矿区深部含水层水-岩作用的同位素与水化学示踪分析

为了有效揭示华北隐伏型煤矿区煤炭开采进程中深部含水层水-岩作用机制,本文以淮北煤田宿县-临涣矿区为研究示范,收集与采集1985～2011年期间矿区松散层第四含水层、煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层深部地下水样166个,分析与测试87Sr/86Sr、34S、13C同位素以及Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、SO2-4、CO2-3等常规组分,并开展基于同位素与水化学的水-岩作用示踪与分析。研究成果表明:在矿区主要充水含水层中,煤系砂岩裂隙含水层脱硫酸与阳离子交替吸附作用最为显著,而松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层黄铁矿氧化或地下水硬化最为显著;受煤炭开采影响,煤系砂岩裂隙含水层、奥陶系岩溶含水层主要水-岩作用逐渐减弱,松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层主要水-岩作用或增强、或减弱,增强或减弱的程度取决于井田基岩面标高、主要断层的展布形态与隔水性能以及煤层开采扰动范围等。     

采动影响下软岩巷道破坏机理及控制

以淮北某煤矿109轨道大巷为研究对象,构建采动影响下大巷破坏的弹塑性力学模型,从而得出巷道围岩内表面的位移解。对轨道大巷进行“锚杆注浆”,通过现场实测,得出“锚杆注浆”能提高破碎围岩的强度,改善岩体的性质,有效控制围岩的变形。对采动影响下巷道围岩变化机理以及巷道围岩应力变化进行系统分析,为该矿后续巷道支护以及相近条件下巷道的治理提供了借鉴。     

煤层覆岩与地下水在采动损害中的互馈效应探讨

地下水的存在可以改变岩体的力学性质及覆岩应力状态,从而加剧由地下采煤诱发的地表变形、塌陷、地裂缝及水资源流失等采动损害现象;在采动损害过程中产生的覆岩中隔水层破断,又反过来改变地下水系统,引起井下突水事故和地面环境恶化。两者相互影响、相互制约,形成有利于采动损害发生、发展的互馈效应。在研究采动损害时,地下水是一个不可忽略的重要因素。     

新疆玛纳斯河流域平原地下水水-岩作用模拟

玛纳斯河流域平原区地下水化学演化较为复杂,从上游至下游的变化特点主要以Na+、Ca2+、 HCO3-、SO42-含量和TDS值的高低相间交替演化为主。本文对此演化机理进行了水-岩作用模拟研究,模拟结果表明:①矿物相的溶解、析出和蒸发作用、稀释作用共同控制着地下水水化学的演化;②从研究区上游往下,由于地层岩性颗粒逐渐变细,水中矿物相迁入、迁出的数量逐渐增大,水-岩作用逐渐增强;③研究区上游的水-岩作用主要是地表水或灌溉水入渗补给的影响,研究区中下游的水-岩作用主要受蒸发作用的影响;④由于地表水或灌溉水的大量混入,局部的水化学演化往往不符合一般演化规律,甚至于往相反的方向演化,TDS呈下降趋势,产生复杂的过渡水化学类型。     

北京平原区永定河冲洪积扇地下水水化学特征与演化规律

本文以北京市平原区永定河冲洪积扇地下水化学场的演化机理及地下水水循环规律为研究目的,根据水化学特征的水平分布及典型剖面上的演化过程研究,得到以下结论:1)从永定河冲洪积扇顶部补给区到扇缘排泄区,地下水水化学类型呈现水平分带性,潜水水化学类型由Ca-HCO3过渡到Ca·Mg-HCO3、Mg·Na-SO4,局部因人类活动影...     

采动影响下煤层覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征

以孟加拉国Barapukuria煤矿X工作面为试验区,采用井下钻孔分段压水原位测试及相关理论计算方法,研究了工作面回采前后覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征。研究结果表明,工作面回采前后,覆岩渗透性变化显著,采后覆岩渗透性具有明显的垂向分带特征。自覆岩导水裂缝带顶部至底部,渗透性呈阶梯状逐渐增大,可细分为弱渗透带、中渗透带和强渗透带。研究结果对煤矿区水文地质参数识别与涌水量预测工作具有指导意义。     

水-岩作用下单裂隙灰岩渗流特性演化规律研究

针对某水电站地下洞室裂隙灰岩的渗漏问题,现场采集岩样和库水,设计进行了两种方案的水-岩作用试验,历时360d,其中,方案1在浸泡过程中定期更换浸泡溶液,模拟地下水的长期浸泡和流动更新现象,方案2主要模拟长期浸泡过程。综合水-岩作用下裂隙面微观形貌特征以及浸泡溶液中离子浓度变化,分析水-岩作用下裂隙灰岩的渗流特性变化特征及机制。研究结果表明:在浸泡过程中,单裂隙灰岩的渗透系数呈先快后慢的增大趋势,浸泡360 d后,2.5、3.0、3.5、4.0MPa等4种侧向应力在两种方案下单裂隙灰岩的渗透系数分别增大了729.90%~384.17%、549.04%~297.45%,侧向应力越小,裂隙岩样的渗透系数增大趋势越明显,增长趋势分别在120 d和90 d后趋于稳定。比较而言,方案1裂隙灰岩的渗透系数增长速率和幅度明显较大,为方案2的1.34~2.07倍。方案1定期更换浸泡库水,保持了浸泡溶液的不平衡状态,使得岩样与浸泡溶液间形成了较大的浓度梯度,增加了反应化学势,加快了裂隙表面矿物溶解、溶蚀速率,而方案2中,长期浸泡使得溶液中离子浓度逐渐接近平衡状态,导致裂隙面矿物溶解、溶蚀速率明显低于方案1。长期水-岩作用使得裂隙面粗糙度和波动性明显减小,局部坡度和起伏度逐渐减小,整体溶蚀深度逐渐增加,据此,建立了水-岩作用下单裂隙灰岩渗流通道演化模型,在长期水-岩作用下裂隙岩样的渗流通道逐渐向吻合度低、开度大的方向演化,从而导致了裂隙岩样等效水力开度及渗透系数的大幅度增长。相关研究思路和成果为裂隙岩体的水-岩作用模拟提供了较好的参考。     

百泉泉域岩溶地下水水化学演化特征及成因

百泉泉域岩溶地下水是河北邢台市生产和生活的主要供水水源。近年来受到自然条件变化和人类活动的影响,泉域地下水流场明显改变,水化学场演变机制有待查明。本研究在水文地质调查和样品采集测试的基础上,采用统计学方法（描述性统计、Person相关系数）、饱和指数计算和水化学方法（Piper图、Stiff图、Gibbs图、离子比例系数）对泉域岩溶水化学特征展开了系统分析。结果表明：泉域岩溶水为弱碱性淡水,Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42- 是地下水中的主要离子,主要来源于方解石、白云石和石膏的风化溶解,Na+和Cl-主要来源于少量岩盐的溶解。沿着径流方向方解石相对于地下水由溶解状态转变为平衡状态,而白云石、石膏和岩盐一直处于溶解状态。补给区和北部径流区基本为HCO3-Ca·Mg型水,七里河、沙河附近和南部煤铁矿区岩溶水除HCO3-Ca·Mg型外,还多出现HCO3·SO4-Ca型、CO3·Cl-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型水,煤铁矿区附近岩溶水中SO42- 的升高是受到了高SO42- 矿坑排水的混合影响。蒸发浓缩作用仅在水位埋深浅且地下水流动相对滞缓的排泄区较为明显,排泄点——百泉泉水为HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型。此外,人类工农业活动改变了地下水的径流条件和水质,使局部岩溶水中NO3-、Cl-、Fe、总硬度含量升高甚至超标。     

山东省肥城断块岩溶水系统地下水水化学特征及演化分析

地下水是肥城地区最主要的供水水源,近年来受到工农业生产、煤矿开采、闭坑、矿井排水等人类活动影响,肥城地区地下水动力场及化学场都发生了变化,为查明地下水的环境质量状况,文章在研究水文地质调查和样品采集分析基础上,综合运用数理统计方法、水化学方法（Piper三线图、Gibbs模型、矿物饱和指数、离子比例分析）等,探讨肥城断块地下水水化学特征及演化规律。结果表明：（1）研究区地下水均呈弱碱性,$ {\mathrm{C}\mathrm{a}}^{2+} $、$ {\mathrm{M}\mathrm{g}}^{2+} $、$ {{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}}^{-} $和$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-} $为主要离子,主要来源于方解石、白云石及石膏溶解;矿物饱和指数表明方解石和白云石绝大多数处于饱和状态,石膏和岩盐矿物呈溶解未饱和状态。（2）区内岩溶水化学类型主要为$ {\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}-\mathrm{C}\mathrm{a}\left(\mathrm{M}\mathrm{g}\right) $型,其次为$ {\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}·{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}-\mathrm{C}\mathrm{a} $型和$ {\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}·\mathrm{C}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a} $型。孔隙水主要为$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}·{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}-\mathrm{C}\mathrm{a} $型、局部出现$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}{·\mathrm{N}\mathrm{O}}_{3}-\mathrm{C}\mathrm{a} $型。河流水化学类型相对复杂,包括$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}·{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}-\mathrm{C}\mathrm{a}·\mathrm{N}\mathrm{a} $型、$ \mathrm{C}\mathrm{l}·{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}-\mathrm{C}\mathrm{a}·\mathrm{N}\mathrm{a} $型等。（3）区内地下水中$ {\mathrm{C}\mathrm{l}}^{-} $、$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-} $和$ {\mathrm{N}\mathrm{O}}_{3}^{-} $含量相比1999年、2013年显著升高。裂隙水及岩溶水水质整体较好,局部呈点状变差,孔隙水及河水水质普遍较差,影响区域地下水水质的主要因素有化肥施用、禽畜养殖、生活污水下渗以及煤矿排水等。     

Formation of hydrochemical composition and spatio-temporal evolution mechanism under mining-induced disturbance in the Linhuan coal-mining district

Coal mining is bound to destroy natural hydrochemical environment. However, in the concealed coal field in North China, the hydrogeochemical characteristics of discharge aquifers under mining-induced disturbance has not been researched from view of space and time, and the true hydrochemical feature and spatio-temporal evolution mechanism could not be well revealed. For this reason, taking the Linhuan coal-mining district as study area, conventional ions and trace elements are studied by principal component analysis (PCA). The results show that main formations of hydrochemical composition are lixiviation and dissolution for the first principal component and cation exchange and absorption for the second principal component, respectively. In general, the main formation of hydrochemical composition in the unconsolidated pore aquifer is lixiviation and dissolution. The main formation in the coal and sandstone cranny aquifer is cation exchange and absorption, which are gradually weakened with lixiviation and dissolution. The main formation in the karst aquifer is lixiviation and dissolution, which are gradually strengthened with cation exchange and absorption. The research provides theoretical foundation for the water-inrush precaution and the protection and utilization of water resources in concealed coal field in North China.     

采动影响下矿井突水水源Fisher判别与地下水补给关系反演

为了揭示采动影响下矿井突水水源误判原因,进而推测地下水补给关系,收集了朱仙庄煤矿历年水化学资料,建立了突水水源的Fisher判别模型,并根据水样误判结果以及矿井地质与水文地质条件,反演分析了地下水补给关系.研究结果表明朱仙庄煤矿煤系砂岩裂隙含水层全部水样回判正确,含水层较为封闭,与其他含水层无水力联系;新生界第四含水层、侏罗系砾岩含水层与石炭系或奥陶系灰岩含水层部分水样误判,矿井采动影响下不同时期含水层间的地下水存在不同程度的水力联系,矿井新生界第四含水层水源对侏罗系砾岩含水层存在补给,石炭系或奥陶系灰岩水则通过矿井南部露水补给新生界第四含水层.地下水动力条件的变化验证了地下水补给关系.建立突水水源判别模型,分析回代误判原因,反演地下水补给关系,为正确认识矿井采动影响下地下水循环条件提出了新的研究手段.     

Modeling freshening time and hydrochemical evolution of groundwater in coastal aquifers of Shenzhen,China

This work investigated the freshening time and hydrochemical evolution of coastal groundwater in two brackish aquifers in Shenzhen, China. One was the brackish aquifer that resulted from heavy pumping, and the other was the aquifer reclaimed from the coastal sea. Freshening time and hydrochemical evolution of brackish aquifers were quantitatively evaluated using PHREEQC 2.0, a one-dimensional reactive-transport model. Freshening time was shown to mainly depend on pore water velocity, while the chemical composition of groundwater was determined by the cation exchange capacity of the aquifer. It was shown that after heavy pumping ceased, the freshening time for the original coastal aquifer ranged from 20 to over 80 years. While for the coastal reclaimed aquifer, the freshening time was from 85 to 140 years, which depended on the hydraulic conductivity of the fill materials in the reclaimed site. During aquifer freshening, groundwater evolved from Na–Cl type to Ca–Mg–HCO₃ or Na–HCO₃ type. A sensitivity analysis showed that the freshening time was most sensitive to the pore water velocity in the aquifer, while the groundwater chemical composition was most sensitive to the values of cation exchange capacity of the aquifer. As for the dispersivity, it had almost no effect on the freshening time and the chemical composition of groundwater.     

泾惠渠灌区地下水硫酸盐水文地球化学演化过程研究

泾惠区具2200多年的灌溉历史,灌区人口密度大,地下水不仅是工业和农业的主要水源,也是当地主要饮用水源.为了查明灌区地下水硫酸盐的水文地球化学特征、成因及其演化过程,在分析灌区1982年、1990年和2009年地下水水化学特征、SO4 2-时空分布特征的基础上,通过灌溉试验和Hydrus-1D模拟灌溉对地下水SO4 2-的影响.结果表明,灌区地下水水化学类型由HCO3(1982年)向SO4 2-(2009年)型演化.2009年SO4 2-是地下水中主要阴离子组分,具有西部低,北部、东部和南部高的区域分布特征.虽然地下水中最初的SO42-主要来源于地层中Na2SO4和CaSO4等硫酸盐的溶解,但灌溉试验和模拟计算表明,近年来地下潜水中高硫酸盐主要是由于灌溉水源引起的.     

水−岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水?岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水?岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC2D离散元软件对水?岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现：（1）水?岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。（2）水?岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。（3）由PFC2D离散元模拟分析发现：水?岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。     

煤炭开发区植被扰动时空效应及影响范围界定:以宁东矿区为例

煤炭开采是一种具有大规模高强度性质的生态扰动行为,会产生区域地表压占与损毁、植被破坏等生态扰动和环境污染问题.西北干旱荒漠区气候干旱,植被稀疏,生态环境本身极其脆弱,宁东矿区是典型的干旱荒漠煤炭开发区,有重要的研究价值.本文选择宁东矿区以及与矿区自然条件相近的自然植被参照区作为研究对象,收集2008—2019年共276...     

潘二矿下向卸压开采高应力演化特征试验研究

为研究深部近距离煤层群下向卸压开采高应力演化的特征,根据潘二煤矿深部近距离煤层群8煤和6煤地质与开采技术条件,设计了下向卸压开采的二维相似材料模拟试验模型,对8煤和6煤开采引起的采动应力进行监测。系统分析了8煤下向开采与6煤开采后的采场围岩采动应力、岩层运移及不规则煤柱对采动应力演化的影响,获得了近距离煤层群8煤下向卸压开采的顶底板采动高应力演化特征及6煤回采期间覆岩运移、采动应力裂隙演化和来压特征,得出了下向卸压开采不规则煤柱对采动应力、裂隙分布的影响规律。研究不仅为以采动高应力演化为主导作用的煤岩动力灾害防治提供了理论基础,也为卸压开采采场参数设计与优化提供了技术支撑。     

Analysis of groundwater mining in two carbonate aquifers in Sierra de Estepa (SE Spain) based on hydrodynamic and hydrochemical data

The carbonate aquifers of Lora and Mingo form part of the hydrogeological unit of Sierra de Estepa (SE Spain). By means of time series analysis and a 1D numerical groundwater model, groundwater exploitation was quantified and the mean annual recharge in both systems was estimated (2001–2004). During this period, the Lora and Mingo aquifers received an average groundwater recharge of 0.29 × 10⁶ m³/year and 0.14 × 10⁶ m³/year, respectively, whereas an average of 0.34 × 10⁶ m³/year and 0.21 × 10⁶ m³/year, respectively, was extracted. These conditions led to a conspicuous lowering of the water table in both systems. In addition, the analysis of the evolution of the main hydrogeochemical parameters of the groundwater showed that the increased pumping rates produced an increase in total dissolved solids, and chloride and sodium ions in both aquifers. In the case of the Lora aquifer, the only ion that presented decreased levels was nitrate. The results show that groundwater pumping in both aquifers should not exceed the mean annual recharge of 0.29 × 10⁶ m³/year and 0.14 × 10⁶ m³/year in the Lora and Mingo aquifers, respectively. Nevertheless, it would be advisable to reduce pumping rates to below these values in order to restore piezometric levels and improve groundwater quality for different uses in the future.