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。      

国内外矿井水处理及资源化利用研究进展

煤矿区矿井水处理及资源化利用是实现煤炭工业高质量发展与矿区生态文明建设双重目标的重要推力。在全球水资源短缺与生态环境保护的约束下,矿井水作为一种非常规水资源,其大规模处理与高效利用是未来发展的必然选择。文中从煤矿区矿井水水质特征出发,全面论述了矿井水水质形成机制与水质评价方法,并将矿井水水质形成划分为含水层水–岩作用和采空区水–岩作用2个阶段。系统分析了国内外含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水及含特殊组分矿井水处理技术优缺点,重点阐述了含悬浮物矿井水高效旋流净化、高矿化度矿井水双极膜和膜蒸馏处理、酸性矿井水人工湿地处理的新技术。在总结国内外矿井水资源化利用现状的基础上,阐明了矿井水资源化利用的途径主要包括工业生产用水、生态用水、生活用水及热能利用4种。最后,提出了目前我国煤矿区矿井水处理及资源化利用存在的问题及科学思考,建立了矿井水处理及资源化利用概念模型,通过不断推进矿井水处理及资源化利用技术研发,提高矿井水资源综合利用率,解决煤矿区水资源供需矛盾,促进社会经济增长、煤炭资源开发与矿区生态文明建设三者之间的协同发展。     

华昱矿区矿井水水质评价及零排放资源化利用

针对华昱矿区面临的生产、生活用水匮乏,水资源复用率低,严重制约矿区可持续发展的问题,提出将矿井水资源纳入区域水资源进行统一配置利用是解决该问题的关键。通过对五家沟煤矿、元宝湾煤矿和南阳坡煤矿22组矿井水水样进行水质分析,确定了区内矿井水的水质类型,将总硬度、氟化物、硫酸盐、亚硝酸盐、总铁和矿化度作为评价指标,构建水质评价模糊综合矩阵对区内矿井水水质进行评价。根据区内煤矿自身涌水和生产用水的实际情况,提出了“多井联动调配+井上下协同净化+分质供水+梯级利用+全复用”的水处理新模式。结果表明,区内矿井水为含悬浮物和高矿化度矿井水,矿井水水质级别为Ⅴ级,水质极差水样有20组,该类水样占比为90.90%,经深度处理后产水水质均达到了《地下水质量标准》(GB/T14848—2017)中的Ⅰ类标准,水资源利用新模式实施后,满足了各矿井不同用水的供水需求,实现了煤矿间的多井联动调配和零排放。     

矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析

矿井水深井回灌是矿井水“转移存储”处理的主要形式,根据鄂尔多斯盆地煤矿区地质和矿井水特征,从回灌目的层地下水与矿井水的匹配性、上下岩层的隔水性、回灌层的渗透性以及封闭性角度提出了矿井水回灌目的层选取依据。并以地下水达西定律和Dupuit理论为基础,建立极坐标系完整注水井稳定流数学模型,得出在稳定注水条件下,回灌量与注水层渗透系数、厚度、回灌压力、水位埋深以及回灌井直径正相关,与影响半径负相关,与回灌层埋深无关。提出了矿井水深层回灌水动力和溶质运移耦合仿真模型构建方法,并以矿井水回灌试验案例为分析对象,模拟得出矿井水回灌过程中含水层水压形成以注水井为中心的“高位水丘”,且注水压力越大,回灌量增加较为明显,模型分析结果与现场试验结果基本一致。溶质运移范围形成以注水井为中心的“圆柱状”弥散形态,特征离子浓度沿回灌井两侧变化剧烈,回灌层特征离子浓度被迅速稀释,随着时间的延伸,弥散稀释范围增加相对较小,说明矿井水回灌对深部高浓度含水层地下水水化学影响程度不大,研究成果可为西部煤矿区矿井水高效回灌处理提供科学依据。      

水力压裂增水技术在青海卤盐矿开采中的试验

针对青海大盐滩地下钾盐矿开采难题,尝试利用水力压裂技术增加卤水井单井产能。从水力压裂技术原理、压裂井布置、压裂与座封段确定、器具安装、压裂施工、抽水试验等方面介绍了卤矿区水力压裂试验。试验结果表明,4眼试验井平均增产559.25%,获得良好的压裂增产效果。首次将水力压裂技术引入到了卤矿区盐田增产领域,填补了国内卤盐矿井压裂增产的技术空白。     

我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建

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。      

基岩水井水力分段压裂增水技术研究与应用

随着我国社会、经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,水资源供需矛盾日益突出。特别近几年,我国西南、西北、华北等许多地区发生持续干旱,当地的人畜用水极度困难。抗旱找水打井工作十分迫切。针对我国基岩水井取水存在部分水井出水量偏低的状况,从基于水井压裂机理、压裂液、压裂工艺等方面开展了分段压裂增水技术研究工作,并进行了试验。成功探索出一套适合我国国情的水文水井用水力压裂技术,为我国合理开发和利用地下水资源,缓解基岩山区水资源紧张提供了技术支撑。     

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。     

中煤平朔三号井工矿水化学特征及对水文地质条件的反映

中煤平朔三号井工矿在建井过程中曾发生了两次较大的突水事件。在分析矿区水文地质条件的基础上,采用衬度系数方差分析了矿区内地表水、第四系松散层孔隙水、石炭—二叠系砂岩裂隙水和矿井水的水化学特征,对直接充水水源——石炭—二叠系砂岩裂隙水的水化学类型、矿化度和主要污染组分的空间分布特征及水动力条件进行了探讨。研究结果表明,三号井工矿水化学特征能够较好地反映水动力条件和富水性：在井田西部靠近大沙沟的隐伏露头部位,由于地表水及第四系地下水补给强度大,径流条件好,水交替积极,水质较好;而在远离隐伏露头补给区,即井田东部及东北大部风化裂隙减弱,径流条件逐渐变差,水交替迟缓,水中各离子含量相对增高,水质变差。研究成果可为矿井防治水提供依据。     

地下开采条件下水资源流失机理与环境影响研究

通过剖析因地下采动造成阜新矿区自然村民井断水现象，对地下开采条件下水资源流失与恶化机理进行了分析研究。结果表明，即使采空区和受影响区处于不同的水文地质单元，因采动对隔水构造的破坏而形成地下水径流通道-空巷和裂隙，从而为水的流失创造了水文地质条件；地下水经过长时间聚集和物化作用发生水质恶化，失去使用价值。废弃关闭矿井水的资源化与利用问题，对水资源缺乏和煤炭资源枯竭、经济转型矿区具有现实的经济与社会意义。应该研究因抽取矿井水而引起的相关环境影响与灾害问题，防止出现二次破坏。     

采煤对松散含水层地下水扰动影响规律及评价指标——以神东补连塔井田为例

针对采煤对松散含水层地下水扰动程度评价方法适用性不足等问题,以神东补连塔井田为研究背景,通过分析采煤对地下水动力场的影响规律,得出矿井水（矿井排水与采空区储水）的形成是导致大气降水、地表水与地下水转化关系和转化量发生改变的主要原因;并从松散含水层生态水位变化、含水层损伤以及水量损失的角度,提出了采煤对地下水扰动程度的3个评价指标,结果显示,截至2012年补连塔井田松散含水层地下水生态水位扰动指标基本均大于1,采扰比达92%,说明采煤对生态水位影响较大;由于采动裂隙直接发育至松散含水层内部,导致井田范围内8%面积的含水层完全损伤而失去地下水调蓄能力;而在重复利用矿井水并开发地下水库储水功能的条件下,补连塔矿地下水量损失减少至8.5%,说明矿井水的充分利用对减少地下水资源损失意义重大。      

我国北方岩溶泉域生态修复策略研究

我国北方岩溶分布面积广,岩溶泉水资源丰富,是岩溶区工农业及居民生活的优质供水水源。但在全球气候变化和采煤等强烈人类活动的叠加作用下,我国北方岩溶泉水流量衰减,水质恶化,岩溶泉域生态环境功能下降。通过合理、适度的人工干预,强化岩溶大泉的自然恢复机能,并最终实现泉域生态环境修复,是当前我国生态文明建设的先行区和重点领域。论文在分析研究晋祠泉断流原因的基础上,针对性地提出并科学地评估了汾河二库强化渗漏补给、泉域岩溶水关井压采、煤矿区保水限采、近源生态补水和远源河道渗漏补给等一系列措施及预期效果,以期推进晋祠泉域岩溶地下水生态环境得到根本性改善。该研究工作有望对我国北方岩溶大泉的生态修复形成示范效应,为遏制我国岩溶区生态恶化现象提供科学依据。      

采空区储水干旱区保水采煤新途径

我国西北干旱半干旱地区水资源总体贫乏,但煤炭储量丰富,且埋藏浅。煤炭开采覆岩土破裂常发育到地表,破坏浅表层水资源,造成潜水水位下降、地表水枯竭,生态地质环境恶化,实施水资源保护性开采(保水采煤)是西北干旱地区煤炭科学开采的唯一选择。本文叙述了保水采煤的历史和现状,分析了采空区储水的基本条件和机理,给出了采空区储水的水量预计方法,并以实例说明了采空区储水水量和水质效果,认为采空区储水是西北干旱区浅埋煤层大规模保水开采的最有效途径。     

煤矿(床)水文地质学的研究现状及展望

煤矿(床)水文地质学是研究煤炭资源开发过程中地下水活动规律以及为防止其对采煤工程的不利影响,保护矿区生态环境的一门应用性地质学科,对煤矿安全生产工作具有重要的推动作用。近年来,在保水采煤技术、华北型煤田防治水技术体系、陷落柱发育规律及其治理技术、煤层底板含水层注浆改造保障技术等方面取得了重要进展。随着煤炭开采强度和开采规模的进一步扩大,学科发展面临着诸如老空水及陷落柱探测、矿坑充水条件变化、矿井水患实时评价及治理等重大问题。提出了在学科发展中应优先解决诸如“三高”(高地压、高地温、高水压)地质条件下煤矿突水机理、西部地区煤炭资源开发过程中突水溃砂机理、水资源承载力及其调蓄技术、矿井水资源化及其合理利用研究以及综放开采条件下冒裂带发育规律研究等科学问题。      

陕北能源化工基地煤炭生产可持续发展的地质与环境地质问题研究

陕北能源化工基地多种矿产富集,煤炭、石油、天然气、岩盐等矿产资源储量丰富,经过近20年的建设开发,已初步建成为中国重要的能源接续地和大型煤化工基地。但该区水资源短缺、生态环境脆弱的现状,相对资源开发增长速度较快的煤炭生产和转化来说,其环境压力巨大,暴露出的矿产地质与环境地质问题突出．已影响到基地建设的可持续发展。为此提出了如下应对措施：加强地质勘查工作,提高煤炭资源保障程度：加强多种矿产并存区的综合地质勘探、评价和规划,推进矿产资源的综合开发与利用;加强生产矿井的监督和管理,不断提高资源采收率;开展矿区水资源的勘察评价,加强水资源的规划和协调管理;深化《保水采煤技术研究》,推广实施矿井水及工业、生活污水的综合利用;建立健全防灾减灾体系建设,做好矿区地质灾害监测、评价及治理工作;加强矿区环境整治和生态保护工作;建立陕北能源化工基地煤炭资源、环境可持续发展的长效机制。     

中国矿业可持续发展与煤矿开采环境问题—21世纪初矿山岩石力学面临的新机遇和挑战

列述了中国在陆地传统矿产资源、海域矿产资源、天然气、煤层气、地热等能源资源方面的相当大的开发潜力。提出了中国矿业可持续发展必须解决的若干岩石力学难题。指出了煤矿开采引发的环境问题:如采煤对土地资源的损害、对村庄的损害、对水资源的影响,以及煤炭开发和利用对大气环境生态平衡的影响。并提出了对矿区环境控制的岩石力学对策,即推行减沉开采技术;矿井水资源的保护和再利用;清洁开采技术。     

采煤对浅层地下水环境的影响及矿井水生态利用分析

黄河流域中上游矿区煤?水矛盾突出,煤炭开采对地下水环境造成一定的破坏。基于此,以鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田榆神府矿区为研究区,在野外调查、数据分析、室内测试的基础上,分析研究区矿井水的量质特征,揭示煤炭高强度开采对地下水环境的影响,并开展矿井水生态利用研究。结果表明:研究区矿井富水系数在0.23~2.28,平均为0.91,评估2020年区内矿井排水量高达4.70亿m3,受采掘活动影响,浅埋煤层开采区地下水位下降趋势明显;区内矿井水出现不同程度的污染组分超标现象,主要超标指标为化学需氧量(COD)、Na+、SO₄ 2?、溶解性总固体(TDS),未处理的矿井水外排将会污染区内地下水环境;研究区浅层地下水超限的水质指标主要为NO₃-N,与矿井水超限水质指标差别较大,反映出浅层地下水水质受采矿活动影响较小;提出矿井水浅层回灌和矿井水生态灌溉2种模式开展研究区矿井水的生态利用,矿井水回灌对矿井水中的溶解性有机碳、色度具有较好的去除效果,回灌后出水满足Ⅲ类地下水限值;浅埋煤矿矿井水具有作为矿区生态修复灌溉用水的较好潜力,中深埋煤矿和深埋煤矿矿井水不适宜作为灌溉用水。研究结果为我国西部煤矿区水资源保护和生态修复提供重要依据。