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采动含水层生态功能修复研究进展

煤炭科学技术 2020年第9期48卷 102-108页

作者：鞠金峰李全生许家林曹志国中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

地下采煤活动显著影响,甚至改变地下水系环境,对区域生态环境和矿井安全生产极为不利;研究实施促进采损含水层恢复其生态赋存状态的修复技术和方法对实现煤矿绿色开采意义重大。受采煤扰动程度差异的影响,不同采损条件对应其含水层的生... 详细信息

地下采煤活动显著影响,甚至改变地下水系环境,对区域生态环境和矿井安全生产极为不利;研究实施促进采损含水层恢复其生态赋存状态的修复技术和方法对实现煤矿绿色开采意义重大。受采煤扰动程度差异的影响,不同采损条件对应其含水层的生态功能修复策略也不同。含水层未受采动裂隙或破坏带沟通时,其赋水仅发生区域富集和流场变迁,不出现水体流失,但易出现地下潜水出露地表形成积水的不利局面,多以景观改造对其开展生态治理。含水层受采动破坏时,则形成了注浆封堵采动含水层导水通道以阻隔水源补给或流失路径的修复技术与方法,成功实现了底板采动含水层的加固与改造,但应用顶板采动含水层注浆修复时,常面临注不进、堵不住、成本高等问题;据此利用采动岩体导水裂隙易呈现水渗流能力自然降低的"自修复"特性和规律,探索提出了人工引导裂隙自修复的含水层生态恢复方法。针对已有修复手段侧重以"改造"或"防治"思路,从近自然生态修复角度对采动含水层生态功能修复尚需研究的问题进行了总结,提出了利用裂隙自修复特性开展含水层引导恢复研究的必要性。

关键词：绿色开采含水层修复导水通道近自然生态修复自修复

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导水裂隙的自修复——地下水混流沉淀的影响

煤炭学报 2023年第6期48卷 2540-2549页

作者：李全生鞠金峰许家林曹志国张凯王晨煜郭俊廷无国家能源投资集团有限责任公司北京100011 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中,会发生导水渗流能力逐步降低的自修复现象,研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿12401工作面采后15 a覆岩导水裂... 详细信息

采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中,会发生导水渗流能力逐步降低的自修复现象,研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿12401工作面采后15 a覆岩导水裂隙自修复的工程探测结果,就采后不同层位地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理开展研究。结果表明,12401工作面采后覆岩导水裂隙直接发育至第四系松散层,已沟通多个含水层;由于浅层地下水含有较多Ca^(2+),而基岩地下水CO_(3)^(2-)、HCO_(3)^(-)质量浓度偏多,2种地下水在采动覆岩中交汇混流时会产生CaCO3化学沉淀;沉淀物随水迁移并不断吸附于裂隙通道表面,发生包藏-共沉-固结的结垢过程,经过长时间的累积,最终形成具备一定抗蚀能力的结垢物或包结物,堵塞并修复裂隙。室内试验测试发现,这一过程引起的导水裂隙自修复降渗效果相比水-(气)-岩相互作用产生的效果更为稳定且快速;裂隙岩样受2种不同水质模拟地下水混流通过近2个月时间后,绝对渗透率即由0.09×10-15m2降低为0.0025×10-15m2,且在水压1.5 MPa条件下也未出现明显渗透性波动。由于这种不同地下水的交汇混流主要发生在开采边界附近的裂隙岩体中,因而覆岩不同区域导水裂隙的自修复过程及效果将出现明显差异。12401工作面中部区域覆岩导水裂隙的自修复主要由降雨入渗过程引起的水-(气)-岩相互作用引起,而开采边界附近覆岩导水裂隙则由不同地下水的交汇混流反应和水-(气)-岩相互作用共同主导其自修复,因而后者对应产生的自修复效果要明显偏好。现场探测结果显示,历经15 a的自修复演变,开采边界附近覆岩在深度86.7~179.1 m范围导水裂隙已全部实现自修复,而采区中部覆岩在对应自修复区域内仍存在局部未修复现象,深度在110.0~118.6 m,由此证实了地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的良好修复效果。

关键词：含水层修复地下水交汇混流化学沉淀导水裂隙自修复绿色开采

井内混合效应与尺度效应对注入井附近溶质径向弥散过程的影响

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地球科学 2020年第4期45卷 1439-1446页

作者：肖勋施文光王全荣中国地质大学环境学院湖北武汉430074

径向弥散是指溶质在径向流场下的迁移规律,被广泛用于描述含水层修复领域中污染物的迁移过程.然而,在现有描述径向弥散的模型中,往往忽略了井内混合效应对溶质径向弥散的影响.建立新的注入井附近溶质径向运移动力学模型,同时考虑井内混... 详细信息

径向弥散是指溶质在径向流场下的迁移规律,被广泛用于描述含水层修复领域中污染物的迁移过程.然而,在现有描述径向弥散的模型中,往往忽略了井内混合效应对溶质径向弥散的影响.建立新的注入井附近溶质径向运移动力学模型,同时考虑井内混合效应与弥散度的尺度效应.采用Laplace变换推导该模型的半解析解,利用Stehfest数值逆变换获取溶质在实数空间的解.通过与不考虑混合效应的模型对比研究混合效应对溶质径向弥散的影响,并利用室内渗流槽中的溶质径向弥散实验数据验证模型的合理性与适用性.结果表明:混合效应和尺度效应对注水井附近溶质径向弥散有显著影响.具体地讲,井内的混合效应越显著,在井壁处及含水层中的穿透曲线越低,溶质浓度达到峰值所需时间越长,与不考虑混合效应模型的差异越明显;随尺度效应的增强,溶质提前穿透且扩散范围变大,溶质浓度达到峰值所需时间越长;与前人的模型相比,本研究模型能更好地模拟注水井附近的溶质径向弥散问题.

关键词：混合效应尺度效应径向溶质运移含水层修复水文地质学

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煤矿全生命周期绿色开采研究展望

绿色矿山

绿色矿山 2023年第1期1卷 79-90页

作者：许家林鞠金峰轩大洋秦伟朱卫兵胡国忠王晓振谢建林中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008

煤矿绿色开采理念提出20 a来,理论研究与技术实践取得了重大创新进展,但在精确量化预测、提效降本控制等方面与生产实际需求仍然存在差距。阐述了煤矿全生命周期绿色开采技术框架,提出了煤矿绿色开采需要深入研究的若干方向和建议。在... 详细信息

煤矿绿色开采理念提出20 a来,理论研究与技术实践取得了重大创新进展,但在精确量化预测、提效降本控制等方面与生产实际需求仍然存在差距。阐述了煤矿全生命周期绿色开采技术框架,提出了煤矿绿色开采需要深入研究的若干方向和建议。在基础理论方面,应遵循关键层理论的“全地层”学术思想,深入研究采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层移动的影响,建立自下而上涵盖煤层直至地表的全地层移动时空动态模型,实现采动应力、裂隙与沉陷的定量预测,最终形成不同地质开采条件下岩层移动的数字孪生模型。在技术方面,需充分利用岩层移动规律,研究发展适应煤矿高效生产的低成本绿色开采技术,具体而言,重点攻关方向之一是“一注五减”绿色开采解决方案,针对绿色开采中采动损害控制领域面临的煤矿充填材料不足问题与“双碳”目标,研发“煤矸石+粉煤灰+CO_(2)”覆岩隔离注浆充填绿色开采技术,实现减沉(减少地表沉陷)、减漏(减少地下水漏失)、减震(减少应力集中与矿震)、减排(减少固废排放)、减碳(减少CO_(2)排放)等“五减”绿色开采效果。另一个需要重点攻关的方向是采动破坏含水层的修复技术,特别是在西部生态脆弱矿区(尤其是浅埋煤层),需给予充分重视,建议借鉴采后土地复垦,通过相关技术与标准研究将含水层修复列为必备环节,进一步落实全生命周期绿色开采。

关键词：岩层移动关键层覆岩隔离注浆充填含水层修复绿色开采

化学沉淀修复采动破坏岩体孔隙/裂隙的降渗特性试验

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煤炭科学技术 2020年第2期48卷 89-96页

作者：鞠金峰李全生许家林李娟娟曹志国中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 国家能源投资集团有限责任公司2030项目办公室北京100011 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

针对覆岩采动破坏含水层的生态修复难题,以化学沉淀物封堵采动导水通道为思路,开展了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的修复降渗特性试验。采用单一裂缝岩样模型和石英砂管模型分别模拟地下水在破断岩层裂隙通道和破碎岩体孔隙... 详细信息

针对覆岩采动破坏含水层的生态修复难题,以化学沉淀物封堵采动导水通道为思路,开展了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的修复降渗特性试验。采用单一裂缝岩样模型和石英砂管模型分别模拟地下水在破断岩层裂隙通道和破碎岩体孔隙通道中的渗流状态,通过注入可与地下水发生铁/钙质化学沉淀的试剂,评价沉淀物对采动岩体孔隙/裂隙的封堵降渗特性。结果表明:在为期近42 d的水渗流试验中,两试验模型降渗趋势显著,且均呈现先快后慢的分区降渗特征。裂隙岩样模型选用铁质化学沉淀进行封堵降渗,绝对渗透率由初始的15.1μm^2降低为0.01μm^2;试验初期受裂隙面岩石黏土矿物遇水膨胀作用的叠加,降渗速度快、时间短。石英砂管模型选用钙质化学沉淀开展降渗试验,绝对渗透率由初始的62.3μm^2降低为0.1μm^2;由于其宏观孔隙通道尺寸大、初始孔隙率高(32.8%),导致初期快速降渗阶段持续时间明显偏长,且试验末期对应绝对渗透率值也相对偏大。试验结果证实了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的封堵修复效果,同时也为利用化学沉淀方法进行采动覆岩导水通道封堵的含水层生态修复研究与实践提供了重要参考。

关键词：含水层修复铁/钙质化学沉淀裂隙岩体石英砂管自修复降渗特性

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侧向有界条件下垂向环流井水动力场模拟

南水北调与水利科技（中英文） 2020年第4期18卷 149-158页

作者：樊帅夏强邓英尔肖先煊成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059

分析现有的侧向无界条件下垂向环流井水动力场数学模型与解析解,基于MODFLOW建立侧向有界条件下的数值模型,模拟多组不同抽注流量和抽注段间距的情景,绘制水头误差分布图、前向追踪流线图和地下水流量占比图,通过对比分析论证了侧向边... 详细信息

分析现有的侧向无界条件下垂向环流井水动力场数学模型与解析解,基于MODFLOW建立侧向有界条件下的数值模型,模拟多组不同抽注流量和抽注段间距的情景,绘制水头误差分布图、前向追踪流线图和地下水流量占比图,通过对比分析论证了侧向边界对水头、流线形态和流量占比的影响。结果表明:随着流量增大以及抽注段间距增大,垂向环流井水动力场循环范围增大,边界对垂向环流井水动力场影响逐渐明显,流线越接近侧向边界,其形态由椭圆形趋近于矩形,且最外围均衡区内地下水交换量占比降低趋势明显;提出无量纲参数,进一步定量地分析侧向边界对流场的影响。

关键词：垂向环流井数值模型水动力场含水层修复侧向边界

地下水非水相液体污染运移与修复的尺度提升研究

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地下水非水相液体污染运移与修复的尺度提升研究

作者：陈梦佳南京大学

学位级别：硕士

在地下水数值模拟中,模型参数的网格尺度往往大于参数的测量尺度,为此常涉及到参数的尺度提升。合理的尺度提升方法既能有效提高计算效率,又能保证模拟精度。本文引入拉普拉斯-外壳法对渗透系数场进行尺度提升,并与基于算术平均尺度提... 详细信息

在地下水数值模拟中,模型参数的网格尺度往往大于参数的测量尺度,为此常涉及到参数的尺度提升。合理的尺度提升方法既能有效提高计算效率,又能保证模拟精度。本文引入拉普拉斯-外壳法对渗透系数场进行尺度提升,并与基于算术平均尺度提升方法的结果进行对比,来研究地下水非水相液体运移与修复的尺度提升问题。首先,在概略介绍拉普拉斯-外壳法的基础上,将其引入到地下水中典型非水相液体（non-aqueous phase liquids,NAPLs）污染运移数值模拟的非均质渗透系数场的尺度提升中,并与尺度提升前的小尺度模型及基于算术平均尺度提升法地大尺度模型模拟结果进行对比。研究表明,采用UTCHEM（University of Texas Chemical Compositional Simulator）建立的典型NAPLs污染物运移模型,无论是单一污染源还是双重污染源情况,基于拉普拉斯-外壳法的大尺度模型都能较好地刻画污染羽的空间矩（包括零阶矩、一阶矩和二阶距）随时间的变化,其零阶矩的模拟值相对误差小于0.25%,在水流方向上基于拉普拉斯-外壳法的大尺度模型对质心位置与污染羽范围的估计也均优于算术平均尺度提升法所建模型,且随着含水介质非均质性的增大,拉普拉斯-外壳法的优越性越为明显;而且大尺度模型还能大幅减少计算时间,耗时仅为小尺度模型的3%左右,值得在实践中推广。然后,为了进一步寻找到能够在保证模拟精度的前提下,大大提高表面活性剂强化含水层修复（Surfactant-enhanced aquifer remediation,SEAR）模型计算效率的合适的渗透系数尺度提升方法,再次利用算术平均尺度提升法与拉普拉斯-外壳法建立大尺度模型,与小尺度模型进行对比。结果表明,基于拉普拉斯-外壳法的大尺度模型对含水层污染物残余质量的最大计算误差在所有情况下均优于基于算术平均尺度提升法的大尺度模型,且含水层非均质性越强,拉普拉斯-外壳法优越性越明显;并且拉普拉斯-外壳法对于污染羽质心位置与形状的刻画效果也更好。大尺度模型能大幅度减小SEAR过程的计算成本,应用算术平均尺度提升法可减少至原计算时间的6.5%左右,应用拉普拉斯-外壳法可减少至4.5%左右。基于拉普拉斯-外壳法的大尺度模型在地下水非水相液体污染运移与修复的良好表现,在之后的地下水污染运移与治理模拟中可以运用渗透系数尺度提升方法,以在保证模拟精度的前提下节省大量计算成本。

关键词：数值模拟污染运移含水层修复尺度提升算术平均拉普拉斯-外壳

垂向环流井对地下水流场及氨氮去除效果的影响

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垂向环流井对地下水流场及氨氮去除效果的影响

作者：樊帅成都理工大学

学位级别：硕士

针对垃圾填埋场造成地下水环境的污染,提出合理的地下水污染修复方式已经成为重中之重。目前,对于含水层修复的方式较多,其中地下水垂向环流井原位修复技术被认为是最具有发展前景的方法之一。垂向环流井装置广泛用于含水层修复、水文... 详细信息

针对垃圾填埋场造成地下水环境的污染,提出合理的地下水污染修复方式已经成为重中之重。目前,对于含水层修复的方式较多,其中地下水垂向环流井原位修复技术被认为是最具有发展前景的方法之一。垂向环流井装置广泛用于含水层修复、水文地质参数估计、建筑基坑降水等,前人研究了侧向无界承压含水层中垂向环流井的水动力影响范围和去除含水层污染物的效率,但是未针对侧向有界条件,因此本文针对侧向有界条件,研究垂向环流井对地下水流场及氨氮去除效果的影响具有重要意义。本文针对侧向有界承压含水层,开展室内实验和数值模拟,对垂向环流井水动力场规律进行解析,基于室内溶质运移实验的弥散度参数反演、参数灵敏度分析和污染物去除效果分析,以及论证与分析了室内实验尺度下,侧向边界对垂向环流井水动力场的影响。该文获得的主要研究成果如下:（1）分析了现有的垂向环流井水动力场数学模型与解析解,设计了在室内条件下开展的垂向环流井装置。（2）开展室内实验尺度下垂向环流井水动力场实验,然后建立了室内实验水动力场数值模型,利用解析解验证数值模型的准确性,试验结果与室内水动力场实验结果对比分析,验证了室内水动力场实验结果的准确性,通过水头高度变化,绘制了水头等值线图。（3）绘制地下水流向矢量图,计算出流场内地下水流速,得出了水动力场循环规律,由矢量箭头长度大小直观的看出地下水流速分布规律。（4）基于室内垂向环流井水动力场条件,开展室内垂向环流井溶质运移实验,得出了溶质运移规律,绘制了不同时刻溶质迁移距离.（5）通过建立溶质运移数值模型,利用弥散度参数反演,得出了与室内溶质运移实验相同的溶质运移规律,并选取不同弥散度做参数灵敏度分析,对比弥散度对浓度穿透曲线的影响。（6）针对侧向有界条件,模拟了多组不同抽注流量和抽注段间距的条件,绘制了水头误差分布图、前向追踪流线图和地下水流量占比图,通过对比分析论证了侧向边界对水头、流线形态和流量占比的影响;并提出无量纲参数,进一步定量分析了侧向边界对流场的影响。（7）基于室内溶质运移实验所得弥散度参数,通过数值模拟得到三种不同方式注入次氯酸钠,绘制不同时刻次氯酸钠溶质扩散云图和氨氮浓度分布云图,得出氨氮去除规律,得到不同时刻氨氮质量变化情况,并对比分析不同注入方式对氨氮污染物去除效率的影响,选择去除效率最高的去除污染物方式。

关键词：垂向环流井数值模型水动力场弥散度参数含水层修复