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煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场-水化学场-微生物场耦合作用与数值模拟
1
作者 孙亚军 熊小锋 +4 位作者 陈歌 徐智敏 张莉 赵先鸣 DMYTRO Rudakov 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期941-957,共17页
煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂,受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著。深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础。以鄂... 煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂,受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著。深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础。以鄂尔多斯盆地某煤矿采空区为水文地质原型,在前期研究的基础上,进一步建立了煤矿采空区积水水位回升、蓄满后水动力-水化学-微生物场(HCB)多场耦合室内相似模拟和数值模型。采空区水动力场研究结果表明基质-裂隙双孔隙模型能有效模拟采空区水位回升过程,模拟误差为9.9%,其模拟精度远高于理论预测和单孔隙模型。水化学场模拟结果与试验较为吻合,SO_(4)^(2-)、HCO_(3)-和p H模拟相对误差分别为3.0%、21.0%和6.2%,模拟结果较为可靠。模拟结果显示采空区蓄水过程中水岩反应和微生物作用不明显;而蓄满后水动力几乎停滞,但水化学场和微生物场较为活跃,2号煤和3号煤层中黄铁矿的氧化反应使得SO_(4)^(2-)质量浓度提升约24.6%;后期采空区水环境演化为弱酸性、厌氧还原条件,微生物降解作用凸显,将SO_(4)^(2-)有一定的“自净”能力。通过调整微生物代谢速率常数,可将SO_(4)^(2-)降解比例提高到61.6%。实际工程场景中可通过补充碳源、人工建立密闭厌氧环境等强化手段实现这一目标。将多场耦合室内试验和数值模拟技术拓展到煤矿采空区积水水质形成与演化规律研究,研究结论可为煤矿区矿井水污染防治提供指导。 展开更多
关键词 矿井水水质 水动力场 水化学场 微生物场 多场耦合
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煤矿采空区水-岩作用模拟试验研究 被引量：3
2
作者 孙亚军 赵先鸣 +7 位作者 徐智敏 郭娟 张莉 陈歌 陈天赐 朱璐璐 高雅婷 陈炜阳 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期237-246,共10页
采空区积水在我国煤矿中广泛存在。明确在采空区封闭-半封闭环境条件下的水-岩相互作用机理,对实现煤矿区水污染减量以及地下水资源保护具有重要意义。以内蒙古某煤矿采空区积水为研究对象,设计高度还原采空区环境的箱式模拟试验,采用X... 采空区积水在我国煤矿中广泛存在。明确在采空区封闭-半封闭环境条件下的水-岩相互作用机理,对实现煤矿区水污染减量以及地下水资源保护具有重要意义。以内蒙古某煤矿采空区积水为研究对象,设计高度还原采空区环境的箱式模拟试验,采用X射线衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱仪(XRF)对模拟采空区填充物(煤、垮落岩体)中矿物成分及元素组成进行分析,借助离子色谱仪(IC)和电感耦合等离子体发射光谱分析仪(ICP-OES)等对水中水化学特征进行表征,探究采空区积水水质形成的水-岩相互作用机制。结果表明:水-岩相互作用主要为煤及垮落岩体中的矿物溶解-沉淀作用、阳离子交换作用、煤中黄铁矿氧化作用以及混合作用。矿物溶解作用占主导地位,采空区积水中的Na+、K+主要来源是钠长石、钾长石等硅酸盐矿物的溶解,而Ca2+和Mg2+主要来自于钙长石、方解石、绿泥石等矿物溶解;离子交换作用主要发生在采空区水-岩作用的初期(0~20 d),而后逐渐减弱;采空区底部残煤中黄铁矿氧化作用是积水SO42-浓度升高、还原性增强、pH和DO(溶解氧)降低的主要原因;混合作用在试验中后期(30~150 d)逐渐凸显,使采空区积水的水化学特征趋向于一致。研究结果为煤矿采空区积水污染预测以及防治提供理论参考。 展开更多
关键词 采空区积水 水-岩相互作用 箱式模拟试验
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煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场驱动作用及数学模型构建
3
作者 孙亚军 赵先鸣 +11 位作者 徐智敏 张莉 陈歌 冯琳 李鑫 陈天赐 袁慧卿 刘琪 郭娟 张健 刘嘉欣 熊小锋 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期4157-4170,共14页
煤矿开采过程必然引起区域地下水动力场的改变,并在一定程度上影响着矿井水的水质形成与演化,甚至诱发煤矿区地下水环境的污染问题。研究并揭示煤矿矿井水水质形成与演化的水动力场驱动机制及其关键参数的定量计算方法,是定量刻画煤矿... 煤矿开采过程必然引起区域地下水动力场的改变,并在一定程度上影响着矿井水的水质形成与演化,甚至诱发煤矿区地下水环境的污染问题。研究并揭示煤矿矿井水水质形成与演化的水动力场驱动机制及其关键参数的定量计算方法,是定量刻画煤矿区地下水污染问题及开展相应控制与修复工作的前提。本研究以鄂尔多斯矿区某煤矿的采空区为地质背景,阐明了其积水形成的水动力场演化过程与机制,根据水动力场流动路径的差异将其分为采空区水位回升阶段和蓄满水量交换阶段;在此基础上,揭示了采空区水质形成及演化的以水动力场为主要驱动力,水化学场、微生物场等多场协同作用的复杂过程;建立了基于顶板导水裂隙带不同垂高空隙反演的分层渗透系数定量计算模型,为开采扰动后采空区积水水位回升及蓄满后水量交换的计算奠定了理论基础;利用相似材料模拟试验和室内三维箱式模拟试验的实测数据与模型计算结果进行对比,理论计算渗透系数K和采空区水位回升高度随时间的变化与试验实测误差分别约为13.2%和22.5%,验证了理论计算模型的可靠性;最后,在煤矿采空区水动力场以及水动力场影响下的水化学场、微生物场的控制方程的基础上,明晰了水动力场–水化学场–微生物场之间的耦合关系,构建了水动力场主导下的多场耦合作用本构模型,为进一步探究水动力场耦合驱动下的煤矿矿井水水质形成及演化规律的多场耦合数值模型构建提供启示。该研究补充和扩展了煤矿矿井水污染防治理论。 展开更多
关键词 矿井水水质 采空区 水动力场 渗透系数 多场耦合
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鄂尔多斯典型煤矿不同功能区水化学与微生物群落特征及环境响应 被引量：1
4
作者 张莉 徐智敏 +4 位作者 孙亚军 朱璐璐 陈歌 高雅婷 赵先鸣 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期180-196,共17页
为探究煤矿井下不同功能区的微生物群落分布及其对水文地球化学特征的响应,以鄂尔多斯某矿为研究对象,在涉及矿井水的来源、形成、汇集和排放全过程的6个功能区中采集了24份水样,进行水化学组分检测和微生物16S rRNA基因高通量测序,并... 为探究煤矿井下不同功能区的微生物群落分布及其对水文地球化学特征的响应,以鄂尔多斯某矿为研究对象,在涉及矿井水的来源、形成、汇集和排放全过程的6个功能区中采集了24份水样,进行水化学组分检测和微生物16S rRNA基因高通量测序,并采用多元统计方法进行序列数据处理。研究结果表明:矿井水的水化学类型继承了其直接充水水源,均为高矿化度的SO_(4)Na型,而特征污染物SO_(4)^(2-)在煤巷和地表水池中浓度最高。不同功能区的微生物群落组成差异明显:属水平上检出的优势菌属包括能氧化硫化物的发硫菌属和硫氧化菌属,以及可降解有机物的新鞘氨醇杆菌属和短波单胞菌属等在煤巷、采空区中分布较高;好氧的Uliginosibacterium和具有极强吸附力且能降解有机物的不动杆菌属在岩巷中丰度最高;与氮循环有关的噬氢菌属和红细菌属在水仓和地表水中分布较高。微生物群落与水化学过程响应灵敏且关系密切;井工煤矿微生物群落分布不仅与C、N、Ca、Mg等营养元素相关,还与Fe、COD和SO_(4)^(2-)等氧化还原敏感物质密切相关。煤巷和采空区是地下水污染防控的关键区域;开采扰动后,煤中伴生的低价硫化物在化学氧化和硫氧化菌的催化氧化作用下生成大量SO_(4)^(2-);然而,当工作面停采半年到3年后,在物理或化学吸附、沉淀作用(前期占主导),以及硫酸盐还原菌的还原作用下(后期占主导),SO_(4)^(2-)降低了15%~34%,这说明采空区具有一定的自净能力。综上所述,研究成果可为矿井水污染防控的工程应用提供以下理论支撑:一方面可通过通氮气保持工作面的厌氧条件,从源头上减少SO_(4)^(2-)的生成;另一方面可以筛选、培养硫酸盐还原菌和有机物降解菌,制作成生物材料投加到井下进行原位地下水污染修复。 展开更多
关键词 煤矿开采 微生物群落 水化学特征 生物地球化学作用 矿井水
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我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建 被引量：38
5
作者 孙亚军 徐智敏 +9 位作者 李鑫 张莉 陈歌 赵先鸣 高雅婷 刘琪 张尚国 汪韦峻 朱璐璐 王晟 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2021年第5期1-16,共16页
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... 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。 展开更多
关键词 煤矿区 矿井水 污染防控 阻断 减量 保护
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煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制及研究进展 被引量：27
6
作者 孙亚军 张莉 +6 位作者 徐智敏 陈歌 赵先鸣 李鑫 高雅婷 张尚国 朱璐璐 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期423-437,共15页
煤矿开采必然产生大量矿井水,并可能引发水环境污染问题,研究并揭示矿井水的水质形成与演化机理,是煤矿区水污染防控的理论基础。矿井水的水质形成及演化过程非常复杂,受水动力场、水化学场、微生物场和温度场多场作用控制。通过矿井水... 煤矿开采必然产生大量矿井水,并可能引发水环境污染问题,研究并揭示矿井水的水质形成与演化机理,是煤矿区水污染防控的理论基础。矿井水的水质形成及演化过程非常复杂,受水动力场、水化学场、微生物场和温度场多场作用控制。通过矿井水水质形成的多场作用研究和文献调研,界定了煤矿区矿井水污染场地的研究范围,提出了我国矿井水水质形成的“三带”模型,以传统矿井水害形成的水文地质结构模型为基础,提出并阐明了华北型、西北—东北型、南方型3种典型矿井水水质形成的水文地质结构模式及主控因素;划分并阐明了矿井水水质形成的水动力场的演化阶段及作用过程,包括采前自然平衡、开采强烈扰动和闭坑后再平衡3个阶段;厘清了矿井水水质形成的水化学场控制因素,包括地下水原生化学背景、物源特征及主要化学作用、矿井水水质的总体特征及演化趋势等;提出并阐明了矿井水水质形成的微生物作用机制,论述了矿井水中微生物群落的分布特征、矿井水水质演化以及矿井水污染负荷减量的微生物作用过程;阐明了矿井水水质演化的温度场作用过程,分别探讨了矿区的原生温度场、采动温度场特征及其对矿井水水质演化的影响。在上述基础上,总体阐明了煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制,提出了多场耦合作用等问题的研究展望。 展开更多
关键词 矿井水水质 水动力场 水化学场 微生物场 温度场 多场作用
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底板太灰控水边界演化的动态精细评价与引流疏降治理
7
作者 孙亚军 赵先鸣 +2 位作者 徐智敏 张成行 张金陵 《煤炭科技》 2022年第4期1-9,18,共10页
随着我国东部矿区开采水平逐步向深部转移,受构造、岩溶发育、底板高承压水等静态因素及已有的底板注浆工程、开采工程等人为动态因素扰动,深部采区的水文地质边界与充水含水层的补、径、排特征已经发生巨大改变,给矿井深部采区的安全... 随着我国东部矿区开采水平逐步向深部转移,受构造、岩溶发育、底板高承压水等静态因素及已有的底板注浆工程、开采工程等人为动态因素扰动,深部采区的水文地质边界与充水含水层的补、径、排特征已经发生巨大改变,给矿井深部采区的安全生产造成重大威胁。以我国东部矿区的城郊煤矿为例,根据矿井内主要控水的分布特征与导水性、底板灰岩含水层的岩溶发育程度等静态因素,将矿井划分为若干个相对独立的水文地质区块,并针对各个区块的水文地质条件、开采方式和水害特征,结合采掘工程进度、底板注浆改造范围、含水层水位监测和不同时段疏降流场等时空动态演化因素,总结人为边界的形成与演化过程,提出了开采过程中矿井水文地质区块化、精细化划分与主要充水含水层富水性动态评价的模式与方法;综合分析城郊煤矿典型水文地质区块的主要控水构造的实际揭露情况、井下放水试验成果以及25个典型工作面施工的2878个钻孔监测数据,发现了水文地质特征随着开采过程发生巨大改变的演化规律,揭示了矿区受断层边界和人为边界控制的区块化特征及其差异。研究形成了超高承压底板太灰水的“动态引流”疏水降压关键技术,达到了降低水压、平衡水量、消除突水隐患的目的。该技术通过城郊煤矿21304、22006工作面的试采获得了成功验证,取得了显著的经济效益和社会效益。 展开更多
关键词 高承压 底板太灰水 控水边界演化 动态精细评价 引流疏降
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煤层底板双重灰岩水害治理方案研究及效果评价体系
8
作者 朱献德 赵先鸣 《煤炭科技》 2022年第4期122-126,共5页
泉店煤矿位于禹州煤田东南部,许禹背斜东部南翼,井田地质构造复杂程度为中等。其二_(1)煤开采受太原组和寒武系灰岩岩溶水的双重威胁。根据《煤矿防治水细则》相关规定,要实现研究区内二_(1)煤层的安全开采,需对底板灰岩含水层进行探查... 泉店煤矿位于禹州煤田东南部,许禹背斜东部南翼,井田地质构造复杂程度为中等。其二_(1)煤开采受太原组和寒武系灰岩岩溶水的双重威胁。根据《煤矿防治水细则》相关规定,要实现研究区内二_(1)煤层的安全开采,需对底板灰岩含水层进行探查与防治。通过论证传统井下底板水害治理方法与地面区域治理方法的利弊,旨在为研究区提供高效可行、经济合理的治理方案,并对所选方案的关键工艺和预期效果评价体系提出建设性意见,实现对煤层底板含水层加固注浆改造,保障矿井安全生产,为类似工程设计提供参考。 展开更多
关键词 煤层底板水害 区域治理 注浆改造 效果评价
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