文地质区,供水井开采地下水可引起浅层水与深层水发生补排关系,是泉水动态变化的间接影响因素。煤矿排水占全区总排水量的80．2％,供水井抽水占全区总排水量的19．8％,因此,影响龙门石窟景区泉水断流的主要因素为矿井排水,供水井开采是泉水断流的次要因素。     

重庆青鹏煤矿-200m水平突水水源分析

青鹏煤矿位于重庆市沙坪坝区青木关镇及壁山县壁城镇,已开采50余年.随着开采水平的延深,矿井地下水流场发生了相应的变化,改变了地下水原有的补、径、排条件.2012年2月,青鹏煤矿-200m水平-22103运输巷施工过程中,碛头煤层(M2)顶板裂隙突水造成局部淹井事故.通过地面及井下水文地质调查以及采取地表水、泉水、矿井水样进行水质分析,指出矿井突水水源由须家河组裂隙水、采空区积水和嘉陵江组灰岩岩溶裂隙水的越流补给3部分组成.为矿井防治水提供了水文地质依据.     

高矿化度矿井水深部转移存储介质条件及影响机制

我国西部干旱-半干旱矿区既面临水资源匮乏,又面临矿井涌水量大、矿井水矿化度高等难题。为减少采煤过程中水资源浪费、保护西部地区水生态环境,基于保水采煤和煤-水双资源协调开采等理论基础与技术方法,围绕“矿井水深部转移存储”这一核心科学理念,提出将处理后的矿井水进行高压深井转移存储,转移至煤层底板深部含水层中存储。在鄂尔多斯盆地东部某矿实施试验井工程,通过开展野外岩样采集、室内电镜扫描、岩石成分分析、压汞等实验与定量-定性方法,研究目的转移存储层的水文地质条件和特征,分析不同高压水力压裂增渗试验主控因素,对比矿井水水质、转移存储层原生地层水水质和转移存储后混合水质,获取了矿井水高压持续深井转移存储的水文地质效应。结果表明:目前试验井单井累计转移存储矿井水量已满足设计预期,且持续高压水力压裂增渗方式可不断改善和渐次增强目的存储层的矿井水存储能力,延长服役时效。因此,高矿化度矿井水深部转移存储在技术和经济上具有可行性,将对西部地区水资源保护、水生态环境可持续发展产生重要意义;同时,相比高矿化度矿井水处理成本,能够有效缓解矿井水处理经济负担,为西部煤矿区矿井水转移存储提供典型示范。      

Technologies of Preventing Coal Mine Water Hazards for Sustainable Development in North China

As hydrogeological conditions of coal field in North China are complicated, coal mine water hazards have been occurring frequently. Nearly 80% of coal mines are affected by Ordovician and Permo-Carboniferous Karst water. According to rough statistics, 200 incidents of water inrush have occurred since 1950, 1,500 persons have died, and there is an economic loss of 3 billion Yuan (RMB). The climate of North China belongs to drought or semi-drought zone. So the recharge amount of ground water by infiltration of precipitation is limited. Stronger coal mine water drainage has brought a series of environmental problems, such as water resource and lots of famous Karst springs exhausted, surface collapse emerged, mine water contaminated. Coal mine water hazards are so serious that the economic benefit of coal mines is dropping. Sustainable development of coal mines is affected. So, preventing coal mine water hazards and protecting geological environment are essential. This thesis focuses on preventing coal mine water hazards technologies. The technologies include four aspects: exploration of hydrogeological conditions; prediction and forecast of water inrush; mining under safe water pressure; and sealing off groundwater by grouting.     

Coal mining impacts on water environs around the Barapukuria coal mining area, Dinajpur, Bangladesh

The present research makes an effort towards awareness of the impact of underground coal mining on water environment around the Barapukuria coal mining area, Dinajpur by direct field investigation, questionnaire survey and laboratory analysis. For this research, the three foremost errands have been mulled over which are the water level data analysis for 10 years from 2001 to 2011, ground water major parametric analysis and the questionnaire survey on the availability of ground water before and after coal mining operation. The results of field and laboratory analysis show that the characteristics and concentrations of all the major physical and chemical parameters such as pH, EC, Temperature, HCO₃ ^?, NO₃ ^?, SO₄ ^2?, Cl^?, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ and Fe^(total) are still tolerable for all purposes and also within the standard limit. On the other hand, the questionnaire survey and water level data analysis confirm almost similar results regarding the depletion of water level. The water level has depleted more than 5 m from 2001 to 2011. Therefore, currently the availability of ground water is normal in the rainy and winter seasons but is slight problematic in the dry season where ground water was available at all times prior to coal mining in the area. From these scenarios, it is comprehensible that the ground water level moves downwards than earlier because of the excess pumping of water from the mine area. Besides the natural recharge condition is not enough and somewhere breaks off while some of the mines out areas are subsided, consequently the upper part of the water bearing formations (aquifer) loses its porous and permeable properties resulting water recharging problem which is directly responsible for depleting the ground water level over the area. Moreover, the water levels will also decline relative to the location, depth, recharge, and discharge conditions of the mine both aerially and vertically while there is a typical relationship between the depth of mining and static water level which is water levels will decline more as the mine goes deeper. Therefore, taking into account the current ground water condition and the depth of Barapukuria coal mine, this research implied that the water level will deplete more in day coming and the water crisis will be more for future. Thus, this research recommends a sustainable guideline for long-term planning and also suggests that regular monitoring with time to time more detail qualitative and quantitative assessments of water bodies in the area.     

煤层顶板承压含水层涌水模式与疏放水钻孔优化设计

针对煤层顶板承压含水层涌水模式不清的问题,从煤层回采过程中顶板含水层涌水的时空变化特征入手,提出顶板含水层涌水量由静态储存量和动态补给量构成,认为静态储存量主要受来压步距、顶板垮落和导水裂隙(合称冒裂)影响区含水层厚度、含水层给水度控制,动态补给量主要受冒裂影响区外围含水层厚度、渗透性流场中水力梯度和过水断面面积控制;根据导水裂隙波及含水层情况,将顶板含水层涌水模式划分为井底进水的触及井涌水、井壁及井底进水的非完整井涌水和井壁进水的完整井涌水3种模式,并基于地下水渗流理论给出不同涌水模式下动态补给水量计算公式;针对以往疏放水钻孔数量多及疏放水量大的问题,以实现工作面顶板含水层静态储存量疏放后动态补给量可控为目的,提出冒裂区高度控制钻孔深度、单孔水位影响半径控制钻孔布置间距、钻孔疏放水量稳定时间控制超前疏放时间的疏放水钻孔优化设计理念,对疏放水及疏放钻孔布置进行优化,形成系统的顶板含水层水疏放体系。研究结果丰富了煤层顶板含水层涌水量计算和控制方法,对顶板水害防控具有实际的指导意义。      

回注井与矿井水处理

为解决矿井水排放对周边环境和地下水水质的污染,对矿区水文地质资料进行了认真分析,认为梧桐庄矿井位于鼓山东南端的停滞区,属基本封闭的地垒块段,含水层基本处于停滞状态,具备回注储存高矿化度矿井水的地质构造条件。在选定区内建凿大口径回注井组,将经地面水处理厂多级处理后达标的矿井水,通过管网系统分级配送利用、回注储存,用于矿井生产、生活及农田灌溉。该工艺技术解放煤炭资源3 900万t,实现了水资源循环利用,达到了节能减排,保护生态环境的目的。     

用水化学及环境同位素方法测定井下突水水源

以京西杨坨煤矿的试验为例,概述了应用环境同位素和其它水化学成分研究矿井突水来源的成果。为矿井防治水提供了可靠依据。      

煤炭坝矿区矿井涌水条件分析及防治水措施

湖南省煤炭坝是闻名全国的大水矿区,其矿井充水的特点是:矿井水主要由地下水集中径流带补给;涌水量大主要是因降落漏斗面积与深度扩大所致。防治水措施应主要采取帷幕截流,减少矿井涌水量;井下埋管控制大突水点,注浆堵塞小突水点;地面防塌堵漏,缩小降落漏斗范围。      

利用水化学场,温度场判断矿坑水补给源及其比例

不同补给源的水,其水质、水温存在差异。根据质量和热量守恒原理,通过对不同补给水源进行长期观察,可确定矿坑水的补给源及其比例。作者推导出了存在二种和三种补给水源情况下各补给水源所占比例的计算公式,并应用到湖南洞口县的石下江煤矿,取得了良好效果。     

矿井水的资源化与环境保护——以焦作矿区典型地段为例

针对我国煤矿区目前普遍存在的排、供矛盾和环境地质问题,本文首次提出了矿区排水、供水、环境保护三位一体优化结合的经济-水力管理模型。该模型通过布设地面矿坑抽水孔和奥灰(奥陶系灰岩)浅排孔等地上应急取水建筑物,增强了结合系统整体抗御突发性水害的能力,较好地解决了供水水源安全、稳定问题。同时,三位一体结合模型较为圆满地处理了长期以来从地质勘探到评价管理各个不同阶段,排、供和环保3个不同部门各立门户的封闭局面,避免了大量的重复投资,提高了评价、管理、决策的整体水平。本文以焦作矿区典型地段为研究实例。