基于水化学和氢氧同位素特征的敏东一矿水源定性定量研究

快速准确判识矿井水源是预防和治理矿井水害的关键条件。以我国东部草原矿区敏东一矿为研究区,采集了多种矿井充水水源样品,通过绘制Piper三线图、Gibbs图、离子比例系数图等,分析了不同类型水样的水化学特征及离子作用,定性判识了矿井水的主要来源;利用氢氧同位素计算,定量分析了矿井水源的所占比例。研究结果表明:矿井间接充水水源(大气降水、地表水、第四系潜水和Ⅰ含水层水)的水化学类型为HCO_(3)-Ca型,Ⅱ含水层水的水化学类型为HCO_(3)-Ca与HCO_(3)-Na混合型;直接充水水源Ⅲ含水层水和矿井涌水的水化学类型均为HCO_(3)-Na型,且Ⅲ含水层水为矿井涌水的主要补给来源;地下水及矿井水中主要离子Ca^(2+)、Na^(+)和HCO_(3)^(-)形成受岩石风化控制,主要的来源于钾长石、钠长石、钙长石等硅酸盐矿物的溶解;结合同位素氚含量的计算得到的第四系、Ⅰ含水层、Ⅱ含水层、Ⅲ含水层的各地下水相对平均年龄分别为18.48、57.88、69.24、69.24年,而矿井涌水的平均年龄也为69.24年,且矿井水的δD、δ18O平均值最接近Ⅱ含水层水和Ⅲ含水层水,矿井涌水主要为Ⅱ含水层水和Ⅲ含水层水的混合体,Ⅱ含水层水和Ⅲ含水层水分别约占据矿井总涌水量的11.1%和89.9%,混合比例约1∶9。

高悬浮物矿井水电化学特性分析及污染物去除效果研究

为了解决宝日希勒露天矿矿井水中浊度偏高的问题,通过对其矿井出水进行电化学特性分析,测得其悬浮物颗粒粒径主要分布在0.6~0.8μm内,Zeta电位为-23^-25 m V,需选用带正电荷的混凝剂使其沉降。在此基础上优化了"聚合氯化铝(PAC)+聚丙烯酰胺(PAM)"联合处理工艺,研究结果表明:选用30 mg/L PAC+0.5 mg/L PAM联合投加混凝剂的方式,出水浊度最低,可以达到10.8 NTU,浊度去除率达到95.5%;单独投加混凝剂条件下,PAC及聚合氯化铝铁(PAFC)对于水中浊度去除效果优于聚合硫酸铁(PFS),但对于水体化学需氧量(CODcr)的去除效果不及PFS,且投加3种混凝剂皆不能有效地降低水体总硬度。

基于平行因子法的黄河流域中段矿井水中 DOM特征及来源

黄河流域中段是我国煤炭资源禀赋最为优异区域,也是重要的煤炭产区,煤炭高强度开采过程中产生了大量矿井水。由于井下采掘设备用油泄漏等导致矿井水普遍出现有机污染物超标,且污染物种类和特征不清楚,大大限制了矿井水的安全回用。为了查清矿井水中有机污染物特征和来源,本研究以黄河流域中段蒙陕接壤矿区15座煤矿为研究对象,在检测分析井下中央水仓矿井水常规理化指标基础上,利用TOC-VCPH分析仪、紫外分光光度计、三维荧光光谱仪等设备开展矿井水中溶解性有机质(DOM)检测,并采用平行因子法确定矿井水中DOM的组分特征,再结合主成分分析及相关性分析方法分析矿井水中DOM来源及影响因素。结果表明:悬浮物是研究区矿井水中的常规污染物,高浊度矿井水占比100%,超标倍数达到3.0~85.0倍;溶解性总固体(TDS)、氟化物和硝酸盐为研究区矿井水的特征污染物,其中水文地球化学垂向分带性导致深埋含水层中TDS浓度较高,氟化物以榆神矿区煤层埋深300 m左右的矿井最为显著,部分矿井水硝酸盐超标率达到20.0%~55.8%;平行因子分析法计算得到的15座煤矿矿井水研究区矿井水中主要出现了4类荧光组分,其中以类酪氨酸为代表的类蛋白物质是矿井水中DOM主要组分,对DOM整体贡献率达到63.0%~89.0%,其主要来源于井下乳化油泄漏产生的酚类、二氯苯、苯等芳香烃。三维荧光分析发现这15座煤矿矿井水具有相同的荧光指数特征:自生源指数(BIX)小于2.0(0.8~1.4)。腐殖化指数(HIX)小于4.0(0.6~2.5)、荧光强度(FI)大于1.0(1.5~2.2),表明研究区DOM普遍来源于类蛋白物质;通过主成分分析与相关性分析,进一步验证了井下油类污染物是该研究区矿井水DOM主要来源。基于平行因子分析法得到的矿井水中DOM标准三维荧光指纹图和荧光特征的研究,为黄河流域中段矿井水的安全可持续利用提供科学依据。

露天矿地下水库人工回灌介质渗透性与水质变化规律研究

针对矿井水人工回灌过程中水质演化及介质堵塞两大现实问题,通过自主搭建的矿井水人工回灌试验平台,开展矿井水人工回灌地下水库模拟试验。采用单一变量的试验方法,改变矿井水入库前的预处理方式,结合回灌前后矿井水浊度、TDS、悬浮物粒径及SEM扫描电镜,分析了地下水库连续储水过程中的水质变化规律,厘定了地下水库进水水质要求,并总结了露天煤矿地下水库自净化的主要机制;在此基础上研究了不同浊度矿井水人工回灌过程中介质渗透性变化规律,探查了矿井水人工回灌堵塞发生位置及堵塞类型,提出了地下水库自净化与介质渗透性间的矛盾关系。研究结果表明:采用混凝法对入库矿井水进行预处理,可以通过吸附架桥作用有效增大矿井水中悬浮微粒的粒径,进而淤积在回灌介质表层,促进了悬浮物在此阶段的去除,实现了地下水库的自净化,在地下水库连续储水过程中,水中浊度及TDS会进一步降低;但是从介质渗透性变化的角度而言,水中悬浮颗粒在被去除的同时缩短了回灌系统达到堵塞的时间,主要由于回灌介质表层发生了悬浮物堵塞,且回灌介质渗透性变化存在周期性规律,可采用0~5 cm表层清淤和30 h周期性回扬的技术手段消除介质渗透性下降对回灌系统的影响。

含悬浮物矿井水微絮凝-多级过滤工艺研究

针对含悬浮物矿井水处理过程中固液分离困难的问题,基于核晶凝聚诱导造粒理论,通过室内试验的研究方法,开展矿井水微絮凝-多级过滤工艺研究。首先,通过药剂投加与水利条件调节,诱导悬浮颗粒与絮凝剂形成共聚物,形成絮体沉降时间曲线,通过最优参数选取完成絮体造粒致密化;其次,选择石英砂、人造沸石、活性炭、风积沙4种过滤介质,考察不同介质类型及粒径对污染组分脱除效率的影响,分析固-液界面产生的物理作用及化学反应;最终,选取典型矿井开展现场试验,验证该工艺对于不同污染组分的脱除效果。结果表明:(1)在微絮凝阶段采用200 mg/L的聚合氯化铝及200 mg/L的硅藻土联合投加的方式可以大幅度降低沉降时间;(2)在多级过滤阶段1~2 mm石英砂对于浊度去除率可达97.9%,而4种过滤介质中人造沸石对于无机离子脱除效果最优,对于SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)、Na^(+)去除率分别达到25.5%、44.1%、69.9%。通过研究成果形成的微絮凝-多级过滤工艺可以大幅度降低矿井水处理过程中的停留时间,提高固液分离效率,在此基础上选用天然硅藻土作为成核剂替代聚丙烯酰胺还能有效抑制丙烯酰胺单体的生成,可降低环境风险。该工艺对于含悬浮物矿井水处理具有良好推广应用价值。

西部风沙区采煤塌陷地裂缝影响下的土壤水分运移规律及调控方法

浅埋煤层开采经常诱发一系列的生态环境问题,为研究浅埋煤层开采区地面塌陷影响下的土壤水分运移规律并提出相应的调控方法,以西部风沙区浅埋煤矿为研究对象,将采煤塌陷对包气带结构的影响分为3个阶段:开采前,包气带较薄,土壤颗粒相对均一;开采中,水位明显下降,包气带厚度急剧增加,裂缝发育且土壤颗粒均一性变差;开采后,风沙区大多数地裂缝自然弥合,但土壤中的黏性颗粒减少,砂性颗粒增多,出现明显的粗化现象。以此为物理背景,构建了不同裂缝宽度二维土壤水分运移模型,结果显示:无裂缝时湿润锋平行向下运移,同一深度的土壤含水率基本相同,裂缝存在时湿润锋沿着裂缝快速运移,优势渗流现象明显;土壤含水率随裂缝宽度的增加呈减小趋势,含水率影响范围随裂缝宽度增加呈增大趋势;当包气带厚度大于极限蒸发深度(300 cm)时,入渗补给量和包气带厚度基本无关,仅会延长土壤水分通过包气带运移到潜水面的时间,对地下水的潜在补给量影响较小。现场调查了塌陷区和非塌陷区沙蒿的生长状况:受塌陷区土壤水分匮缺(吸水水源不足,含水率小于0.1 cm^(3)/cm^(3))和塌陷诱发的植被根系密度降低(吸水通道降低,根系总干质量减小21.7%)2种因素影响,塌陷区沙蒿平均地上生物量相对非塌陷区减小22.2%。提出了地面塌陷影响下的土壤水分运移调控方法:煤层开采中,通过调整工作面宽度和开采厚度,减小地面塌陷的发育程度,从而减小塌陷区土壤含水率的损失量;开采后,开展塌陷区土壤重构时,考虑不同植被的耗水特征,在植被根系土壤层下衬垫10~30 cm的黄土,可明显提升植被根系层的土壤含水率,加速矿区植被恢复进程。

煤矿井下不同区域矿井水中有机污染特征

为了弄清煤矿井下不同区域矿井水中有机污染特征,以神府矿区某浅埋矿井为研究对象,基于三维荧光指纹技术和区域体积积分法开展了矿井水水质特征研究。结果表明:神府矿区井下矿井水中阴阳离子等组分主要来自顶板基岩含水层,煤炭开采产生了氮素,有机物等污染物,其中COD浓度超标率(Ⅲ类地下水质量标准)达到72.7%;02综采工作面矿井水中COD则达到Ⅴ类地下水质量标准,且TOC和UV254也较高。1~5号矿井水中DOM主要出现了芳香性蛋白类有机质荧光峰;综采工作面矿井水中Ⅴ区荧光峰非常明显,该类有机质来自工作面回采和检修过程中综采设备溢油。1~5号矿井水中类酪氨酸和类色氨酸的标准体积比例Pi,n之和>52.0%,说明芳香性蛋白质有机物是本地区地下水中重要的DOM;02综采工作面水样中多环芳烃类有机物的标准体积比显著增加,反映了检修过程中大量多环芳烃类油污进入矿井水;矿井水处理厂进出水水质具有井下不同位置矿井水的综合特征,Ⅰ区和Ⅴ区有机质可以有效地被微生物利用或处理工艺去除。COD与Φi,Pi,n,FI,TOC,UV254的相关性较低,表明矿井水中COD的主要成分为非溶解性的煤泥等物质;UV254和TOC与Φi,Pi,n,FI的相关性显著增加,表明区域体积积分法和峰值法都能够很好地表征DOM的荧光特征、含量等。

西部侏罗系矿区充水含水层水文地球化学特征及矿井水来源综合识别

本文以水文地球化学理论为指导,基于研究区水文地质条件及矿山水害研究基础,构建了不同充水含水层水化学和氢、氧同位素基础特征值,结合不同煤层埋深煤矿含隔水层组合特征和导水裂隙带发育高度,综合识别了浅埋、中深埋和深埋多个煤矿的矿井水来源。研究结果显示,受水岩作用和水动力条件等因素影响,煤层上覆不同充水含水层地下水水化学类型和氢、氧同位素值差异明显;随着煤层埋深的增大,矿井水的矿化度呈显著增加趋势,氢、氧同位素整体呈减小趋势;在此基础上,综合采用水化学和环境同位素的方法对研究区不同煤层埋深煤矿的矿井涌水进行识别,认为浅埋煤矿矿井水为第四系松散含水层地下水和侏罗系砂岩含水层地下水的混合水,深埋和中深埋煤矿矿井水主要为侏罗系砂岩含水层地下水。

古土壤层对煤矸石淋滤液中典型污染物的防污性能

黄土区是我国重要的煤炭生产区,古土壤层在黄土区包气带中广泛发育。煤炭开采和洗选过程中会产生大量煤矸石,其中露天堆放的煤矸石在长期降水淋滤作用下会释放出含有大量污染物的淋滤液,对矿区周围的地下水造成污染。黄土区煤矸石淋滤液在进入到地下含水层之前,必将流经过古土壤层。要准确评价煤矸石淋滤液对地下含水层的影响,必须确定古土壤层对煤矸石淋滤液中污染物的防污性能。通过开展室内渗透试验和批式吸附试验,研究了古土壤对煤矸石淋滤液中典型污染物Mn^(2+),Zn^(2+),Cu^(2+)和SO_(4)^(2-)的阻隔情况。渗透试验结果显示,煤矸石淋滤液作用下古土壤试样的渗透系数在0.852×10^(-9)~1.01×10^(-9) m/s,比使用蒸馏水渗透时得到的渗透系数降低了1.5倍以上。古土壤试样渗透系数之所以会降低,是因为煤矸石淋滤液与古土壤之间发生了化学反应,生成新的沉淀物淤堵了古土壤试样中的孔隙。批式吸附试验结果显示,古土壤能够吸附Mn^(2+),Zn^(2+),Cu^(2+),吸附过程符合非线性的Freundlich模型;古土壤层中黏土矿物与重金属之间的离子交换反应,是古土壤吸附重金属的主要途径。古土壤颗粒呈电负性,与SO_(4)^(2-)之间存在相互排斥作用,几乎不吸附SO_(4)^(2-)。使用POLLUTE V7软件模拟预测了煤矸石淋滤液中典型污染物击穿古土壤层的时间,结果显示,厚度为1.0 m的古土壤层对污染物的有效阻隔时间可以达到10 a以上。总体而言,古土壤层具有较强的防污性能,能够限制污染物向含水层迁移,因此在进行黄土区煤矸石堆场地下水环境影响评价及污染防控时,有必要考虑古土壤层产生的影响。

宝日希勒矿区水文地质条件及地下储水可行性研究

为了解决宝日希勒露天矿季节性矿坑水富余和用水短缺问题,实现矿区水资源的合理调蓄利用,在对矿区地质、水文地质、构造等条件进行研究的基础上,开展了矿坑水量质特征、典型污染组分处理等方面的研究。结果表明:宝日希勒矿区位于完整的陈旗煤田水文地质单元内,为波状高平原地貌,第四系底板高于区域地下水位,属于透水不含水地层;白垩系大磨拐河组各含水层之间水力联系不明显,煤层是其主要含水介质;受地质构造及古地理环境控制,宝日希勒矿区的东、南、北三面为隔水边界、西部为补给边界,形成了相对封闭的向斜蓄水构造;首采区东侧为一背斜轴部,且发育1条北北西向正断层(F15),由于含隔水层交错,与二采区之间形成了隔水性能较好天然坝体(坝体宽度>200 m),在首采区西侧建设地下储水库,既能保证二采区内排土场和采坑安全,又可以实现首采区西侧有效储水,储水库容可达119.0×10^(4) m^(3);矿区用水季节性差异较大,冬春季矿坑水富余量为72×10^(4)~81×10^(4) m^(3),矿坑水经混凝沉淀预处理和土壤表层强化处理,将宝日希勒矿坑水中浊度降至水质标准限值,可以实现矿坑水地下储存的量质安全。通过确定安全的地下储水地址,研发科学合理的预处理工艺,实现了宝日希勒矿区矿坑水的有效保护和可持续利用。

神府矿区井下综采设备检修过程中矿井水水质变化特征

鄂尔多斯盆地神府矿区生态环境脆弱、水资源短缺,矿井水是重要的非常规水资源,但是井下采掘过程中产生的各种污染组分,又大大限制了矿井水的回用。工作面是污染组分产生的主要来源,特别是综采设备检修期间。为查清工作面综采设备检修过程中污染组分释放规律,开展了该阶段矿井水水质变化的现场实验研究,结果表明:研究区煤层顶板基岩含水层长期水岩相互作用形成的高矿化度地下水,导致采空区积水中TDS质量浓度具有基岩含水层水特征(TDS=1348.0 mg/L)。综采设备检修和正式回采过程中设备用水TDS质量浓度较低,使综采工作面矿井水中TDS质量浓度略有降低(1296.0~1316.0 mg/L),其中SO4^2-质量浓度降低了28.0~48.0 mg/L。设备检修过程中的人类活动,向矿井水中排放NH+4和大肠杆菌等,硝化作用使采空区和检修前矿井水中NO-3质量浓度较高(1.12~1.97 mg/L)。综采设备检修会导致矿井水中耗氧量、TOC含量,UV 254等有机物指标质量浓度显著增加,利用三维荧光指纹发现,采空区和设备检修前的矿井水中主要存在人类活动废水和煤溶出有机质,设备检修期间矿井水中主要存在多环芳烃和石油类污染物,且荧光强度非常高;正式回采期间矿井水中则存在人类活动排出有机物、设备用油、煤溶出有机物等。综采工作面(尤其是设备检修阶段)矿井水中油类污染物质量浓度相对较高。因此,有必要做好综采工作面有机污染的控制,以降低矿井水中污染物质量浓度和矿井水处理成本,扩大矿井水回用途径。

蒙陕接壤区矿井水中典型污染组分特征及来源

蒙陕接壤区是我国能源兜底保障的核心区域,但是煤炭开采过程中产生的大量矿井水,常常含有多种污染组分,只有查清污染组分来源及特征,才能更加科学合理地处理利用矿井水资源。本研究在查清蒙陕接壤区地质、水文地质和煤炭开采扰动等条件的基础上,对煤层顶板含水层水文地球化学特征、矿井水中典型污染组分特征开展了研究,并分析了这些典型污染组分的来源。结果表明:蒙陕接壤区根据煤层埋深条件可分为浅埋区、中深埋区和深埋区,浅埋区矿井水来源为煤层顶板所有含水层水,中深埋区矿井水来源为煤层顶板延安组、直罗组风化基岩和完整基岩含水层水,浅埋区和中深埋区第四系和侏罗系地下水中TDS质量浓度均低于1000 mg/L;深埋区矿井水来源于煤层顶板侏罗系延安组、直罗组含水层,封闭条件下长期水岩作用,导致地下水中TDS质量浓度>1000 mg/L,主要超标组分为Na^(+)、Ca^(2+)和SO_(4)^(2-)。矿井水中污染组分包括2类来源:一类来自顶板含水层,长期水岩相互作用导致离子组分进入水体中;另一类来自煤矿井下生产活动,煤岩屑、粉尘、机油等释放,导致悬浮物、氮、有机物等污染溶入水体中。浅埋区和中深埋区矿井水中TDS质量浓度低于1000 mg/L,主要为弱碱性HCO_(3)-Ca型水;深埋区矿井水中TDS质量浓度为1824.00~3684.00 mg/L,Na^(+)和SO_(4)^(2-)离子浓度增加占比最大;地下水进入采空区后,均会进一步发生水岩相互作用,导致Na^(+)、SO_(4)^(2-)等离子浓度出现一定程度升高。大部分煤矿矿井水中COD出现了超标,但是TOC浓度和UV_(254)均较低,矿井水中有机物以悬浮态为主;3DEEM光谱检测结果发现溶解态有机物主要为天然的氨基酸类和腐植质类,各类有机物荧光强度偏低,矿井水中有机污染物含量较少。

露天矿矿井水强化混凝与季节适应性研究

为了研究适宜于季节性水质波动条件下矿井水处理的最优实验条件,提出面向生态灌溉的矿井水处理方法,进一步实现露天矿区矿井水资源化利用。以内蒙古某露天煤矿冬、夏两季矿井水为研究对象,选取新型成核剂硅藻土与传统助凝剂阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)、混凝剂聚合氯化铝(PAC)联合投加,对其进行强化混凝处理。结果表明:PAC单独投加条件下,随着PAC投加量的增加,出水TDS逐渐升高,HCO_(3)^(-)浓度逐渐降低;200 mg/L PAC+CPAM联合投加方式下,投加4 mg/L CPAM时冬、夏两季矿井水出水浊度取得最低值0.46、1.04 NTU,浊度去除率高达99.51%、99.71%。CPAM投加量的增加对总溶解固体(TDS)没有显著的影响,对HCO~-浓度影响很小或没有影响,去除效果不明显。矾花形成快速,时间明显短于PAC单独投加与200 mg/L PAC+硅藻土联合投加,此外,随着CPAM投加量的递增,矾花形成时间呈现依次变短的趋势;200 mg/L PAC+硅藻土联合投加方式下,投加400 mg/L硅藻土时冬、夏两季矿井水浊度分别为6.01、8.25 NTU,达到《城市污水再生利用绿地灌溉水质》(GB/T 25499—2010)限制性绿地的限值要求,浊度去除率达93.58%、97.67%,TDS、HCO~-浓度变化基本不受硅藻土投加量的影响。

结构二重性视角下乡村新内生发展模式研究综述

乡村地区的螺旋式衰落逐渐成为全球乡村发展面临的共同挑战,而实现乡村振兴的关键在于乡村发展模式的选择。论文系统梳理回顾了乡村发展模式的演替过程,认为乡村新内生发展模式根植于地方又面向外部,能够实现“上下联动、内外共生”,更符合新时代乡村发展内涵,展示出较强的综合性和整体性,为当下乡村发展研究提供了新视角。基于结构二重性视角构建乡村新内生发展模式的实证框架,重点总结了乡村新内生发展模式在主体与网络层面的主要实证研究,指出现有研究仍无法解决特定现实命题和理论命题上的操作性问题,缺少系统性行动框架指引;因此未来可从多学科视角展开乡村新内生发展的行动框架及评价研究,探索乡村新内生发展的差异化转型路径及机制,以便更好地指导乡村地理学者推进乡村新内生发展,实现乡村振兴。