西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展

我国蒙陕接壤深部矿区主采煤层赋存地质与水文地质特征较之浅部矿区差异较大。文章通过系统分析呼吉尔特、台格庙、新街等蒙陕深部矿区主采煤层地质、水文地质特征以及采动导水裂隙等相关研究成果,总结出巨厚白垩系孔隙−裂隙含水层作为矿区保水目标层,在侏罗系安定组砂质泥岩弱隔水关键层间隔保护下,在煤层开采驱动下易形成典型的间接涌(失)水模式。并以研究区案例矿井为分析对象,数值模拟深部煤层开采过程中地下水流场变化规律。结果显示,煤层回采扰动下地下水流场以采掘空间为中心形成降落漏斗,并随着回采进尺的增加,降落漏斗影响范围与工作面总涌水量均增加,上部白垩系含水层越流失水量增加幅度小于总涌水量增加幅度,模拟结果与案例实测结果基本一致。最后,针对深部煤炭资源开采与研究区水源地保护“煤−水矛盾”问题,以保护白垩系含水层地下水水位为目标,提出以白垩系为回灌层、安定组顶部为终孔层位、注水井尽量远离煤矿区为基本原则的白垩系含水层地下水水位钻孔注水帷幕保护思路。并模拟分析案例矿井在正常开采与注水帷幕墙体建设条件下白垩系含水层地下水流场的变化规律,结果显示“钻孔注水帷幕”在低渗透性含水层水位保护具有较好的可行性,对于深部矿区煤层开采顶板水资源保护具有借鉴意义。

     

屋顶雨水回灌裂隙岩溶含水层连通示踪试验

雨水回灌后对岩溶水的影响分析和效果需要对回灌井和下游的观测井监测数据说明。由于岩溶含水层中岩溶发育极不均匀,在测定地下水位并判定出地下水流向的基础上,连通示踪试验是选择与回灌井相对应的观测井的有效办法。用氯化钠作为示踪剂,监测不同测井不同埋深地下水电导率随时间变化的方法确定了岩溶水观测井选址、岩溶含水层的结构及水文地质条件。示踪试验结果表明,3#观测井(西院井)可用来监测雨水回灌效果,并计算出该地区的地下水势流速在9 m/h～20 m/h之间。该成果对北方地区岩溶含水层回灌和环境评价具有重要的参考价值。     

区域流场作用下地下水地源热泵系统抽灌模式对地温场的影响

通过建立三维水热耦合数值模型,对区域流场作用下,地下水地源热泵系统运行一个采暖、制冷周期后,不同的抽灌井布局以及交替方式下,地下水地源热泵系统地温场的演变趋势进行模拟分析。结果表明,地下水的天然流速越大,越有利于热量的运移,有助于抽灌井连线垂直于地下水流方向的垂直布局以及地下水流向由抽水井指向回灌井的平行布局下的地温场演化,但不利于地下水流向由回灌井指向抽水井的平行布局下的地温场演化和温度恢复。一般的天然地下水流速条件下,由于含水层储能效应,进行抽灌井季节性交替模式的系统运行效率较高。     

井内混合效应与尺度效应对注入井附近溶质径向弥散过程的影响

径向弥散是指溶质在径向流场下的迁移规律,被广泛用于描述含水层修复领域中污染物的迁移过程.然而,在现有描述径向弥散的模型中,往往忽略了井内混合效应对溶质径向弥散的影响.建立新的注入井附近溶质径向运移动力学模型,同时考虑井内混合效应与弥散度的尺度效应.采用Laplace变换推导该模型的半解析解,利用Stehfest数值逆变换获取溶质在实数空间的解.通过与不考虑混合效应的模型对比研究混合效应对溶质径向弥散的影响,并利用室内渗流槽中的溶质径向弥散实验数据验证模型的合理性与适用性.结果表明:混合效应和尺度效应对注水井附近溶质径向弥散有显著影响.具体地讲,井内的混合效应越显著,在井壁处及含水层中的穿透曲线越低,溶质浓度达到峰值所需时间越长,与不考虑混合效应模型的差异越明显;随尺度效应的增强,溶质提前穿透且扩散范围变大,溶质浓度达到峰值所需时间越长;与前人的模型相比,本研究模型能更好地模拟注水井附近的溶质径向弥散问题.      

西宁市贵德县河滨公园林场第四系含水层弥散试验研究

地下水污染问题日益严重,研究溶质运移的弥散理论开始应用于实际问题。建立地下水溶质运移模型,对地下水中污染物的运移及发展趋势进行准确预测,是对地下水进行保护、对地下水污染进行控制的基础。而弥散参数的确定则是地下水溶质运移模型建立的关键环节之一,直接影响着模型预测结果的精度和准确性。 对西宁市贵德县地下水污染的水质运移规律进行分析,在贵德县河滨公园林场采用径向收敛流水动力弥散理论方法进行了第四系含水层现场弥散试验,计算了试验场地潜水含水层的弥散度,获得纵向弥散度(a_L)为0.843~0.998 cm,横向弥散度(a_T)经验推断值为0.17~0.20 cm,为进一步建立该地区的地下水溶质运移模型、预测地下水污染的发展趋势和评价该地区地下水环境质量提供了数据参考。     

利用滨海地下水系统对双频潮汐的响应识别含水层压力传导系数

含水层的压力传导系数是地下水溶质运移及扩散的重要参数,通常压力传导系数由抽水试验确定,即通过抽水给地下水系统一个扰动,然后监测地下水水位的响应,进而计算压力传导系数.对滨海地区含水层来说,潮汐波动就是天然的抽(注)水试验.潮汐由不同频率的分潮构成,前两项主频潮汐基本可代表潮汐主要特征.利用地下水水位对潮汐的响应,识别含...     

西部侏罗系矿区充水含水层水文地球化学特征及矿井水来源综合识别

本文以水文地球化学理论为指导,基于研究区水文地质条件及矿山水害研究基础,构建了不同充水含水层水化学和氢、氧同位素基础特征值,结合不同煤层埋深煤矿含隔水层组合特征和导水裂隙带发育高度,综合识别了浅埋、中深埋和深埋多个煤矿的矿井水来源.研究结果显示,受水岩作用和水动力条件等因素影响,煤层上覆不同充水含水层地下水水化学类型和...     

粉细砂含水层在人工回灌时渗透系数的变化规律

渗透系数是设计地下水人工回灌方案的重要参数。苏州吴江盛泽镇新安水利站地下水人工回灌试验层为典型的河漫滩相粉细砂含水层,埋深98.1～105.8 m,厚度7.7 m。回灌试验系统可实施持续与间断、常压与加压、定流量与定压力等多种模式回灌。利用2020年的试验资料,建立模型,通过直线图解法求得12个试验周期内所对应的渗透系数K值。采用MATLAB进行数据处理与模拟计算,得出渗透系数在回灌持续过程中衰减规律符合指数方程：K(t)=0.58+0.48e-^0.21t。     

含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响

为探讨含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响,基于非均质含水层砂箱实验,分别用传统等效均质模型、克立金插值和水力层析刻画含水层渗透系数场,并探讨了先验信息对水力层析结果的影响.将不同方法估算的渗透系数场用以预测地下水流和溶质运移过程,以此判断不同方法估算结果的优劣,分析含水层非均质性对地下水流和溶质运移的影响.结果表明:与克立金插值法相比,水力层析法可以更好地刻画含水层非均质性,较准确地预测地下水流和溶质运移过程;钻孔岩心渗透系数样本值作为先验信息可以提高水力层析法估算结果的精度;传统等效均质模型无法准确预测地下水流和溶质运移过程.含水层非均质性的增强将导致溶质污染羽分布形态和运移路径的空间变异性增强,并且优势通道直接决定溶质的分布及运移路径.      

横河煤矿底含放水孔与井田内供水井连通试验研究

在邹城市宏河矿业集团横河煤矿井田范围内,有多眼供水井.由于这些供水井大部分穿透了第四系松散层,致使上部含水层和底部含水层串通,造成对矿井水的补给.但较长时期以来,由于缺乏直接的证据,对供水井与煤矿底含涌水之间的关系看法不一,从而造成对矿井水防治决策的困扰.通过化学示踪法跟踪地下水的流向,证实是供水井自身结构串通了第四系含水层上、中、下组,从而造成上组含水层对底部含水层的补给.     

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。     

安徽泥河铁矿矿坑充水因素研究

安徽泥河铁矿矿区水文地质条件较复杂,矿体埋深大,在综合分析矿区水文地质条件、地表水、地下水相互水力联系的基础上,从岩层性质、地下水赋存及补给条件,确定了影响矿床充水的各因素,结果可知:泥河铁矿矿体埋藏深度大,顶底板围岩为隔水层,次生石英岩含水层为矿坑充水的主要间接补给源,其多位于矿体顶板之上50 m,受矿体上部导水性极弱的闪长玢岩层的限制,补给量微弱,对矿区大部分矿坑充水影响不大。但在矿区东北部和中部地段,受开采时冒落带以及导水裂隙带的影响,对该区域矿坑充水的影响较大。此次研究填补了该矿区深层地下水含水系统研究的空白,为准确预测矿坑涌水量提供理论依据,具有重要的参考价值和现实意义。     

水文地球化学方法在煤矿水害研究中的某些应用——以平顶山、肥城矿区研究为例

矿井防治水的理论和工程实践表明，水文地球化学方法是矿井水害预防和治理工作中较为有效的一种方法，以平顶山矿区、肥城矿区为例，阐述了水文地球化学方法在水害研究中的某些应用，在平顶山矿区、环境同位素（氢、氧）和统计分析（聚类分析）技术的研究结果，进一步证实和校正了以往对该区水流系统的概念模型，即局部水流系统和过渡水流系统（或西南部和东北部子系统）的划分仅适于寒武系灰岩含水系统；砂岩含水层在矿区中、北部低山区接受大气降水补给，并有可能补给薄层灰岩含水层。在肥城矿区，地下水示踪试验结果表明，该区的GF9，F7－1、F7－3断层在试验段内具有较强的导水性，奥灰水可通过上述断层并以不同特征的通道和速度继续径流并补给各井下出水点，因而是该区煤矿安全的主要威胁。     

非均质含水层中地下水年龄数值模拟

地下水年龄数值模拟是近年来国际地下水领域的一个全新研究方向。在简单介绍地下水年龄数值模拟相关理论和方法基础上,通过一个简单算例模拟对比了稳定流条件下不同非均质含水层中的水流运动和年龄分布,探讨了夹层透水性的强弱对地下水年龄分布的影响。结果表明,在地下水系统保持补径排通量不变的前提下,弱透水夹层的存在对于特定区域地下水的深部循环和更新具有积极作用。同时,在模拟区域深部含水层的年龄分布时,不能忽略其弥散作用。地下水年龄模拟为研究区域尺度上的地下水循环和地下水资源可持续利用提供了一种新的途径。     

高盐矿井水深部转移存储介质特征与水动力演化规律

高盐矿井水处理及排放是近几年影响煤炭高效开采的重要因素之一,选择开采煤层底板下深部适当的含水层,将高盐矿井水进行异位转移存储是一种值得探索的矿井水排放减量方法。以鄂尔多斯盆地X矿为例,分析认为开采煤层以下宝塔山砂岩和深层刘家沟组砂岩地层具备转移存储空间。采取压汞实验和岩石力学分析研究2组地层介质特征;采用水位自然恢复试验、压水试验和数值模拟等手段研究水文地质参数和水动力场特征。结果表明:宝塔山砂岩孔隙率为6.57%~19.89%,储水潜力大但距离开采煤层过近,转移存储矿井水可能引起底板突水威胁,现今开采阶段不考虑作为转移存储目的层;刘家沟组孔隙率为4.18%~7.49%,原始状态下渗透系数为5.31×10-6 m/d,注水压裂后为0.008 14~0.015 27 m/d,渗透能力大幅提升并可保持稳定;MODFLOW模拟结果表明,刘家沟组含水层在长期转移存储矿井水方面具备较好前景。      

吉林省龙井市石井金银矿矿区水文地质条件评价

吉林省龙井市石井金银矿位于长白山系老爷岭南麓的丘陵地貌中,区内地下水的形成、分布、埋藏条件严格受地质构造、岩性、地貌等条件控制,地下水的补给来源为大气降水。矿区含水层主要类型为：第四系砂砾石孔隙潜水含水层、基岩风化构造裂隙水含水层、构造裂隙脉状水含水层（带）;三种地下类型水富水性都较小,对矿床影响不大,该矿区水文地质条件属简单类型。     

深部煤矿地下水温对矿井涌水量预计的影响

随着我国煤矿开采深度增加,地温、含水层水温升高,相应地含水层渗透系数增大,渗透系数的变化会对矿井涌水量产生一定影响。矿井勘探时期对该问题重视不够。以赵楼煤矿为例,考虑地下水温对渗透系数影响,采用解析法预计了矿井正常涌水量,预计结果为398.53m3/h,与不考虑地下水温变化情况相比较,增加59.63m3/h,增加幅度为17.60%,表明地下水温是影响深部煤矿矿井涌水量的重要因素。     

淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区水化学和硫同位素特征

在明确淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区内水文地质状况、地下水流场特征等基础上,通过对矿井水、采空区水、矿排水、奥灰水、雨水、地表水的取样分析,掌握治理区的地下水水化学、硫同位素特征。选择接受大气降雨补给的区域、煤矿水聚集区、奥灰水聚集区以及奥灰水与煤矿水交叉混合区,分区对地下水水质现状及煤矿水和奥灰水之间水力联系情况进行分析判断。通过对比分析治理前后研究区水质情况,发现治理后奥灰水仍呈现高${\rm{SO}}_4^{2-}$浓度、高硬度、高TDS特征,且硫酸盐主要来源于煤矿水,治理后洪山、寨里煤矿地下水串层通道依然存在,串层污染情况持续进行,且污染较治理前有加重趋势。则今后治理工作应进一步查清、控制导水通道,控制矿坑水水位,避免其污染奥灰水。     

大清河流域平原区地下水人工补给潜力与补给方式分析

为了有效提升大清河流域平原区地下水水位,亟需在此区域开展地下水人工补给工程,并确定合理的建设位置及有效的补给方式。首先基于研究区可利用补给水源、地下水位、地表高程、地表坡度及与河道距离5个指标的分布特征,构建地下水补给潜力评价体系,采用ArcGIS空间分析功能对研究区进行了地下水人工补给潜力区划;然后在此评价体系基础上,在典型人工补给高潜力区进一步开展系列野外现场试验,探讨适宜可行的地下水人工补给方式。结果表明：研究区西北部及南部河道附近区域开展人工补给工程潜力较高,而中部、北部及西南部远离河道的区域潜力较低。高潜力区——白沟引河地段包气带及含水层渗透性良好,整体渗透系数均在5 m/d左右或更高,适宜地表补给,但河床渗透性较差,渗透系数基本在0.01~0.09 m/d间,若通过河道补给需配合清淤等措施。其中,在上游及中游沿岸适宜将河道水通过生态水渠引至修建的地表入渗池或借助天然渗坑内入渗补给,在中下游沿岸区域适宜将补给水进行严格的水处理后采用井灌方式补给,在白沟引河中下游河道适宜修建拦水坝,利用河道进行入渗补给。