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

• Published in: 煤炭学报 Vol. 48; no. 11; pp. 4157 - 4170
• Main Authors: 孙亚军, 赵先鸣, 徐智敏, 张莉, 陈歌, 冯琳, 李鑫, 陈天赐, 袁慧卿, 刘琪, 郭娟, 张健, 刘嘉欣, 熊小锋
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 矿山水害防治技术基础研究国家级专业中心实验室,江苏徐州 221116%中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116 01.11.2023; 中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116
• Subjects: 矿井水水质; 水动力场; 采空区; permeability coefficient; 渗透系数; 多场耦合; mine water quality; goaf; hydrodynamic field; multi-field coupling
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.0879

TD74; 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.