【摘 要】
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煤炭从开采到闭坑的全生命周期中,都会对矿区环境造成污染和破坏。尤其是闭坑后矿坑积水,坑内温度、压力、氧化还原环境发生改变,水与煤岩、水与采掘工程遗留物质共同发生复杂的水气岩作用,使矿坑水中污染组分发生变化。随着矿坑积水水位升高,在水力驱动下,矿坑水沿井筒、采动导水裂隙、断层伴生裂隙、封闭不良钻孔等通道侵入含水层,对区域地下水环境造成严重污染。近年来,榆神府矿区已累计关闭煤矿数百座,关闭矿井对地下水
【基金项目】
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中煤科工集团西安研究院科技创新基金项目资助2016XAYMS12
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煤炭从开采到闭坑的全生命周期中,都会对矿区环境造成污染和破坏。尤其是闭坑后矿坑积水,坑内温度、压力、氧化还原环境发生改变,水与煤岩、水与采掘工程遗留物质共同发生复杂的水气岩作用,使矿坑水中污染组分发生变化。随着矿坑积水水位升高,在水力驱动下,矿坑水沿井筒、采动导水裂隙、断层伴生裂隙、封闭不良钻孔等通道侵入含水层,对区域地下水环境造成严重污染。近年来,榆神府矿区已累计关闭煤矿数百座,关闭矿井对地下水环境的影响已经凸显。开展榆神府矿区关闭矿井地下水环境演变研究,对矿区地下水环境保护和科学关闭矿井都有重要的社会经济价值和理论意义。本论文通过现场调研、理论分析和物理模拟实验,查清了榆神府矿区地下水环境基本特征,甄别出矿井关闭对地下水环境造成影响的主要因素,揭示了矿井关闭后矿坑水的运移规律和水质演变规律,提出了闭坑后水环境污染防控措施。主要研究结论如下:（1）发现榆神府矿区第四系松散层水质整体较好,基岩裂隙含水层水质空间差异较大,呈现出随埋深加大TDS增高水质劣化的规律性特征。煤矿未开采前,第四系松散层水受地形地貌控制,从地势高处向低处径流;基岩裂隙水顺岩层从高承压区向低承压区运移。两个含水层只在沟谷和河流两侧等基岩露头区发生交替,垂向水力联系微弱。煤矿开采期间,第四系松散层水和基岩裂隙水以矿坑为排泄点,从四周向矿坑汇流,混合生成矿井水。当矿井关闭后,矿坑水位升高,矿井水演变为矿坑水,高水位矿坑水沿井筒巷道、采动裂隙等通道侵入矿井周边的低水位含水层,对低水位区域水环境造成污染。（2）发现研究区矿井关闭后,地下水分两部分流过关闭矿井。即一部分水沿原含水层向下游渗流,另一部分水通过顶板导水裂隙-巷道-顶板导水裂隙通道流经矿坑进入下游含水层。流经矿坑的水是对第四系松散含水层造成污染的污染源。矿坑水对浅埋区第四系松散含水层影响较大,对中深埋和深埋区影响较小。相同水头条件下,流经矿坑的水量与沿原含水层渗流的水量互成长消关系。巷道是强导水通道,巷道封堵后可使流过关闭矿区的总水量减小40%左右。生产系统的封闭隔离能有效减少流经矿坑的水量,降低矿坑水对第四系松散层的污染。（3）人类采掘活动使矿井水受到有机质、石油类和微量金属及非金属污染。矿井关闭后,由采掘生产形成的人为污染源消失,矿坑水中Hg、Pb、Cd含量逐渐减低。矿坑水仍然部分来源于基岩裂隙含水层,矿坑水与煤岩的化学反应继续进行,矿坑水中盐分和Mn、As浓度随关闭时间增长而逐渐增大。矿坑水会使第四系含水层盐分和Mn、As浓度将增大。（4）通过室内试验发现,研究区内不同含水层水混合后,电导率、矿化度、硬度、SO42-和Cl-浓度与混合比例呈线性相关关系。水环境背景浓度不影响煤岩中SO42-和Na+溶解析出,但会影响煤岩中碳酸盐矿物溶解。背景水质使矿井水中Na+和SO42-浓度线性增大,使Ca2+、Mg2+和HCO3-浓度变大。氧化还原环境条件的变化不改变水与煤（岩）反应的主要类型,而是影响溶质的生成速率和溶解平衡浓度。通过试验发现研究区延安组2煤浸泡后矿化度、硬度、SO42-的释放符合二级反应动力学模式,反应速率常数为-10-7L/（mg·d）;Cl-释放符合一级反应动力学模式,反应速率常数为-10-3L/（mg·d）。（5）发现巷道等大通道封堵后导水裂隙带的渗透系数是影响流经矿坑水量的关键因素,建立了沿采动导水裂隙流经矿坑后注入下游含水层的水量计算公式。确定了矿坑水污染第四系含水层的注入模式为一维连续注入流场,给出了污染物迁移微分方程、初始条件和边界条件,提出了矿坑水污染含水层的定量评价方法。
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