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不同粒径矸石预净化高矿化度矿井水实验研究

2024-07-23




1)以灵新煤矿高矿化度矿井水为研究对象,采用自制的淋滤装置,模拟了高矿化度矿井水在地下岩层中的渗透迁移过程。
2)研究了不同粒径和不同岩性矸石对预净化高矿化度矿井水效果的影响规律,为预净化高矿化度矿井水提供了一种经济有效的技术途径。

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不同粒径矸石预净化高矿化度矿井水实验研究

作者姚强岭1,2  1,2  1,2  1,2郭浩天1,2


单位:1.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室; 2.中国矿业大学 矿业工程学院

引用格式:姚强岭黄刚徐强.不同粒径矸石预净化高矿化度矿井水实验研究[J].绿色矿山,2024,2(2):122-129. 



摘要



利用矸石孔隙结构和吸附特性预净化高矿化度矿井水为生态脆弱矿区矿井水高效利用提供了一种经济有效的技术途径。 通过自制的动态淋滤实验装置模拟了矿井水在地下岩层中的渗透迁移过程研究了不同岩性与粒径矸石对预净化高矿化度矿井水效果的影响规律
 XRDXRF测试显示泥质粉砂岩和中粗砂岩顶板岩样的主要矿物成分为石英高岭石白云母及长石其中黏土矿物高岭石的质量分数在20%以上呈层状结构能吸附较多矿井水中的离子净化矿井水资源。 动态淋滤试验结果表明矸石动态吸附作用下高矿化度矿井水pH偏向弱碱性,TDS 、Ca2+质量浓度均降低;矸石粒径越大水样中TDS、Ca2+质量浓度降幅越小吸附效果较差;中粗砂岩与 泥质粉砂岩相比对矿井水溶液离子具有更强的预净化作用。 矿井水淋滤后岩样表面的大量孔洞与裂隙在水化学作用下产生物理性吸附并形成次生裂隙试样中大量易溶解成分溶解于淋滤液中矸石表面碎屑增多增加的孔道表面积体积将加速岩样矿物的溶解作用促进矸石对矿井水离子的吸附作用



引言



2023 年我国西部生态脆弱矿区晋陕蒙宁甘煤炭产量占我国煤炭总产量的83%,但水资源量却不足全国的10%。 国家生态环境部国家发改委国家能源局联合发文指出矿井水应优先用于项目建设及生产并鼓励多途径利用矿井水目前我国吨煤开采产生矿井水约为1.87 m3(每年产生约68.8亿m3),普遍具有高矿化度高硬度等特点平均利用率仅为35%左右。 高矿化度矿井水的预处理存在工艺流程长系统复杂和运行成本高等问题制约了矿井水的高效开发与利用
近年来研究学者围绕利用采空区垮落矸石的吸附净化作用预处理高矿化度矿井水开展相关研究顾大钊等提出了煤矿地下水库采空区净化技 术为矿井水的井下低成本规模化处理提供了有益参考;张雷等通过采空区煤岩自净与调蓄技术实现了高盐矿井水的井下预净化;蒋斌斌等通过实验分析发现地下水库岩石堆积可以快速去除大 颗粒悬浮物同时对微细颗粒悬浮物有良好的去除效 果采空区碎裂岩体中的黏土矿物能够有效去除悬浮 颗粒物上的Fe、Mn等重金属;张凯等阐明了矿井 水经过地下水库储存后水质得到净化的机理以及 Na、Ca2+ 变化规律;LI研究了矸石对高盐度矿 井水中 Ca2+ 、K、Mg2+的吸附特性;GUO对比分析了改性矸石和自然矸石对酸性矿井水中Fe2+Mn2+的去除效果;谭英明研究了乌兰木伦矿采空区粉砂质泥岩对4种重金属离子的吸附特性;姚强岭等探讨了砂质泥岩和细砂岩对 Mn(II)的等温 吸附和解吸特性;赵丽等研究了煤矸石对矿井水 中有机物和氨氮的去除效果结果表明煤矸石中的伊利石和高岭石对氨氮的吸附效果较好。 采空区垮落矸石中的矿物成分和孔隙结构对高矿化矿井水中的重金属离子具有良好的净化效果可为井下原位预净化高矿化度矿井水提供了一种经济有效的技术方案
笔者以灵新煤矿高矿化度矿井水为研究对象采用自制的淋滤装置模拟高矿化度矿井水在地下岩层中的渗透迁移过程研究不同粒径矸石对预净化高矿化度矿井水效果的影响规律为实现生态脆弱矿区高矿化度矿井高效预处理与利用奠定基础


部分图片


图 矸石样品矿物组成


图 矸石样品矿物成分


图 岩样样品


图 淋滤装置示意


图 不同粒径岩样淋滤后淋滤液pH值演化规律


图 不同粒径岩样淋滤后淋滤液TDS值演化规律


图 不同粒径岩样淋滤溶液钙离子质量浓度演化规律


图 泥质粉砂岩样SEM微观图片






作者简介

姚强岭,男,198213日生,河南兰考人,教育部青年长江学者,教授,博士生导师,中国矿业大学矿业工程学院副院长。主持国家自然科学基金项目3项、江苏省科技创新专项资金项目1项以及国家能源集团等企业重大科技创新项目20余项,以第一完成人获山西省科技进步一等奖1项、教育部科技进步二等奖1项、中国煤炭工业协会科学技术一等奖1项,累计共发表国内外学术论文156篇。入选2021年度教育部长江学者奖励计划青年学者及江苏省333人才培养工程中青年科技领军人才。


研究方向

采动水资源开采与利用

岩石力学与岩层控制


主要成果

围绕西部生态脆弱矿区采动水资源保护与利用中的关键科学问题开展了深入研究,揭示了采动覆岩裂隙水运移与水岩相互作用机理,为高效开发采动水资源奠定了理论基础;研发了采动煤岩体地质力学参数原位测试装备,为采动水资源储存与精准选址提供了技术支撑;形成了采动水资源开采空间安全储存利用技术与方法,实现了采动水资源保护与利用关键技术突破

  责任编辑:宫在芹
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