我国煤矿区矿井水深井回灌的研究现状和技术挑战

1

作者 陈歌 孙亚军 +6 位作者 隋旺华 徐智敏 张莉 李鑫 刘琪 李恒 袁培山 《工程地质学报》 北大核心 2025年第3期1043-1057,共15页

我国主产煤矿区面临矿井水外排体量大、处理费用高、环保压力大的“矛盾”难题,既通过疏放排水工程保障煤炭资源安全开采,又需优化矿井水处理工艺、降低费用,使煤矿外排水水质满足环保要求。如何有效处理矿井水和实现煤-水双资源协调开... 我国主产煤矿区面临矿井水外排体量大、处理费用高、环保压力大的“矛盾”难题,既通过疏放排水工程保障煤炭资源安全开采,又需优化矿井水处理工艺、降低费用,使煤矿外排水水质满足环保要求。如何有效处理矿井水和实现煤-水双资源协调开采是现阶段亟须解决的难题之一。笔者团队在系统研究已有零星矿井水深井回灌工程的基础上,首先,提出了矿井水回灌的不同类型,从地质构造、回灌目标层介质岩性、水文地质结构特征、水质配伍性4个方面提出了回灌目标层筛选原则和筛选方法。其次,在基础理论方面,围绕区域深层水文地质条件、弱渗地层水文地质参数、多场耦合作用机理、低孔低渗致密砂岩水力压裂增渗、灰岩增容增渗评价、裂缝-孔洞-溶隙-基质多重介质与复杂水动力场刻画、诱发地震风险分级管控与预防体系、矿井水回灌污染防控技术标准与行业规范8个方面,总结并明确了未来相关的基础研究重点。然后,聚焦矿井水资源开发利用关键技术,依次阐述了矿井水深井回灌适宜区与潜力区筛选、深井成孔-固井-采样与极端条件下水文地质试验装备、回灌过程动态实时监测与预警技术、裂缝网络定量表征技术、矿井水与CO_(2)协同封贮、矿井水深井回灌地下水环境影响评价与风险防控6类关键技术;在关键装备和软件方面,围绕室内试验设备、现场高压回灌装备与智能化系统、一体化软件系统等,提出了联合攻关的技术方向。最后,系统性划分了矿井水回灌工艺,形成了底板砂岩层回灌、底板灰岩层回灌、顶板砂岩层/松散层回灌、浅层灰岩层回灌、顶板离层回灌等工艺模式,初步明确了相关的技术要求。基于上述基础理论和关键技术框架,对我国煤矿区矿井水深井回灌的一些关键技术问题和亟须突破的基础理论进行了展望,提出了基础研究、实践应用的方向,期望为现阶段仍饱受争议的矿井水深井回灌寻求一条可持续发展的研究探索之路。 展开更多

关键词 矿井水 深井回灌 技术现状 回灌工艺

在线阅读 下载PDF 职称材料

我国煤矿区矿井水水质空间分布特征及矿井水处理技术思路 被引量：7

2

作者 孙亚军 郭娟 +6 位作者 徐智敏 张莉 陈歌 熊小锋 华景帆 穆林杰 吴文轩 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期584-599,共16页

矿井水是一种重要的非常规水资源,我国煤矿矿井涌水量巨大,不同类型矿井水的处理是国家与煤矿企业重点关注的科学问题。基于314座煤矿矿井水水化学数据调研与统计分析,阐明了矿井水水质空间分布特征及成因机制:矿井水水质主要以高TDS、... 矿井水是一种重要的非常规水资源,我国煤矿矿井涌水量巨大,不同类型矿井水的处理是国家与煤矿企业重点关注的科学问题。基于314座煤矿矿井水水化学数据调研与统计分析,阐明了矿井水水质空间分布特征及成因机制:矿井水水质主要以高TDS、高悬浮物、高硫酸盐、高Na+为主要特征,酸性矿井水和重金属主要集中于云贵等部分矿区;水质成因与煤矿区所处地域特征密切相关,如干旱与半干旱气候条件、充水地下含水层水质、煤层硫分含量、围岩岩性、微生物作用、岩浆活动等因素等,采矿活动对矿井水质形成及演化影响的权重较大。全国煤矿矿井水水化学类型以SO_(4)-Na型、SO_(4)-Ca·Mg型、SO_(4)-Na·Ca型、HCO_(3)-Na型和HCO_(3)-Ca·Mg型为主。基于全国矿井水水质特征,阐述了现有矿井水地面处理技术与瓶颈,论述了现有井下矿井水处理工艺,并以“阻断、减量、保护”为主要污染防控思路,提出一种煤矿废弃采掘空间矿井水自然修复技术,通过过程减量,实现矿井水低成本井下处理与回用。然后,基于采空区位置选择、采空区储水空间计算、储水安全性评价、减量修复效果评价、减量过程水动力场-水化学场-微生物场演化特征和次生危害解决方案等问题构建了矿井水自然修复技术框架,并基于煤矿实例采空水水化学组分和微生物群落结构演化规律验证了矿井水修复技术的可行性,具有较高的推广应用价值。煤矿废弃采掘空间矿井水自然修复技术的构建能够降低矿井水处理成本,助力煤-水协调绿色开采,实现矿井水修复与资源化利用。 展开更多

关键词 矿井水水质 井下矿井水处理 废弃采掘空间 自然修复 微生物群落结构

在线阅读 下载PDF 职称材料

煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术 被引量：67

3

作者 乔伟 王志文 +7 位作者 李文平 吕玉广 李连刚 黄阳 贺江辉 李小琴 赵世隆 刘梦楠 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期507-522,共16页

顶板离层水害对煤炭生产的威胁日益增大,近年来成为矿井水害防治的研究热点。系统整理和归纳了国内外关于煤矿离层水害的研究进展,从煤矿离层水的形成机制、致灾机理、水害预测预警及关键防治技术4个方面,对煤层覆岩离层水害问题进行阐... 顶板离层水害对煤炭生产的威胁日益增大,近年来成为矿井水害防治的研究热点。系统整理和归纳了国内外关于煤矿离层水害的研究进展,从煤矿离层水的形成机制、致灾机理、水害预测预警及关键防治技术4个方面,对煤层覆岩离层水害问题进行阐述。综述了采动覆岩离层研究及覆岩离层水形成机理,将煤层覆岩离层水的形成归纳为3个基本条件:可积水离层、离层周边存在补给水源、离层空间持续时间足够长。根据开采条件、覆岩的工程地质条件、导水通道形成原因与突水特点,从多煤层叠加开采下的重复扰动突水、多煤层叠加开采下动力突水、单煤层开采下的静水压涌突水及侏罗系煤田离层水害形成机制4个方面阐述离层水害致灾机理;重点分析了侏罗系煤田3种典型的离层突水形成机制:崔木、招贤煤矿高位离层水害形成机制、新上海一号煤矿间歇式离层突水形成机制、携泥砂型离层水害;根据能量源和表现特征将离层水害归为三大类:离层动力突水、离层静水压涌突水以及离层携泥砂井下泥石流。从可积水离层位置预判、离层突水周期性预测及离层涌突水水量预测3个方面总结了覆岩离层水害预测方面的研究进展。分析介绍了目前主要的离层水害防治方法,结合目前离层水害较为严重的鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田,分析了鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田离层水害防治的难点:高位离层突水出现的强矿压问题以及离层水害引发的溃砂问题。提出离层水害防治未来的发展与研究方向:开展离层水害采前精准预测分区研究;发展钻探、地球物理探测等勘察技术使覆岩破坏从“灰箱”变为“白箱”;发展离层水害综合防控技术体系。 展开更多

关键词 离层水 矿井水害 形成条件 突水机理 防治方法

在线阅读 下载PDF 职称材料

地下水系统中植酸与降解产物的检测方法及环境行为研究进展

4

作者 胡瑶 张莉 +3 位作者 徐智敏 张雯 刘菲 刘加强 《岩矿测试》 北大核心 2025年第5期863-883,共21页

植酸(IP6)占有机磷的50%~80%,随动植物残体、农业活动(磷肥、畜禽粪便等分解)及工业生产的植酸废弃物输入地下水系统后,在地下水和含水介质中迁移和转化,通过水-含水介质-微生物反应影响磷的赋存形态和生物有效性,引起农业面源及水体富... 植酸(IP6)占有机磷的50%~80%,随动植物残体、农业活动(磷肥、畜禽粪便等分解)及工业生产的植酸废弃物输入地下水系统后,在地下水和含水介质中迁移和转化,通过水-含水介质-微生物反应影响磷的赋存形态和生物有效性,引起农业面源及水体富营养化污染风险。本文阐述了植酸的理化性质、来源与赋存形态,对比了植酸及其降解产物的多种检测技术,并揭示了植酸主要环境行为的作用机制。已有研究表明:①液相色谱-质谱联用技术(LC-MS/MS)更能有效分离植酸及其降解产物并对其进行定量,具有较高的灵敏度、准确度和精密度;②地下水系统中植酸主要的环境行为包括水解、生物降解和吸附-解吸,这些过程主要受温度、pH、水化学组分及介质矿物组成等因素调控;③水解速率受温度影响最大,随温度升高而增加;生物降解主要依靠分泌植酸酶攻击特定磷酸酯键,进而逐步脱磷酸基团,最终生成肌醇和磷酸根;吸附-解吸作用反应速率最快,主要通过静电作用、氢键作用、配位络合吸附在矿物表面,其中铁铝(氢)氧化物对植酸的吸附作用最强。地下水系统中共存的含氧阴离子(如AsO_(3)^(3-)、AsO_(4)^(3-)以及无机磷PO_(4)^(3-)等)也会与植酸形成竞争吸附。植酸与矿物表面亲和力更强,可解吸吸附态As和无机磷,增加其生物有效性,提高其生态环境风险。建议未来研究聚焦:①矿物吸附态植酸的生物和非生物降解途径,以及降解产物的环境风险;②植酸对多种共存金属含氧阴离子的环境行为影响;③构建植酸及其降解产物在含水介质中迁移转化的多因素耦合模型,为磷循环机制解析及污染防控提供理论依据。 展开更多

关键词 典型有机磷 含水介质 水解 生物降解 吸附-解吸 生态环境风险

在线阅读 下载PDF 职称材料

矿山采动突水危险源划分与致灾危险性评价研究 被引量：14

5

作者 李鑫 孙亚军 +1 位作者 徐智敏 陈歌 《煤炭工程》 北大核心 2023年第9期108-115,共8页

为了实现工作面开采过程中对煤层顶底板突水危险性进行动态评价,依据西北型、华北型煤矿区水文地质结构、突水主控因素、突水致灾模式、水害类型的分析,建立了水源、通道和采动三准则来表征煤层顶/底板突水危险源与致灾危险性之间的关联... 为了实现工作面开采过程中对煤层顶底板突水危险性进行动态评价,依据西北型、华北型煤矿区水文地质结构、突水主控因素、突水致灾模式、水害类型的分析,建立了水源、通道和采动三准则来表征煤层顶/底板突水危险源与致灾危险性之间的关联,构建了煤层顶/底板突水危险性的关键危险源的评价指标体系,将指标体系中随着工作面开采具有动态变化的指标因素(含水层水压、应力-应变、导裂带高度/破坏带深度)作为危险源动态特征辨识的目标,建立多场-多参数的工作面突水危险性动态评价概念模型,提出了矿井突水的临界判别准则,依托深度学习/强化学习的海量参数分析计算能力,为煤层顶/底板突水危险性动态评价分区提供理论支撑。 展开更多

关键词 矿井突水 煤层顶底板 突水危险源 致灾危险性 动态模型框架

在线阅读 下载PDF 职称材料

煤矿采动覆岩离层水害致灾因素勘查与预测评价 被引量：7

6

作者 乔伟 刘梦楠 +4 位作者 孟祥胜 程香港 冯培超 李小琴 李文平 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期2031-2044,共14页

采动覆岩离层突水在我国各地矿区均较为常见且危害性较大,现有的规范中鲜有针对离层水害的具体工程地质和水文地质勘查方法。探索煤矿离层水害工程地质水文地质勘查与评价方法,能够推动我国矿井水害防治水平进一步提升。首先从煤矿采动... 采动覆岩离层突水在我国各地矿区均较为常见且危害性较大,现有的规范中鲜有针对离层水害的具体工程地质和水文地质勘查方法。探索煤矿离层水害工程地质水文地质勘查与评价方法,能够推动我国矿井水害防治水平进一步提升。首先从煤矿采动覆岩高位离层水害孕灾机制出发,分析了离层水害从孕灾到致灾的工程地质条件,将我国现有的离层水害归纳为3种典型类型:离层动力突水、离层静水压涌突水和离层携泥砂突水。然后,确定了“水源”“通道”“力源”和“物源”为控制离层水害类型与强度的关键隐蔽致灾因素,将位于传统导水裂隙带以上,可发生离层突水的复合层位称为采动覆岩“突水离层带”,并提出了煤矿采动覆岩“突水离层带”的判别流程,划分勘查阶段,指明勘查要点。煤矿离层水害采前勘查应包括2个阶段:①开展覆岩基本工程地质和水文地质条件勘探,评估勘探区离层水害的可能性并确定潜在“突水离层带”的层位;②将“突水离层带”和“物源”层作为勘查目标层,开展离层水害致灾因素专项勘查,评定离层水害类型和强度。回采期间对水动力条件和覆岩裂隙演化进行探查。最后,基于离层水害致灾因素互馈演化致灾机制,建立了适用于采动覆岩离层水害的矿井区域预测综合评价模型,提出了全矿井/采区尺度的区域危险性分区、采前工作面突水位置判定及涌水量预计的煤矿采动覆岩离层水害预测评价方法。 展开更多

关键词 离层水害 致灾因素 采动覆岩“突水离层带” 工程地质勘查 预测评价

在线阅读 下载PDF 职称材料

废弃采空区边界煤柱浸水结构演化与损伤劣化机理的模拟试验 被引量：3

7

作者 徐智敏 熊世杰 +4 位作者 袁慧卿 孙亚军 韩宇航 陈天赐 卢伟宁 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1100-1114,共15页

在煤矿生产过程中,为防止老空水害而留设的各类防隔水煤柱在废弃采空区蓄积的具有侵蚀性的矿井水长期带压浸水作用下,其宏观、细观结构不断发生变化并出现损伤劣化现象,导致煤柱的物理力学强度减小、稳定性降低,进而诱发煤柱失稳和突水... 在煤矿生产过程中,为防止老空水害而留设的各类防隔水煤柱在废弃采空区蓄积的具有侵蚀性的矿井水长期带压浸水作用下,其宏观、细观结构不断发生变化并出现损伤劣化现象,导致煤柱的物理力学强度减小、稳定性降低,进而诱发煤柱失稳和突水事故的发生。论文通过自主设计的高压矿井水−煤耦合作用试验装置,开展了煤柱试样在不同水压、模拟矿井水、原样矿井水等条件下的长期浸泡模拟试验,并采用计算机断层扫描(CT)、X射线衍射(XRD)以及高压伺服压缩试验加载系统等手段,分析并研究了煤样长期浸水条件下的结构演化与力学损伤劣化过程和作用机理。研究结果表明:煤样结构在侵蚀性矿井水长期浸泡条件下表现为不规则孔隙−裂隙显著发育、孔隙率由0.25%增大到1.2%、孔隙发育的离散性随浸泡时间逐步降低;煤样在侵蚀溶液长期浸泡条件下的力学损伤劣化效应明显,受浸泡时间和浸泡溶液的pH值影响最为明显;煤样与矿井水在浸泡过程中产生相互作用,具体体现为初期的吸水膨胀作用与后期的溶解消耗作用。根据上述研究成果,论文阐明了废弃矿井及采空区各类边界煤柱在高渗透压、侵蚀性矿井水长期作用下结构演化与损伤劣化的物理−化学耦合作用机理,揭示了废弃采空区边界煤柱带压浸水作用下的动态响应过程与关键阶段:第一阶段以物理吸水膨胀作用为主,表现为抗压强度整体减小而抗拉强度先降低后回升再降低的现象;第二阶段以物理−化学联合作用为主,表现为黏土类矿物部分溶解、消耗导致孔隙率增大,进而诱发物理力学损伤劣化;最后,在“软化系数”的基础上提出了浸水煤柱“损伤系数”的定义和计算公式,并确定了浸水煤柱“损伤系数”的经验数值。研究结果对各类废弃矿井或采空区边界煤柱的稳定性评价和水害的防控具有重要的理论意义和工程实践价值。 展开更多

关键词 废弃矿井 煤柱浸水损伤 CT扫描 结构演化 损伤机理 模拟试验

在线阅读 下载PDF 职称材料

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：81

8

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

在线阅读 下载PDF 职称材料

我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建 被引量：64

9

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

在线阅读 下载PDF 职称材料

鄂尔多斯盆地煤-水协调开采下矿区水资源异位回灌-存储技术思路 被引量：19

10

作者 孙亚军 李鑫 +3 位作者 冯琳 徐智敏 陈歌 刘琪 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期3547-3560,共14页

鄂尔多斯盆地侏罗系煤层开采过程中矿井涌水量不断增大,为缓解矿井水深度处理成本持续增加、矿井水难以较大规模处理等问题,立足于煤-水协调开采、保水采煤等科学理念,提出在研究区内开展矿井水深井回灌试验性研究。阐述了鄂尔多斯盆地... 鄂尔多斯盆地侏罗系煤层开采过程中矿井涌水量不断增大,为缓解矿井水深度处理成本持续增加、矿井水难以较大规模处理等问题,立足于煤-水协调开采、保水采煤等科学理念,提出在研究区内开展矿井水深井回灌试验性研究。阐述了鄂尔多斯盆地煤层开采与水资源保护间的矛盾问题,包括矿井水害防治、区域水资源保持、矿区生态环境保护3者间的关系;结合对研究区38座煤矿矿井水水质特征的调研统计,阐明了煤-水协调开采下的矿井水处理的瓶颈问题。结果表明:研究区矿井水常规离子超标占比68.4%,铁、锰超标占比20%,且高盐高氟,导致矿井水处理无法同时满足较低成本、大规模的需求。提出了煤矿区“三减一治”的水资源异位回灌保水技术思路,包括充水含水层水资源异位回灌、采空水异位回灌、露天矿坑水异位回灌及含特殊组分矿井水异位回灌,并对其试验性研究的可行性进行了定性比较。然后,结合鄂尔多斯盆地某矿超深回灌存储的工程案例,总结得出了超深存储相关的理论与技术框架、技术内容、技术难点,建成了研究区高矿化度矿井水超深回灌-存储的示范工程。基于对全国87座煤矿TDS和133座煤矿pH的统计分析,提出将弱酸弱碱(44%)、高矿化度矿井水(69%)进行超深回灌存储,以减少对地下水资源的消耗、浪费及对煤矿区水生态环境的影响,同时降低矿井水治理成本,指出矿井水深井回灌在华北区甚至全国煤矿区具有较高的推广应用价值。 展开更多

关键词 深井异位回灌-存储 矿区水资源 煤-水协调开采 鄂尔多斯盆地 高矿化度矿井水

在线阅读 下载PDF 职称材料

煤矿采空区水-岩作用模拟试验研究 被引量：18

11

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

在线阅读 下载PDF 职称材料

深部开采高盐矿井水减排治理技术体系构建与实现 被引量：4

12

作者 张雷 徐智敏 +5 位作者 袁慧卿 孙亚军 郭娟 陈天赐 李鑫 刘琪 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期208-219,共12页

近年来,随着我国煤矿矿井水排放标准的不断提高,针对高盐矿井水处理及资源化利用方面的技术创新需求进一步提升。减少矿井水尤其是高盐矿井水的排放、提高矿井水的可利用性是提高煤炭生产安全、加快绿色矿山建设、促进煤炭企业可持续发... 近年来,随着我国煤矿矿井水排放标准的不断提高,针对高盐矿井水处理及资源化利用方面的技术创新需求进一步提升。减少矿井水尤其是高盐矿井水的排放、提高矿井水的可利用性是提高煤炭生产安全、加快绿色矿山建设、促进煤炭企业可持续发展的重要保障。针对张双楼煤矿深部开采过程中面临的矿井水涌水量大、矿化度高、处理利用成本高等问题,提出了该矿高盐矿井水以“减量、储存、净化”为核心的减排治理技术体系,即:通过底板涌水封堵减量技术对已有残余涌水点进行减量封堵,从源头上减少高盐矿井水的排放;通过矿井水深层回灌储存与保水修复技术将高盐矿井涌水进行深部转移储存,助力实现矿井水“零排放”与深层地下水的保水修复;通过采空区煤岩自净与调蓄技术进行高盐矿井水的煤岩自净预处理,并进一步通过地面深度脱盐处理技术,实现高盐矿井水净化处理以及资源化利用或达标排放。同时,结合该矿的水文地质背景、矿井涌水规律以及矿井水处理利用现状,对以上技术在该矿应用实现的可行性和途径进行了综合分析与评价:通过底板涌水封堵减量技术的实施,实现了188 m^(3)/h的底板四灰涌水减量治理;通过深层回灌储存技术,西翼采区能够实现对奥灰含水层200 m^(3)/h的回灌储存与保水修复;通过采空区煤岩自净预处理与调蓄技术,东翼采区可蓄存约165万m^(3)矿井水并进行特征组分的井下预处理;通过地面深度脱盐处理技术,矿井水处理能力达到700 m^(3)/h,每年可减少盐排量14271.5 t。最后,提出并形成了张双楼煤矿高盐矿井水减排治理的综合技术思路。张双楼煤矿高盐矿井水减排治理技术体系的提出,可为该矿及其他类似深部开采煤矿高盐矿井水的减量治理以及资源化利用提供理论基础与技术借鉴依据。 展开更多

关键词 高盐矿井水 减量治理 回灌 矿井水调蓄 节能减排

在线阅读 下载PDF 职称材料

闭坑煤矿采空区矿井水中的挥发性有机物演化规律及影响因素

13

作者 高雅婷 张莉 +3 位作者 徐智敏 孙亚军 朱璐璐 郭娟 《岩矿测试》 北大核心 2025年第5期895-910,共16页

挥发性有机物(VOCs)具有严重的生态环境威胁性,采煤活动促使赋煤地层中的VOCs向水体中迁移转化,进而威胁闭坑矿井水水质,增加水处理成本。揭示闭坑矿井水中VOCs演化规律是煤矿区地下水污染防控的前提。本文选取山东新巨龙煤矿为典型矿区... 挥发性有机物(VOCs)具有严重的生态环境威胁性,采煤活动促使赋煤地层中的VOCs向水体中迁移转化,进而威胁闭坑矿井水水质,增加水处理成本。揭示闭坑矿井水中VOCs演化规律是煤矿区地下水污染防控的前提。本文选取山东新巨龙煤矿为典型矿区,聚焦氧气和煤含量对矿井水中VOCs浓度演化规律的影响,设置长期对照实验,对闭坑矿井水水质演化过程进行室内模拟;利用吹扫捕集/气相色谱-质谱法测定了矿井水样中52种VOCs含量,并分析其浓度和种类的变化规律,结合其他水化学组分、功能基因丰度等进行机理探讨。结果表明,实验水样中VOCs总浓度整体呈先增后减的趋势,第110天达到峰值(3.199μg/L);相对于初始地下水,截至一年后3组样品VOCs总浓度分别降低了18.68%、19.53%和45.90%,但新检出毒性较强的苯和氯乙烯。水样中VOCs先进行了好氧降解,再以厌氧还原为主。作为关键电子受体,氧气对氯代烃的降解有促进作用,高溶解氧条件中氯乙烯和苯浓度最低。煤含量高时水样中VOCs浓度最低,但苯系物种类最多,表明煤中有机质和黏土矿物通过吸附-解吸参与了VOCs的释放过程。基于上述实验结果,建议采取阶段性调控氧化还原条件、投加吸附材料及微生物材料等措施,优化闭坑矿井水VOCs污染防控策略。 展开更多

关键词 闭坑煤矿 挥发性有机物 矿井水水质 氯代烃 吹扫捕集 气相色谱-质谱法

在线阅读 下载PDF 职称材料

露天矿区“四水”资源转化关系与立体储存利用模式

14

作者 陈天赐 徐智敏 +6 位作者 孙亚军 方杰 王强民 熊小锋 朱宇豪 逯梓晗 万飞 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第7期203-214,共12页

【背景】我国露天煤矿主要分布在新疆、内蒙古等干旱半干旱地区,煤炭资源的露天开采与该地区地下水资源保护的矛盾日益突出,开采产生的大量矿坑涌水往往造成矿区影响范围内地下水资源的进一步流失,同时矿坑水无法高效储存和矿区区域用... 【背景】我国露天煤矿主要分布在新疆、内蒙古等干旱半干旱地区,煤炭资源的露天开采与该地区地下水资源保护的矛盾日益突出,开采产生的大量矿坑涌水往往造成矿区影响范围内地下水资源的进一步流失,同时矿坑水无法高效储存和矿区区域用水紧缺形成冲突。【方法】以蒙东某典型大水露天矿为研究区,通过现场调查取样、钻孔监测、室内水化学测试、数值模拟等方法,重点查明研究区大气降水、地表水、地下水和矿坑水的“四水”水量构成、水文地球化学特征及相互转化关系,并构建露天矿区“四水”资源立体储存与综合调配利用体系。【结果和结论】(1)研究区地下水、矿坑水补给来源主要为大气降水,区域地下水资源受露天开采影响的流失量达3081.2万m^(3)/a,地下水降落漏斗平均面积为15.26km^(2),降落漏斗半径约为1.88km,在同时考虑区域大气降水稀少且蒸发强烈的特点情况下,研究区地下水资源流失量可超40亿m^(3)/a。(2)在此基础上,提出研究区5种矿坑水立体储存模式:地表蓄水、坑底和边帮蓄水、排土场重构生态含水层储水、第四系松散含水层储水及煤层底板深部基岩含水层储水。(3)进一步结合研究区“四水”资源的水质、水量特征以及各部门的用水需求,提出“四水”资源5种联合调配利用途径:矿区的生产和生态用水、矿区周边的生活、工农业和生态用水;在构建基于改进遗传算法的“四水”调配模型的基础上,形成露天矿区“四水-五储-五用”立体储存与综合调配利用体系。(4)结合“四水”调配模型运算结果,提出研究区以利用矿山疏排地下水为水源、以东帮截水帷幕外第四系回注储水(365万m^(3)/a)为核心、以坑底和边帮动态蓄水(20万m^(3))的矿区地下水资源保护思路,模拟墙外第四系水位抬升过程和最大水位抬升为1.54m,可有效减小露天开采导致的地下水资源流失量、促进区域地下水位的回升。研究结果对露天矿坑水高效储存保护和调配利用具有重要的理论意义和工程实践价值。 展开更多

关键词 露天开采 “四水”转化 矿坑水立体储存 水资源利用 水资源保护 蒙东矿区

在线阅读 下载PDF 职称材料

矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控Ⅰ:顶板溃水溃砂 被引量：24

15

作者 隋旺华 《地球科学与环境学报》 CAS 北大核心 2022年第6期903-921,共19页

矿山采掘诱发顶板溃水溃砂灾害防控正成为制约矿山安全的重要瓶颈。从成灾机制、运动规律和危险性评价等方面综述了顶板溃水溃砂研究的主要进展和趋势。溃水溃砂的成灾工程地质机制分为4类:直接或间接揭露松散含水层、导水裂隙带沟通松... 矿山采掘诱发顶板溃水溃砂灾害防控正成为制约矿山安全的重要瓶颈。从成灾机制、运动规律和危险性评价等方面综述了顶板溃水溃砂研究的主要进展和趋势。溃水溃砂的成灾工程地质机制分为4类:直接或间接揭露松散含水层、导水裂隙带沟通松散含水层渗透破坏、人为钻孔沟通松散含水层、软弱覆岩遇水劣化(崩解泥化)伴随顶板裂隙水或离层水突出的溃水溃砂成灾模式。溃水溃砂的运动规律研究获得了水砂混合物经出口、单裂隙、交叉裂隙网络和垮落带的运动特征,建立了溃水溃砂定性和定量的评价方法,提出了溃水溃砂主动防控方法等。最后,提出了顶板溃水溃砂机理及防控应该重点解决的关键科学和技术问题,包括建立顶板溃水溃砂工程地质数字孪生模型,揭示溃水溃砂通道形成机理,建立反映溃水溃砂全过程运动方程,加强监测预警技术、实际赋存环境模型试验技术、高效注浆关键设备等关键技术和设备研发等。 展开更多

关键词 渗透变形 顶板突水 溃水溃砂 垮落带 裂隙带 临界水力坡度 安全水头 危险性评价

在线阅读 下载PDF 职称材料

采动覆岩高位离层演化特征及涌( 突) 水前兆信息研究 被引量：21

16

作者 乔伟 赵世隆 +5 位作者 李连刚 甘圣丰 江传文 刘梦楠 张磊 段玉路 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期194-205,共12页

采用理论分析、物理模拟和数值模拟相结合的方法,重点研究了招贤煤矿工作面的高位离层的时空演化,并将开采期间水位变化、微震监测数据作为高位离层涌(突)水前兆信息,揭示了特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙(纵向主导水裂隙和横向离层裂隙... 采用理论分析、物理模拟和数值模拟相结合的方法,重点研究了招贤煤矿工作面的高位离层的时空演化,并将开采期间水位变化、微震监测数据作为高位离层涌(突)水前兆信息,揭示了特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙(纵向主导水裂隙和横向离层裂隙)演化特征及离层水害机理。以永陇矿区招贤煤矿为研究对象,黄陇侏罗系煤田永陇矿区煤层覆岩具有弱胶结、泥质含量高和单层厚度大等特点,侏罗系覆岩之上为巨厚高水压白垩系含水层,厚及特厚煤层开采时易在侏罗-白垩系交界上下形成高位离层积水;当导水裂隙与高位离层积水沟通时,形成离层水害。离层水害具有瞬时性、大流量并伴随强烈矿山压力显现等特点。研究结果表明:当工作面达到充分开采时,采空区两帮离层裂隙较为发育,中部处于压实区,最大横向高位离层位于梯形破坏区顶部;工作面上覆亚关键层的周期性破断造成工作面周期性来压、高位离层空间周期性扩张、闭合,导致宜君组水位周期性异常下降;工作面经长时间停采,恢复开采后,重复扰动覆岩诱发覆岩岩体结构失稳,导水裂缝带沟通离层空间,造成离层涌(突)水;水位突降、水位下降速率突增、微震大能量事件可作为1304工作面突水前兆信息;关键层的破断会引起微震能量事件,伴随关键层的快速回转、下沉扩大离层空间,造成宜君组水位异常下降;工作面多次复采造成覆岩自稳能力逐渐劣化严重,加快离层涌(突)水通道形成,离层涌(突)水通道逐步增大;随着出水次数增加,水位提前下降时间减少,微震能量事件能量降低,涌水量增大;采动过程中离层涌(突)水的前兆信息-白垩系含水层的水位变化以及矿井微震监测数据验证了模拟结果是可信的。 展开更多

关键词 综放开采 离层水害 前兆信息 水害预测

在线阅读 下载PDF 职称材料

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 被引量：8

17

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

在线阅读 下载PDF 职称材料

煤层采动顶板水文地质参数演化与矿井涌水量动态计算方法 被引量：15

18

作者 徐智敏 陈天赐 +5 位作者 陈歌 李剑锋 孙亚军 李鑫 袁慧卿 何也 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期833-845,共13页

为预防煤矿采掘过程中突水事故的发生,开展矿井突水预测预报尤其是涌水量的精准计算尤为重要。以目前矿井涌水量计算普遍采用的解析法(也称“大井法”)为例,针对采动顶板水文地质参数演化与矿井涌水量动态精准计算之间的矛盾问题,在进... 为预防煤矿采掘过程中突水事故的发生,开展矿井突水预测预报尤其是涌水量的精准计算尤为重要。以目前矿井涌水量计算普遍采用的解析法(也称“大井法”)为例,针对采动顶板水文地质参数演化与矿井涌水量动态精准计算之间的矛盾问题,在进一步分析笔者团队前期研究成果的基础上,阐述了采动顶板破坏过程中涌水形成机制和水文地质参数演化规律,探索性提出了变参条件下矿井涌水量动态计算方法,并进行了工程应用与可靠性评价。研究表明:采动诱发顶板直接充水含水层的渗透系数(K)呈“稳定增加—波动变化—恢复稳定”的变化特征,水位降深(S)和影响半径(R)呈“快速增加—略微下降—恢复稳定”的变化特征;传统解析法预计涌水量时在边界条件概化、参数选取以及计算过程存在误差,论文提出了矿井涌水量动态计算方法,即考虑采空区面积、水位漏斗动态变化过程的“移动大井”理论模型,以初次(周期)垮落步距为计算单元依次概化“移动大井”,渐次计算工作面推进过程中的动态涌水量;以徐矿集团下属某矿1306工作面为例,分别开展了工作面回采过程中引用影响半径(R_(0))单参数变化和引用影响半径(R_(0))、水位降深(S)双参数变化条件下的矿井涌水量动态计算,计算结果显示单参数和双参数变化条件下的矿井涌水动态计算方法可显著提高其计算精度,其相对误差平均值由传统解析法的140.7%可分别降低至88.7%、10.3%。研究成果可为矿井长期开采过程中干扰流场演化的推演,以及工作面回采过程中不同阶段矿井涌水量的动态、精准计算奠定方法基础,为矿井防治水工作开展和合理配备防排水设施提供依据。 展开更多

关键词 开采扰动 水文地质参数演化 矿井涌水量 动态计算 变参计算

在线阅读 下载PDF 职称材料

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 被引量：13

19

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

在线阅读 下载PDF 职称材料

侏罗系弱胶结顶板采动破坏规律与发育高度预测 被引量：15

20

作者 徐智敏 韩宇航 +4 位作者 陈天赐 陈歌 郇博程 赵瑞强 孙亚军 《工程地质学报》 CSCD 北大核心 2023年第4期1474-1485,共12页

煤层采动后形成的顶板导水裂隙带是沟通顶板充水含水层的主要通道之一,同时也是顶板水害防治需要重点研究的关键问题。近年来,西部矿区已成为我国煤炭资源主要开采区,其主采侏罗系含煤地层与东部石炭-二叠系有着明显差异,并具有典型的... 煤层采动后形成的顶板导水裂隙带是沟通顶板充水含水层的主要通道之一,同时也是顶板水害防治需要重点研究的关键问题。近年来,西部矿区已成为我国煤炭资源主要开采区,其主采侏罗系含煤地层与东部石炭-二叠系有着明显差异,并具有典型的孔隙度高、胶结程度差等特征,顶板采动导水裂隙的演化特征也与东部矿区具有较大差异,相关的研究尚未形成普适性成果。因此,本文选取典型的弱胶结地区——新疆哈密大南湖矿区为例,采用UDEC数值模拟、现场三维钻孔电视成像等方法,并结合“S-R”稳定理论,以垮落带高度为自变量,建立砌体梁承载强度与垮落带高度关系式,全面揭示该区煤层开采过程中顶板的采动破坏过程与演化特征,并以此为依据确定顶板导水裂隙带的发育高度。在此基础上,通过收集侏罗系同类型煤矿导水裂隙带高度的实测数据,采用回归分析方法,拟合并修正现有经验公式。研究表明:研究区顶板导水裂隙带发育高度的范围是60.07~62m,裂采比为17.67~18.24,整体形态呈“梯台”型特征,结合邻矿现场实测对比证实了此次实测结果的可靠性;开采范围内导水裂隙带发育高度受垮落带高度增量、岩块回转角变化的影响呈现:“快速增加-缓慢增加-逐渐稳定”的发展与演化规律;验证计算结果表明,论文提出的回归公式预测精度一般在10.30%~17.25%之间,相较于传统经验公式平均误差降低了51.84%,显著提高了导水裂隙带高度的预测精度。论文的相关研究成果可为新疆地区相似开采条件下顶板导水裂隙带发育高度计算提供理论依据。 展开更多

关键词 导水裂隙带 弱胶结顶板 S-R稳定理论 岩块回转角 垮落带高度

在线阅读 下载PDF 职称材料