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矿井水也能资源化利用，关键靠什么？

来源：煤炭学报

我国每年因煤炭开采破坏地下水约80亿 t,而利用率仅25%左右。作为我国煤炭资源战略重心的中西部地区,如何做好水资源保护与循环利用是我国煤炭开发长期面临的重大难题。

行业视野: 环境保护
类别; 33个
关键词; 39位
专家; 8篇
论文; 8946IP
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煤矿地下水库水-岩相互作用机理实验研究

作者(Author)：张凯, 高举, 蒋斌斌, 韩佳明, 陈梦圆

摘要：为了揭示煤矿地下水库水体中离子的变化规律，阐明其自净化机理，并为其建设与发展提供理论依据。通过对神东大柳塔煤矿地下水库原位进出水水样水质分析、水化学类型分析和其中主要离子来源解析，设计4组煤矿地下水库泥岩和细砂岩分别与去离子水和矿井水的水-岩相互作用模拟实验，采用图示法、离子比值法等手段揭示煤矿地下水库水体中主要离子的变化规律及其来源。结果表明:大柳塔煤矿地下水库发生的主要水-岩相互作用为阳离子交换反应，黄铁矿氧化，方解石、白云石以及硅酸盐矿物的溶解。阳离子交换反应使得Na+浓度增大而Ca2+浓度减少、水化学类型由进水的SO4·Cl-Ca型向出水的SO4·Cl-Ca型转变以及造成Na+浓度相对Cl-浓度过量而(Ca2++Mg2+)浓度相对于(HCO-3+SO42-)浓度亏缺的主要原因;且随着水-岩相互作用的进行，泥岩和细砂岩的钠吸附比均逐渐增大，阳离子交换反应逐渐减弱。煤矿地下水库水体中SO42-部分来源于黄铁矿氧化，其中泥岩的方解石含量相对于白云石含量较多，主要是黄铁矿氧化与方解石发生中和反应;而细砂岩中白云石含量较多，主要是黄铁矿氧化与白云石发生中和反应。矿井水中Na+主要来自钠长石和正长石等硅酸盐矿物的溶解，泥岩组和细砂岩组Ca2+和Mg2+的主要来源分别是方解石和白云石的溶解。

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煤炭学报

2019年第12期

1056

391
考虑有效应力影响的煤矿地下水库储水系数计算模型

作者(Author)：方杰, 宋洪庆, 徐建建, 杨连枝, 李正一

摘要：综合考虑煤矿地下水库储水系数的潜在影响因素，对弹性模量、上覆岩层体应力、泊松比、上覆岩层密度等进行理论分析，结合弹性力学、渗流力学的相关原理与知识，以及矿井水流动涉及的流固耦合渗流机理，建立了考虑有效应力影响的煤矿地下水库储水系数数学模型，并确定了模型解析解。以宽沟煤矿地下水库为例，计算该地下水库的储水系数并进行影响因素分析。结果表明:采高对储水系数的影响最大，上覆岩层体应力次之，弹性模量最小;储水系数随上覆岩层体应力、垮落带高度的增大而减小，随弹性模量、泊松比、采高的增大而增大。弹性模量每增加1.1 GPa，储水系数增大0.4%~3.0%;上覆岩层体应力每增加20 MPa，储水系数减小19%~39%;泊松比每增加0.1，储水系数增大10%~14%;垮落带高度每增加2 m，储水系数减小8%~11%;采高每增加1 m，储水系数增大20%~60%。根据该模型计算所得储水系数的分布范围为10%~35%，这与矿区抽排水工程试验值范围一致，验证了模型的准确性。

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煤炭学报

2019年第12期

972

1191
采动岩体裂隙自修复的水-CO2-岩相互作用试验研究

作者(Author)：鞠金峰, 李全生, 许家林, 杨磊

摘要：采动破坏岩体易与采空区水、气发生一系列物理化学作用，促使裂隙发生导水能力降低的自修复现象;研究揭示导水裂隙的自修复机理对于科学评价地下水生态恢复能力、合理制定裂隙限流的保水采煤对策等具有重要的指导意义。基于砂质泥岩裂隙岩样在酸性和碱性水溶液条件下的水-CO2-岩相互作用实验，揭示了裂隙在黏土矿物遇水膨胀以及次生矿物或沉淀物充填作用下的自修复机理和规律。结果表明:无论酸性或碱性水溶液条件，裂隙均具备自修复能力，但酸性水溶液条件下的自修复效果更好。裂隙自修复过程中存在渗透率“先快后慢”的分区特征;首先出现以裂隙面黏土矿物遇水膨胀作用为主引起的渗透率快速下降现象，其下降速度在碱性水条件下更快;其次随着时间的累积，裂隙面岩石矿物溶解、溶蚀形成的离子与水溶液中的阴阳离子、游离CO2发生离子交换化学反应，引起高岭石等衍生矿物或Fe(OH)3等沉淀物的生成，这些新的物质在裂隙面逐渐吸附堆积，不断降低裂隙的导水能力。由于实验砂质泥岩中铝硅酸盐矿物含量偏低，无法充分消耗加大通入量的CO2，导致多余的CO2会以碳酸的形式对裂隙面矿物形成溶蚀作用，从而引起裂隙开度及其水渗流能力的提高，表现出对裂隙岩石自修复进程的阻滞作用。

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煤炭学报

2019年第12期

1172

513
煤矿分布式地下水库渗流场分析及优化调度

作者(Author)：刘晓丽, 曹志国, 陈苏社, 高岩堂

摘要：煤炭规模化开采势必产生扰动裂隙场，进而破坏地下水系统，并产生大量矿井水，导致矿井突涌水风险。为了保障煤矿生产安全，并将矿井水储存在井下供生产和生活使用，提出了煤矿地下水库理论框架和技术体系。煤矿地下水库建设的关键难题是库容(或储水量)的评估与控制，即将矿井水储存在采空区后，如何保障不断增加的矿井水不会危及到后续煤炭开采活动。基于此，提出了在煤矿区建设多个地下水库，通过管道将多个地下水库相互连接起来形成相互连通的分布式地下水库，并可在多个水库间进行水量联合调度的技术思路。其优势是可以通过水库间的水量调度保证每个水库中的矿井水在安全库容范围，特别是可以使威胁现有采区的地下水库储水量得到有效控制，防止水害发生。以某煤矿分布式地下水库建设为例，根据矿井开采区的地质资料，计算不同高程区域的储水能力，确定分布式地下水库的库容-水位曲线;在此基础上，建立分布式地下水库的地下水数值模拟模型，预测矿区的涌水量;并针对矿区的涌水量，结合地表水资源，按照水量供求关系，进行矿区水资源的优化调度，使得矿区涌水得到合理和高效利用。

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煤炭学报

2019年第12期

1024

561
有机氮和“三氮”在西部煤矿区地下水库迁移转化的实验研究

作者(Author)：张庆, 罗绍河, 赵丽, 王世东, 田云飞, 张垒, 孟嘉馨, 张智吉

摘要：基于浅埋深、薄基岩、厚煤层的赋存条件，在我国西部煤矿区往往排出富含有机氮和无机氮(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮或氨氮)的矿井水，如果不经过处理就直接排放，会给生态环境带来严重危害。作为实现保水采煤、生态保护的措施之一，地下水库技术已在我国多个西部生态脆弱煤矿区得到了实施，然而有关水质保障及安全运行的研究报道甚少。研究通过矸石柱模拟补连塔矿地下水库的水文地质环境，结合水中TN、“三氮”等理化指标的测试，开展了矿井水中有机氮和“三氮”的迁移转化规律研究。研究结果表明:渗流流量均值0.51 mL/min、1 016 h(12.54个孔隙体积数PV)内，在模拟的水-岩间的缺氧环境中，同时存在有机氮的矿化作用、亚硝酸盐及硝酸盐的反硝化作用。在实验初期的1.19～2.47 PV，有机氮浓度快速下降，而氨氮浓度快速上升，这说明试验初期有机氮的氨化作用较强。之后有机氮的矿化作用逐渐减弱，导致水中氨氮含量逐渐减小并趋于稳定。在矿井水C/N为2.32～3.08的条件下，较强的还原作用导致亚硝酸盐的去除率在99.9%以上、硝酸盐的去除效率在74%～90%。矿井水TN的去除效率在57%～71%，由于淋滤用液硝酸盐含量较低，因此TN的去除主要与亚硝酸盐的减少有关。有机物降解过程低分子量有机酸的生成使得水中H+含量升高、淋出液pH值始终低于淋滤用液。研究结果可为地下水库技术的有效实施提供水质保障和安全运行方面的借鉴。

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煤炭学报

2019年第03期

1223

479
煤矿地下水库煤柱坝体宽度设计

作者(Author)：姚强岭, 郝琪, 陈翔宇, 周保精, 方杰

摘要：地下水库储水技术已成为西部矿区实现煤炭高效开采与水资源保护并重的重要途径之一，而煤柱坝体的稳定性是地下水库设计中极其重要的部分，对地下水库稳定性起决定性作用。煤柱坝体既要保证煤炭安全开采，也要保障地下水库安全运行。地下水库煤柱坝体的稳定不仅与埋深、采动应力、地质构造等工程地质条件有关，也与水作用下的弱化作用密切相关。为研究煤矿地下水库煤柱坝体在水作用下强度弱化规律，选取西部矿区麻地梁矿5煤为研究对象，开展煤样无损浸水试验和不同含水率及反复浸水条件下单轴压缩试验。研究得到:不同含水率的煤样在0~20 h内，含水率快速增长;20 h之后，含水率增长变缓，在20~70 h，含水率慢速增长;在70~140 h，煤样含水率增长接近稳定;煤样含水率随着浸水时间的增加而增加，但增幅逐渐减少，最终趋于稳定;随着含水率(浸水次数)的增多，煤样单轴抗压强度逐渐降低，峰值应变逐渐增大，弹性模量逐渐降低。相较于干燥煤样，初次饱水煤样、浸水3次煤样单轴抗压强度分别降低了27.1%，50.0%，弹性模量分别降低34.6%，58.5%。结合实验室试验结果，运用弹塑性力学理论探讨了煤柱坝体在不同含水率下破坏区、塑性区宽度，开展了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度设计研究，并结合麻地梁矿的工程地质条件，对其地下水库坝体的宽度进行了设计。同时，进一步分析了煤柱坝体宽度的影响因素，得到含水率、埋深、煤层采厚均对煤柱坝体宽度有很大影响。

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煤炭学报

2019年第03期

1523

473
地下水库人工坝体强度损伤演化特征试验研究

作者(Author)：姚强岭, 刘亚鹏, 陈田, 李学华, 杨书懿, 段宏飞

摘要：在我国西部生态脆弱矿区,地下水库储水技术已成为煤水资源共采技术的重要组成部分,其中人工坝体的稳定性是评价地下水库能否构建并长期安全使用的关键因素之一。为研究地下水库人工坝体在吸水-失水、采动及矿震等循环作用下强度变化规律,以大柳塔矿地下水库人工坝体所使用的C30混凝土试样为例,开展了超声-回弹综合测强、循环加载和单轴压缩声发射试验研究。研究结果表明:超声-回弹综合测强公式可以对水作用下混凝土试样强度进行预测;循环加载影响下试样强度最大下降比例约17%,而水作用下的循环加载试样强度最小下降比例达26%;并结合声发射振铃计数研究了混凝土试样受载下的损伤演化特征。由此可知,循环加载(采动及矿震)和水(吸水-失水)共同作用下,对地下水库人工坝体稳定性影响较大。

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煤炭学报

2018年第04期

821

582
黄土淋滤液作用下土工合成黏土衬垫的渗透特性研究

作者(Author)：董兴玲, 董书宁, 王宝, 靳德武

摘要：通过开展室内渗透试验,评价两种不同类型土工合成黏土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)用作煤矸石处置场覆盖层的可行性。试验中,使用黄土淋滤液对天然钠基膨润土GCL和人工钠化膨润土GCL进行渗透。当有效应力为15 k Pa时,两种GCL的渗透系数均在2.80×10-9m/s左右,此值高于1.00×10-9m/s,无法满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求;而当有效应力增大至90 k Pa时,GCL的渗透系数则降低至3.52×10-10m/s,满足防渗要求。试验结果显示:黄土淋滤液渗透作用下两种GCL的渗透特性没有显著差别。增大有效应力,可降低黄土淋滤液对GCL渗透特性的影响,但为了使GCL满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求,其上部黄土植被层的覆盖厚度必须达到5.0 m以上,这在现场不易实现,故今后有必要对具有一定抗化学侵蚀能力的GCL展开研究。

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煤炭学报

2018年第01期

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