煤矿地下水库DOM来源解析

为深入了解溶解性有机物(DOM)在煤矿地下水库水环境中的变化过程,本研究利用三维荧光光谱(EEMs)结合平行因子分析(PARAFAC)模型,分析了大柳塔煤矿地下水库进出水中DOM 组分的变化情况,并利用主成分分析法对影响水体 DOM 的主要因素进行了研究。 研究结果表明,煤矿地下水库有一定的净化作用,表征 DOM 的 TOC 和 UV 254 在出水处有明显降低;地下水库水体中 DOM 可分为紫外区类富里酸(240 nm/380 nm)、类蛋白色氨酸(275 nm/330nm)、紫外区类富里酸(255 nm/380 nm)、可见类富里酸(265 nm,355 nm/380 nm)4 个组分;通过主成分分析以及对 f 470/520 、HIX、BIX 3 个参数的分析,结果表明 DOM 的来源表现为内源输入与陆源输入共同作用,但以内源输入为主的特点,在地下水库的运行管理过程中应重点考虑内源污染的治理。     

井上下联合处理工艺处理矿井水过程中溶解性有机质变化特征

井上下联合处理工艺处理矿井水过程中,利用三维荧光光谱分析了矿井水中溶解性有机质的组成和变化特征。结果表明：不同处理工艺段对矿井水中DOM去除效果存在较大差异,采空区处理对矿井水中TOC和UV254的去除率分别达到67.453%和65.396%,深度处理可完全去除大分子有机物和芳香族化合物。三维荧光光谱显示,矿井水中表征出3类DOM,酪氨酸类芳香族蛋白质、色氨酸类芳香族蛋白质、溶解性微生物代谢产物。经过采空区处理后,3类有机质荧光强度都有较大降低,下降率分别为50.1%,54.4%和47.2%;深度处理使酪氨酸类有机质荧光峰消失,色氨酸类和溶解性微生物代谢产物荧光强度下降了75%左右。矿井水、采空区出水、常规处理出水中 DOM主要为生物来源;膜过滤出水中残留的DOM主要源于陆生植物和土壤有机质;总体上,矿井水处理过程中来自生物或水生细菌的新近自生源组分比例逐渐增加。     

新集矿区地下水中溶解性有机质荧光特征及其指示意义

利用三维荧光光谱(Three-dimensional fluorescence spectrum)对新集矿区地下水中溶解性有机质(DOM)特征进行分析,结合TOC和UV_(254)来判断地下水中有机物的来源,以此进行含水层的识别。结果表明:地表水的可溶性有机质含量最高;松散层水中主要出现Ⅱ区荧光峰,含少量Ⅲ区的类富里酸荧光峰,且峰值比地表水低;砂岩裂隙水中砂岩裂隙水存在特殊的有机物来源,极有可能是来自于地表污染源,三维荧光图谱也证明这一点;采空区水中DOM以Ⅱ区荧光峰为主,其荧光峰强度明显高于松散层水和砂岩水。利用三维荧光光谱能有效地分辨出新集矿区上覆水体、砂岩水和采空区水之间的差异,为煤矿突水水源的识别提供技术支持。     

煤矿井下不同区域矿井水中有机污染特征

为了弄清煤矿井下不同区域矿井水中有机污染特征,以神府矿区某浅埋矿井为研究对象,基于三维荧光指纹技术和区域体积积分法开展了矿井水水质特征研究。结果表明:神府矿区井下矿井水中阴阳离子等组分主要来自顶板基岩含水层,煤炭开采产生了氮素,有机物等污染物,其中COD浓度超标率(Ⅲ类地下水质量标准)达到72.7%;02综采工作面矿井水中COD则达到Ⅴ类地下水质量标准,且TOC和UV254也较高。1~5号矿井水中DOM主要出现了芳香性蛋白类有机质荧光峰;综采工作面矿井水中Ⅴ区荧光峰非常明显,该类有机质来自工作面回采和检修过程中综采设备溢油。1~5号矿井水中类酪氨酸和类色氨酸的标准体积比例Pi,n之和>52.0%,说明芳香性蛋白质有机物是本地区地下水中重要的DOM;02综采工作面水样中多环芳烃类有机物的标准体积比显著增加,反映了检修过程中大量多环芳烃类油污进入矿井水;矿井水处理厂进出水水质具有井下不同位置矿井水的综合特征,Ⅰ区和Ⅴ区有机质可以有效地被微生物利用或处理工艺去除。COD与Φi,Pi,n,FI,TOC,UV254的相关性较低,表明矿井水中COD的主要成分为非溶解性的煤泥等物质;UV254和TOC与Φi,Pi,n,FI的相关性显著增加,表明区域体积积分法和峰值法都能够很好地表征DOM的荧光特征、含量等。     

云盖山矿井水中溶解有机质三维荧光光谱特征分析

以云盖山一矿为例,利用三维荧光光谱进行了溶解性有机物（Dissolved Organic Matter,DOM）荧光光谱特性的初步分析。结果表明：研究区矿井水中DOC浓度差异不大（ 2.277~ 4.104 mg/ L）,但石门矿井水中UV 254 是其他水样的3.0~4.3倍;所有矿井水SUVA值均<3 L/(m·mg),〖JP〗表明其来源是内源的或者缺少陆源的有机质;矿井水中有机物荧光强度普遍不高,而不同矿井水DOM主荧光峰强度差异较大,Peak A只出现在顶板裂隙水,Peak F只出现在石门矿井水中,Peak B,Peak C和Peak D在各采样点矿井水中均有出现,Peak E出现在有人类活动的石门和轨道巷区域;色氨酸类蛋白质荧光强度与DOC浓度线性相关度较高（ R 2=0.999 1）,酪氨酸类蛋白物质荧光强度与DOC浓度呈负相关（ R 2=0.527 9）;类蛋白和类腐殖质荧光强度的比值 r 显示顶板裂隙水受污染程度最低,石门矿井水受污染程度最高。     

煤矿地下水库对矿井水净化机理研究进展

煤矿地下水库对矿井水的净化作用主要在于库内岩体与矿井水发生的水-岩耦合作用。本文系统梳理了煤矿地下水库水-岩耦合作用的研究方法，指出水样水质测试和岩样理化性质表征项目，并通过静态模拟、动态淋滤、循环净化模拟等试验，探索煤矿地下水库对矿井水的净化规律，利用数值模拟获取反应过程中离子的选择性吸附趋势，结合Piper三线图、Gibbs模型和相关性分析等方法揭示水-岩耦合作用机理。论述了煤矿地下水库对矿井水中悬浮物、特征离子和有机物的净化作用和研究进展，研究表明，煤矿地下水库对矿井水具有一定的净化效果，其中对特征离子的净化主要与溶滤和吸附作用相关；提出了未来煤矿地下水库净化技术的3个研究方向:①基于水-岩耦合净化作用的井下矿井水大规模低成本处理技术；②耦合多种水处理技术的煤矿地下水库“三位一体”水质控制技术；③浓盐废水井下存储及资源化利用技术。     

利用三维荧光光谱判别煤矿区含水层水力联系

为了弄清陕北某矿上下含水层是否存在水力联系,利用三维荧光光谱研究了溶解性有机质(DOM)荧光特征,结果表明:各含水层之间DOM荧光指纹差异较显著,浅部微生物活动强烈,Ⅱ区和Ⅳ区荧光峰较强;深部微生物活动趋于稳定,Ⅱ区和Ⅳ区荧光峰较弱;第四系水中存在Ⅲ区荧光峰,直罗组下段的Ⅴ区荧光峰较强。ZLG-8孔水中Ⅱ区荧光强度偏低,Ⅳ区未出现荧光峰,表明该层水中微生物新陈代谢极不活跃,属于深部地下水环境;以Ⅴ区荧光峰强度作为特征值,与直罗组下段含水层中DOM荧光特征相同。综合分析确定ZLG-8孔水来自直罗组下段含水层,与上部含水层没有直接的水力联系。     

煤矿地下水库技术原创试验平台体系研制及应用

煤炭是我国主体能源,西部是我国煤炭主产区,矿井水保护利用是煤炭开发面临的重大技术难题。国家能源集团煤炭绿色开采技术研发团队经过20多年持续技术攻关,首创了煤矿地下水库技术,在西部神东矿区推广应用,为矿区开发提供了95%以上用水,确保了矿区可持续开发。为进一步丰富完善煤矿地下水库理论和技术体系,在西部煤炭主产区不同地质和工况条件下推广应用该技术,保障国家能源安全和水资源安全,研发团队构建了煤矿地下水库原创技术试验平台体系,包括煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台、多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台、煤矿地下水库坝体结构试验平台、西部深部井工矿井筒施工模拟试验台、地下水库水岩耦合机理试验、水处理工艺集成试验平台、煤矿地下水库冲击试验平台等,能够开展西部矿区不同煤层赋存条件下地下水运移规律、坝体结构参数优化、水库安全稳定性、水岩耦合作用机理、矿井水处理工艺参数优化、垮落岩体垮落冲击对坝体影响等研究,为煤矿地下水库建设、运行和安全提供理论支撑和技术验证。利用上述试验平台,开展了多煤层开采煤矿地下水库稳定性及渗流规律模拟、煤矿地下水库坝体结构安全、煤矿地下水库水岩耦合机理等多项试验研究,相关...     

有机-无机联合矿井突水水源判别方法

溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)在随地下水运移过程中,不同含水层水中DOM含量、类别、荧光强度等均存在较明显差异,因此结合无机水化学,开展了有机-无机联合的矿井突水水源判别方法研究,结果表明:地下水中无机组分浓度分布具有垂向分带性,利用pH、矿化度(TDS),HCO3,SO4等无机指标,可以判别浅部含水层和深部含水层水化学特征差异; DOM进入含水层后发生氧化还原反应强烈,其浓度(TOC含量和UV254)变化快、差异大,可以识别地表水与第四系水的水化学特征;第四系与白垩系含水层,以及覆岩破坏范围内的细分含水层,水中无机组分和有机组分含量非常接近,而荧光指纹技术灵敏度高,可以根据3DEEM光谱图分析DOM类型和荧光峰强度等差异,区分相邻含水层的水化学特征差异。陷落柱等地质异常体作为特殊的地质环境体,其内部水体中DOM相对丰富,其DOM含量和荧光指纹特征与奥灰水差异显著。将有机-无机联合开展不同含水层水化学特征分析,能够很好地区分不同水源,为矿井突水事故发生时快速判别水源提供科学依据。     

煤矿地下水库建设需注意的关键技术问题

为了保护宝贵的矿井水资源,大柳塔煤矿将井下采空区作为矿井水"转移、净化、储存、利用"的空间,创造性地建成了我国首座煤矿地下水库,实现了矿井水资源的循环利用。根据现场实践经验,就煤矿地下水库建设条件、位置确定、坝体施工、安全设施及管理等关键技术问题进行了探讨和详细介绍。     

煤矸石去除矿井水中水溶性有机物及氨氮的实验研究

煤矸石去除矿井水中污染物的有效性对于评价目前煤矿区实施的地下水库技术及实现矿井水的高效综合利用具有重要意义。以神华神东煤炭集团公司补连塔煤矿取得的煤矸石为水处理剂、取得的矿井水作为研究对象,通过柱实验研究室温条件下煤矸石对矿井水中有机物和氨氮的去除效果。研究结果表明:在6.44个孔隙体积数(PV数)的矿井水的淋滤实验过程中,煤矸石对矿井水中DOC的去除能力可达到64%,这与煤矸石中高岭石、白云母、伊利石和绿泥石等铝硅酸盐矿物对有机物的吸附、降解作用有关,但其对矿井水中芳香族化合物的阻滞及去除能力小。实验过程中煤矸石对氨氮的去除效率逐渐下降但仍能达到81%,因此研究用煤矸石对矿井水中氨氮有着较高的去除能力,这主要是由于煤矸石中含有的伊利石及高岭石均具有一定的阳离子交换容量而对氨氮起到吸附作用。试验中后期,流出液pH值高于了原水值,这与氨氮的水解作用有关,出水ORP显著下降,这说明在模拟的水-岩系统中还原环境不断增强,有机物的降解作用得到增强。     

磁窑沟煤矿采空区储水自然净化利用技术应用

磁窑沟煤矿为了保护地下水资源,实现绿色矿山的建设,应用理念先进、生产可行、经济合理、安全可靠的环保创新技术,科学合理的利用采空区的空间,建立了矿井地下水库,具备矿井水"转、储、净、用"4大功能,是晋神公司的首个矿井地下水库工程,实现了矿井水资源的循环利用.总结了地下水库工程的建设和使用经验,对地下水库建设的关键性技术以及应用中的管理方面等相关问题进行了详细阐述.     

煤矿地下水库理论框架和技术体系

针对我国西部（晋陕蒙宁甘）地区富煤缺水,且蒸发量是降雨量的6倍左右的条件,以及西部煤炭规模化开采产生的裂隙场,破坏了原有的地下水系统,产生大量矿井水,为保障煤矿安全,解决将大量矿井水外排地表蒸发损失的问题,提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念,研究开发了涵盖煤矿地下水库设计、建设和运行的技术体系,包括水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障等六大关键技术,并在神东矿区成功建设了示范工程,累计建成32座煤矿地下水库,为矿区提供了95%以上用水,且实现了长期低成本安全稳定运行。工程实践表明,煤矿地下水库是充分利用地下自然空间和自然力储存和净化矿井水的安全、低成本、规模化的储水技术,为西部地区煤炭开采地下水资源保护利用提供了有效技术支撑。     

灵新煤矿地下水库煤柱坝体合理尺寸研究

近年来,煤矿地下水库技术已成为西部地区保护和利用矿区水资源的重要手段,地下水库矿井水已成为西部地表生态灌溉的重要水源之一。以西部矿区灵新煤矿近距离倾斜煤层群采掘地质条件为工程背景,针对该矿首座煤矿地下水库建设过程中遇到的煤柱坝体留设问题,采用数值模拟的方法,分析了六采区工作面开采和水库储水压力两大因素对煤矿地下水库煤柱坝体的影响。研究表明:相关工作面回采后,会在煤柱坝体及邻近围岩中产生塑性区,随着煤柱坝体宽度的增加,煤柱坝体及附近围岩中塑性区相互贯通的趋势逐渐减弱。当煤柱坝体宽度增至50 m时,塑性区相互贯通的现象消失;当煤柱坝体宽度增加到60 m时,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区间距(塑性区未贯通区域)扩大至40 m左右。在储水压力作用下,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区裂隙将发生二次扩展,随着水压的增大,裂隙扩展长度逐步增大,在3 MPa水压(储水高度300 m)作用下塑性区裂隙扩展长度达到5 m左右。因此,为防止水力作用下煤矿地下水库透水灾害的发生,认为煤柱坝体合理尺寸应取60 m。     

有机氮和“三氮”在西部煤矿区地下水库迁移转化的实验研究

基于浅埋深、薄基岩、厚煤层的赋存条件,在我国西部煤矿区往往排出富含有机氮和无机氮(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮或氨氮)的矿井水,如果不经过处理就直接排放,会给生态环境带来严重危害。作为实现保水采煤、生态保护的措施之一,地下水库技术已在我国多个西部生态脆弱煤矿区得到了实施,然而有关水质保障及安全运行的研究报道甚少。研究通过矸石柱模拟补连塔矿地下水库的水文地质环境,结合水中TN、"三氮"等理化指标的测试,开展了矿井水中有机氮和"三氮"的迁移转化规律研究。研究结果表明:渗流流量均值0.51 mL/min、1 016 h(12.54个孔隙体积数PV)内,在模拟的水-岩间的缺氧环境中,同时存在有机氮的矿化作用、亚硝酸盐及硝酸盐的反硝化作用。在实验初期的1.19～2.47 PV,有机氮浓度快速下降,而氨氮浓度快速上升,这说明试验初期有机氮的氨化作用较强。之后有机氮的矿化作用逐渐减弱,导致水中氨氮含量逐渐减小并趋于稳定。在矿井水C/N为2.32～3.08的条件下,较强的还原作用导致亚硝酸盐的去除率在99.9%以上、硝酸盐的去除效率在74%～90%。矿井水TN的去除效率在57%～71%,由于淋滤用液硝酸盐含量较低,因此TN的去除主要与亚硝酸盐的减少有关。有机物降解过程低分子量有机酸的生成使得水中H~+含量升高、淋出液pH值始终低于淋滤用液。研究结果可为地下水库技术的有效实施提供水质保障和安全运行方面的借鉴。     

神东矿区煤炭开采水资源保护利用技术与应用

针对神东矿区矿井水外排蒸发损失的问题,分析了以往保水采煤方法的不足,系统研究了矿区水文地质条件,提出了矿区三类水(近地表土壤水、第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水)概念。在此基础上,神东矿区通过开展一系列水资源保护和利用技术研究,掌握了矿区煤炭现代开采地下水的运移规律,相继研发了采空区储水设施、煤矿地下水库和煤矿分布式地下水库的水资源保护和利用技术,形成了以煤矿地下水库为核心的矿区水资源保护和利用技术,并通过技术提升,建成了大柳塔矿分布式地下水库示范工程,实现了矿井水井下循环利用。现场工程应用表明,神东矿区煤矿地下水库安全稳定运行,提供了矿区95%以上用水,有效保障了矿区的可持续发展,为我国西部地区煤炭开采水资源保护利用技开辟了新的技术途径。     

复杂地质条件下煤矿地下水库建设研究

针对西部煤矿主产区煤炭开采与水资源保护矛盾突出的问题,采用了煤矿地下水库建设技术实现矿井水保护与利用。以宁煤灵新煤矿为对象,研究在缓倾斜煤层条件下建设煤矿地下水库。水库建设地址位于井田开拓的一采区的北翼,总库容可达380万m3,挡水坝体采用钢筋混凝土平板支墩坝。通过布置监测系统,可实现地下水库运行状况的数据采集和分析,为水库安全运行和维护提供有力保障。     

“能源金三角”地区煤炭开采水资源保护与利用工程技术

针对制约我国煤炭开发战略西移面临的水资源短缺问题,避免矿井水外排地表蒸发损失和造成土壤盐碱化,开辟节省土地资源和节约建设运行费用的矿井水储用的新途径,保护和利用西部矿区宝贵的矿井水资源,提出了矿井水井下储存利用的新理念,即利用煤炭开采形成的采空区作为储水空间,用人工坝体将不连续的煤柱坝体连接构成复合坝体,建设煤矿地下水库。开发了水库水量预测、水库选址、库容计算、坝体建设、安全运行和水质保障等关键技术,建立了煤矿地下水库技术体系,在神东矿区建设了示范工程。目前已建成32座煤矿地下水库,储水量达3100万m3,供应了矿区用水量的95%以上,为矿区发展提供水资源保障,为我国煤炭开采水资源保护利用提供了新的技术途径。     

煤矸石中溶解性有机质(DOM)溶出的动力学变化

以神华神东煤炭集团公司补连塔煤矿采空区取得的煤矸石作为研究对象,通过淋滤实验,探索室温条件下煤矸石中溶解性有机质的溶出动力学规律。研究结果表明:煤矸石淋出液的p H值从最大值8.74下降到7.64,电导率(EC)和溶解性总固体(TDS)均经过了快速下降、慢速下降至稳定的3个阶段,并且硝酸盐和氨氮的含量很低。淋出液中溶解性有机碳(DOC)、UV254经过了快速增大、减小至稳定的3个阶段,且DOC和UV254具有一定的线性相关关系,这说明煤矸石水溶性DOM中含有一定的苯环类芳香族化合物。DOM样品中主要有3类荧光峰,即类芳香族蛋白峰、溶解性微生物代谢产物峰和海洋腐殖酸峰,其中,93.3%的样品中出现有类芳香族蛋白荧光峰。样品的荧光指数FI值从1.85逐渐上升到最大值2.77,SUVA254最大值为0.7 L/(m·mg),生物源指数BIX在0.78~1.23间波动,均可证实煤矸石中DOM主要是以微生物源(内源)有机质为主,且与生物或细菌活动密切相关。     

高矿化度矿井水地下回灌对毛乌素沙漠地下水水质的影响

针对煤矿建设阶段普遍存在的矿井水回灌至浅层地下含水层问题,以生态脆弱的毛乌素沙漠腹地某煤矿为研究对象,重点开展了高矿化度矿井水地下回灌的水质影响研究,结果表明:尽管矿井水中含有多种污染组分,但采用地下回灌方式,可以利用风积沙层的自然过滤净化作用,去除水中绝大部分NH_4、NO_3、COD、大肠杆菌等污染组分,大大增加了当地的水资源量,避免了二次污染和无效蒸发等问题。风积沙层中蕴含丰富的低矿化度地下水资源,在稀释作用下,可以有效降低矿井水中TDS浓度,回灌影响区域在80 m范围内,80 m以外的矿井水已成为可直接利用的地下水资源。建井阶段采用地表回灌,生产阶段建设地下水库,可以有效保护和利用矿井水资源,实现西部矿区的绿色可持续发展。