“煤矿区矿井水污染防控及深部转移存储技术”专题

来源：《煤田地质与勘探》2021年第5期

我国煤矿区极其复杂的水文地质条件导致差异明显、特征各异的地下水环境。受矿井开采扰动和矿井疏排水等影响，煤矿区的矿井水污染和生态环境影响问题日益受到国家有关部门和煤炭企业的重视。近年来，国家政策和地方管理推动了煤矿区环境的改善，鼓励实现煤–水双资源协调开采，凸显出煤矿区地下水环境演化及矿井水污染防治方面的良好基础和研究前景。本刊依托中国矿业大学孙亚军教授负责的国家重点研发计划项目“煤矿区场地地下水污染防控材料与技术”(NO.2019YFC1805400)在煤矿区矿井水环境污染防控方面取得的阶段性系列研究成果，结合部分其他学者的相关科研成果设立本专题，选登6篇相关论文，以展现我国煤矿水文地质工作者在上述领域的最新研究进展和观点，以期引起学术界和产业界的更多关注和讨论，加速推进矿井水污染防控与矿区地下水环境保护方面的研究。

行业视野: 环境保护
类别; 27个
关键词; 26位
专家; 6篇
论文; 3347IP
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我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建

作者(Author)：孙亚军, 徐智敏, 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

摘要：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。

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煤田地质与勘探

2021年第05期

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高矿化度矿井水深部转移存储介质条件及影响机制

作者(Author)：李鑫, 孙亚军, 徐智敏, 陈歌

摘要：我国西部干旱–半干旱矿区既面临水资源匮乏，又面临矿井涌水量大、矿井水矿化度高等难题。为减少采煤过程中水资源浪费、保护西部地区水生态环境，基于保水采煤和煤–水双资源协调开采等理论基础与技术方法，围绕“矿井水深部转移存储”这一核心科学理念，提出将处理后的矿井水进行高压深井转移存储，转移至煤层底板深部含水层中存储。在鄂尔多斯盆地东部某矿实施试验井工程，通过开展野外岩样采集、室内电镜扫描、岩石成分分析、压汞等实验与定量–定性方法，研究目的转移存储层的水文地质条件和特征，分析不同高压水力压裂增渗试验主控因素，对比矿井水水质、转移存储层原生地层水水质和转移存储后混合水质，获取了矿井水高压持续深井转移存储的水文地质效应。结果表明：目前试验井单井累计转移存储矿井水量已满足设计预期，且持续高压水力压裂增渗方式可不断改善和渐次增强目的存储层的矿井水存储能力，延长服役时效。因此，高矿化度矿井水深部转移存储在技术和经济上具有可行性，将对西部地区水资源保护、水生态环境可持续发展产生重要意义；同时，相比高矿化度矿井水处理成本，能够有效缓解矿井水处理经济负担，为西部煤矿区矿井水转移存储提供典型示范。

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煤田地质与勘探

2021年第05期

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高盐矿井水深部转移存储介质特征与水动力演化规律

作者(Author)：刘琪, 汪韦峻, 孙亚军, 徐智敏, 陈歌, 罗斌

摘要：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。

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煤田地质与勘探

2021年第05期

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矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析

作者(Author)：赵春虎, 杨建, 王皓, 王世东, 周建军, 许峰, 刘基

摘要：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。

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煤田地质与勘探

2021年第05期

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山东新巨龙煤矿区场地高TDS地下水水化学特征及成因机制

作者(Author)：张玉卓, 孙亚军, 徐智敏, 张莉, 吕伟魁, 袁慧卿, 周丽洁, 高雅婷, 朱璐璐

摘要：针对山东巨野新巨龙煤矿区地下水高TDS的现状，基于历史水质资料和取样测试结果，运用Piper三线图、相关性分析、氢氧同位素、Gibbs图解、离子比值与饱和指数等方法，探究其高TDS地下水水化学特征及成因。结果表明：随着建井和煤矿开采，研究区水化学环境发生改变，水化学类型不再是单一的SO4-Na型，深层灰岩水的类型中出现SO4·HCO3-Na和SO4-Ca·Mg型；研究区高TDS地下水的形成主要是因为含水层水动力条件差，高温水岩作用强，溶滤、蒸发浓缩作用明显，同时存在一定程度的反向阳离子交换作用；地下水体中白云岩和方解石表现为沉淀状态，石膏和盐岩处于溶解状态，是地下水主要成分Na+和SO2-4的主要来源。研究成果不但为研究矿井水的构成、揭示煤矿区地下水污染及多场耦合的地下水演化过程和成因机制提供依据，还可为煤炭开采水害防治和矿井水处理利用奠定基础。

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煤田地质与勘探

2021年第05期

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内蒙古某矿矿井水重金属污染特征及来源分析

作者(Author)：王甜甜, 靳德武, 杨建

摘要：确定矿井水中重金属污染程度及主要来源，对矿井水的再利用及矿区生态环境保护具有重要的理论意义。以内蒙古某矿区为研究对象，采集地表水、第四系潜水、承压水及矿井水水样49组，检测水体中Zn、Pb、Fe、Mn、As、Cu、Cd、Cr、Hg、Se 10种重金属浓度，分析矿井水中重金属污染特征及超标情况，利用HPI模型定量评价重金属污染程度，并综合数理统计、不同类型水样重金属浓度箱形图及煤/顶板重金属浸出试验，分析矿井水重金属主要来源。结果表明：内蒙古某矿矿井水中Zn、Pb、Fe、Mn、As 5种重金属浓度值超标，其中Fe和Zn的超标率高达100%；7个矿井水样中6个矿井水的HPI值大于临界值100，矿井水重金属污染程度较高；矿井水中的Pb、As主要来源于采煤及运输机械油类物质泄漏，Mn主要来源于Ⅲ含地下水，Fe、Zn主要来源于Ⅲ含地下水及煤层中含Fe、Zn矿物的溶滤。该结论将为矿井水中重金属污染防治提供基础与依据。

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