煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场驱动作用及数学模型构建

创新点

（1）阐明了煤矿采空区积水形成的水动力场演化机制，提出了采空区积水水质形成与演化的水动力场水位回升阶段和采空区蓄满阶段的概念模型，揭示了采空区水质形成及演化的以水动力场为主要驱动力，水化学场、微生物场等多场协同作用的复杂过程。

（2）建立了基于顶板导水裂隙带不同垂高空隙反演的分层渗透系数定量计算模型，为开采扰动后采空区积水水位回升及蓄满后水量交换的计算奠定了理论基础；利用相似材料模拟试验和室内三维箱式模拟试验的实测数据与模型计算结果进行对比，理论计算渗透系数K和采空区水位回升高度随时间的变化与试验实测误差分别约为13.2%和22.5%，验证了理论计算模型的可靠性。

（3）针对采空区矿井水水质形成及演化的多场作用问题，明晰了水动力场-水化学场-微生物场之间的耦合关系，构建了水动力场主导下的多场耦合的本构模型。

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煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场驱动作用及数学模型构建

作者：孙亚军¹^,2，赵先鸣¹，徐智敏^1,2，张莉^1,2，陈歌^1,2，冯琳¹，李鑫¹，陈天赐¹，袁慧卿¹，刘琪¹，郭娟¹，张健¹，刘嘉欣¹，熊小锋^1,2

单位：1.中国矿业大学资源与地球科学学院；2.矿山水害防治技术基础研究国家级专业中心实验室

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

我国煤炭资源的开采方式以井工开采为主，由于采掘活动对顶底板含水层的影响，通常会产生大量的矿井水。同时，煤矿开采过程还必然引起区域地下水动力场的改变，这也是矿井水水质演化最主要的驱动力。煤矿开采过程中，一方面，受顶底板采动破坏带的形成、控水构造活化失稳和封闭不良钻孔、采空区积水等影响，使矿区地下水动力场发生重大变化并进一步影响矿井水的水量及流速，这直接决定了参与水-岩、水-水混合作用等反应的水量及反应的时间，从而影响水质的形成与演化；另一方面，原始地层在人为扰动以后，其温度、压力、介质条件、氧化还原等理化条件也会发生明显的改变，由此引起矿井水中某些特征组分及微生物群落结构发生变化，打破了原有地下水中的物理-化学-生物反应平衡，进而进一步影响矿井水水质。因此，矿井水水质的形成与演化是由煤矿区水动力场驱动，水化学场、微生物场等多场协同作用的结果。目前，既能体现煤矿采空区特殊水动力场又能够表现多场作用的研究鲜有报道，并且煤矿采空区水动力场的特殊性及多场作用的复杂性也进一步限制了相关理论研究的推进。

笔者团队在国家重点研发项目的支持下，在大量分析我国煤矿水质演化的水动力场、水化学场、微生物场多场资料的基础上，提出了矿井水水质演化的垂向“三带”概念，其中，第一带的水质演化受开采活动影响最小，主要与地下水自然流动与蒸发浓缩作用相关；第二带多为煤矿常规生产阶段产生的矿井水，其水质形成与演化与不同含水层间的水-水混合作用以及水岩作用相关。根据《煤矿防治水细则》有关要求，生产矿井排水能力应满足能在20h内排出矿井24h的正常涌水量，故正常生产矿井产生的矿井涌水一般会在24h内由井下排出，因此影响第二带矿井水水质的水-水混合作用以及水-岩作用进行的时间相对较短，使得此水质带有较为明显的原含水层水质特征；在第三带，此水质带是人类活动影响最为频繁的区域，在矿井开采时期，生产工作面和排水巷道中的地下水受矿井长期排水影响，水动力条件较好，但在已封闭的采空区中矿井水径流缓慢。来自各充水含水层的地下水在经历长时间的混合作用、水-岩（煤）作用、微生物作用等耦合后形成感观较差、微生物群落较为丰富的矿井污水，即使在矿井闭坑以后，其水质形成和演化仍可在区域水动力场的影响下长期进行。因此，第三水质带内的采空区积水是煤矿区矿井水污染研究的重点区域。目前针对煤矿区矿井水的水质形成及演化机理的研究主要是通过野外取样观测、室内批试验以及建立相应的数学、数值模型的方法研究矿井水的理化性质、特征组分迁移扩散行为以及水-岩作用及水-水作用强度，但对于采空区积水的水质形成过程中水动力场演化机理研究以及水动力场驱动下的多场作用机制研究相对匮乏。

在上述背景下，本文以我国西北鄂尔多斯煤田某煤矿为地质原型，分别对煤矿采空区积水水质演化的水动力场作用以及水动力场驱动下的水化学场作用及微生物场作用进行综述（由于所选地质原型的采空区埋深超过500m，温度变化主要受地温梯度影响，实测矿井涌水和主要充水含水层的水温约25~28℃，变化幅度和差异较小，因此可忽略温度场的影响）；重点研究其水动力场的作用机制及数学模型，并开展模拟试验对数学模型进行验证；最后构建水动力场主导下多场耦合数学模型，以期为煤炭安全绿色开采与水生态环境保护提供理论支撑。

摘要

ABSTRACT

煤矿开采过程必然引起区域地下水动力场的改变，并在一定程度上影响着矿井水的水质形成与演化，甚至诱发煤矿区地下水环境的污染问题。研究并揭示煤矿矿井水水质形成与演化的水动力场驱动机制及其关键参数的定量计算方法，是定量刻画煤矿区地下水污染问题及开展相应控制与修复工作的前提。

本研究以鄂尔多斯矿区某煤矿的采空区为地质背景，阐明了其积水形成的水动力场演化过程与机制，根据水动力场流动路径的差异将其分为采空区水位回升阶段和蓄满水量交换阶段；在此基础上，揭示了采空区水质形成及演化的以水动力场为主要驱动力，水化学场、微生物场等多场协同作用的复杂过程；建立了基于顶板导水裂隙带不同垂高空隙反演的分层渗透系数定量计算模型，为开采扰动后采空区积水水位回升及蓄满后水量交换的计算奠定了理论基础；利用相似材料模拟试验和室内三维箱式模拟试验的实测数据与模型计算结果进行对比，理论计算渗透系数K和采空区水位回升高度随时间的变化与试验实测误差分别约为13.2%和22.5%，验证了理论计算模型的可靠性；最后，在煤矿采空区水动力场以及水动力场影响下的水化学场、微生物场的控制方程的基础上，明晰了水动力场-水化学场-微生物场之间的耦合关系，构建了水动力场主导下的多场耦合作用本构模型，为进一步探究水动力场耦合驱动下的煤矿矿井水水质形成及演化规律的多场耦合数值模型构建提供启示。该研究补充和扩展了煤矿矿井水污染防治理论，对煤矿区地下水环境保护具有重要意义。

部分图片

图 1    封闭采空区积水水质形成与演化的多场作用

图 2    水位回升阶段采空区水动力场概念

图 3    采空区渗透系数的垂向变化曲线

图 4    采空区水位高度随时间的变化曲线

图 5    采空区蓄满阶段水动力场概念

图 6    相似材料模型试验中采空区裂隙发育形态及裂隙二值化结果

图 7    室内三维箱式模拟试验设计

图 8    模型试验中采空区水位高度随时间的变化

图 9    模型计算结果与模拟试验观测值对比

图 10    水质形成及演化的多场耦合关系

作者简介

孙亚军，男，1963年生，安徽涡阳人，中国矿业大学二级教授，博士生导师，矿山水害防治研究团队学术带头人，中国地质学会矿山水防治与利用专业委员会副主任，国际矿井水协会（IMWA）中国国家委员会秘书长，煤炭工业技术委员会防治水专业委员会委员，国家科技进步奖获得者，国家重点研发项目负责人。获得省部级以上科技进步奖14项，其中国家科技进步二等奖1项、省部一等奖4项、二等奖2项、三等奖7项。出版专著3部，发表论文130余篇。

研究方向

矿井水害防治与污染防控

主要成果

长期从事矿井水文地质、煤矿水害防治和GIS应用等方面的研究和教学工作。在国内首次将GIS技术和多元信息方法引入矿井突水预报领域，提出矿井突水多元信息拟合预测方法。先后主持国家973计划项目课题2项“煤矿突水机理与防治基础理论研究（2007CB209401）”和“西部煤炭高强度开采下地质灾害防治与环境保护基础研究（2013CB227901）”，现为国家重点研发计划“煤矿区场地地下水污染防控材料与技术（2019YFC1805400）”项目负责人，参与并完成国家自然基金重点项目2项、其它纵向基金项目5项，负责企业委托项目50余项。在矿井突水预测、地表水体下安全采煤、超高承压含水层上采煤、西部缺水矿区保水采煤、矿井“绿色闭坑”等方面取得显著研究成果。

来源：

孙亚军,赵先鸣,徐智敏等.煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场驱动作用及数学模型构建[J/OL].煤炭学报:1-15[2023-10-24].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2023.0879.

责编：韩晋平

编辑：赵泽维

审核：张晓宁

　　责任编辑：宫在芹

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