我国闭坑煤矿矿井水水质演化研究进展与展望

随着我国煤矿矿井关闭数量的逐渐增加,闭坑矿井水水质恶化和污染问题日益突出,准确掌握闭坑矿井水水质演化规律及机制,是目前闭坑矿山可持续绿色发展的重大科学难题,也是地下水污染有效防控和水资源合理开发利用的重要前提。在回顾关闭矿井发展历史的基础上,首先阐述了我国关闭矿井的分布情况,之后分别对闭坑矿井水水质特征、水质演化规律及水质演化的多场作用等方面展开综述,最后对我国闭坑矿井水水质研究中存在的关键问题和应用方向进行了展望。研究结果表明:①截至2023年底,我国关闭矿井的数量已经上升到13000多个,主要分布在山西、河南、河北、山东、江苏和安徽北部等地区;②我国部分闭坑矿井水的pH、矿化度、硫酸盐、氟化物和铁锰重金属等水质指标含量超过Ⅲ类水标准,其中酸性矿井水(pH<6.5)主要分布在云贵、鲁西、山西等地区,高矿化度矿井水(TDS>1000 mg/L)主要分布在鲁西、山西、河南、两淮、蒙东、宁东、新疆等地区,硫酸盐矿井水(硫酸盐质量浓度>250 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东、宁东、神东、新疆哈密等地区,氟化物矿井水(F质量浓度>1.0 mg/L)主要分布在两淮、山西、神东等地区,铁锰重金属矿井水(Fe质量浓度>0.3 mg/L、Mn质量浓度>0.1 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东等地区。③在闭坑矿井被完全淹没之前,其水质在空间上会出现明显的分层现象,即浅部的优质水层、中部的过渡水层和深部的劣质水层,这主要与矿井采掘空间分布、地温梯度和盐度等因素有关。④煤矿关闭后,矿井水水质的演变过程大致可分为3个阶段,第Ⅰ阶段为矿井水中典型污染物(硫酸盐和铁离子)质量浓度快速上升达并到峰值阶段,第Ⅱ阶段为污染物浓度快速下降阶段,第Ⅲ阶段为矿井水水质与邻近含水层地下水水质背景值相同并保持相对稳定阶段。⑤系统总结了我国闭坑矿井水动力场、水化学场、微生物场和温度场的研究进展,指出了闭坑矿井多相(水−岩−气−生)多场(水化学场−水动力场−微生物场−温度场)耦合作用机制的研究还不充分。⑥提出了我国闭坑矿井水水质演化问题的研究仍然面临着水质演化规律和水质演化机制不清楚等关键科学问题。

淮南矿区张集煤矿1410(3)工作面顶板风氧化带探查与评价

工作面顶板工程地质条件对工作面支架选型、围岩稳定性评价及安全回采具有重要理论与实际意义,以淮南矿区张集煤矿1410(3)上提工作面为研究对象,基于井下钻探探查工程,采用岩心鉴定与描述、X射线衍射分析等方法,开展了工作面顶板风氧化带探查与评价,获得了工作面基岩风氧化带深度及风化程度。结果表明:工作面顶板30 m范围内岩石存在明显的风氧化现象,基岩风氧化带深度在28~35 m,基岩风氧化程度表现为中等风化-残积土,风氧化带岩石颜色以黄色为主,风化裂隙发育,岩体结构表现为块状-碎裂状-土状,岩石风化后矿物成分以高岭石、蒙脱石、伊利石及绿泥石为主,含量可达60%以上,风氧化带内岩石较正常岩石结构破碎,工程地质特性下降,研究结果可对下一步工作面顶板管理及回采上限确定提供依据和指导。

工程地质勘察社会实践课程教学探讨

该文以放牛山滑坡地质灾害监测点实践教学基地为例,探索了社会实践课程建设内容。社会实践教学主要内容包括工程地质测绘实践、现场监测实践、工程地质综合分析实践、地质灾害防治意识培养、思想政治教育等。教学期间,通过做好充分的教学准备、创新教学形式、制定安全措施保障等,确保社会实践课程顺利开展。

淮北煤田钱营孜矿井控煤构造特征及其动力学背景分析

钱营孜矿井位于淮北煤田宿县矿区的西部,毗邻徐宿弧形推覆构造南段的外缘带。为认识该矿井构造变形与演化规律、动力学机制以及指导未来资源探采方向提供重要地质依据。利用最新的矿井地质勘探与生产资料,对钱营孜矿井开展构造格架和控煤构造样式分析,划分矿井构造期次,讨论构造发育的区域大地构造背景。结果表明,矿井内石炭纪-二叠纪含煤地层总体呈一轴向NNE、向SSW仰起的宽缓向斜;矿井内断裂构造非常发育,逆断层数量大于正断层,2类断层的走向均以NE至NNE向为主,其次为NS向;矿井构造格架显著受控于数条NS向至NE向的大型断层,自西向东受南坪断层、F_(22)、F_(17)、DF_(200)及双堆断层等主干断层的分割,呈现东、西分带特征;矿井控煤构造样式可以划分为挤压、伸展和走滑3个类型,以及逆冲牵引褶皱、对冲式构造、冲起构造、叠瓦状构造、地堑、地垒、阶梯状断层、正花状构造、羽状雁列式构造9个亚类型;构造组合分析表明,F_(17)断层除逆冲活动之外,还存在显著的平移活动。矿井构造可划分为5期,从早到晚分别为:轴向NNE的冯家向斜、近NS向逆断层、NNE向逆-左行平移断层及NE向逆断层、近NS向正断层、NE向正断层。矿井内第1,2期缩短构造分别是印支期华北克拉通与华南板块汇聚过程中的前陆变形及随后陆-陆碰撞造山变形的影响结果;第3期压扭性构造与西太平洋区伊泽奈崎板块早白垩世初向东亚大陆边缘快速斜向俯冲有关;第4,5期伸展构造则是早白垩世以来中国东部强烈伸展背景下发育而成。

基于Zeta电位和FTIR的中高阶煤与天然焦表面电性研究

通过对中高阶煤与天然焦表面电性的研究,可为揭示煤与天然焦电磁辐射机理,判断矿物可浮性和实现不同矿物分离提供基础。为深入了解中高阶煤与天然焦表面电性的差异,分析煤与天然焦表面官能团组成的差异,采用Zeta电位与FTIR分析方法对样品的表面特性进行综合分析,研究其表面电性与主要官能团的耦合关系。结果表明:①煤样的Zeta电位总体为负,天然焦样品的Zeta电位为正,同时随着变质程度的升高,样品表面负电官能团减少,Zeta电位增大;②脱灰后,样品表面负电官能团被破坏,煤与天然焦的Zeta电位均为正,且随着煤变质程度的增加,Zeta电位值减小;③羟基、COOH、C=O是影响Zeta电位的主要官能团,其中,C=O对Zeta电位的影响大于COOH;羟基-π是羟基结构中影响Zeta电位的主要官能团。研究成果为进一步探究煤与天然焦电磁辐射机理与浮选性提供基础。

工作面基岩风氧化带工程地质特征:以淮南矿区张集煤矿为例

隐伏型煤田浅部工作面回采受其顶板基岩风氧化带影响,风氧化作用影响下,岩体工程地质条件劣化,对工作面顶板管理及水害防治有较大影响。以安徽淮南矿区张集煤矿近松散层1410(3)工作面为例,开展了风氧化带工程地质特征研究。基于工作面井下顶板钻探工程,对工作面顶板30 m范围内取芯,在此基础上,采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD),开展了风氧化带岩石矿物成分分析;采用室内物理、力学试验,开展了新鲜及风氧化岩石物理、力学性质测试;基于岩石力学特性及岩芯宏观地质特征,对工作面顶板风氧化带发育深度及程度进行了评价。结果表明:基岩风氧化带岩石矿物成分以高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物为主,遇水易膨胀,对抑制顶板导水裂缝带发育有益;受风氧化作用影响,岩石孔隙率提升约15%,单轴抗压强度降低约50%,泥岩较砂岩工程地质条件劣化更加明显;工作面基岩风氧化带深度16~20 m,并划分了风氧化程度等级,岩石风氧化程度主要表现为强风化-全风化。研究成果对工作面支架选型及顶板管理提供了依据和参考,为类似条件工作面风氧化带探查与工程地质条件评价提供了借鉴。

基于改进AHP-独立性权系数法的地质构造复杂程度定量评价

矿井地质构造发育特征对工作面安全高效回采具有重要的实际意义,以淮北矿区钱营孜煤矿西一东一采区间孤立块段(下文统称研究区)为研究对象,在分析研究区地质资料基础上,选取断层密度、断层强度、断裂分维值、褶皱平面变形系数等4个指标,采用改进AHP-独立性权系数法相结合的综合确权方法,基于ArcGIS软件建立地质构造复杂程度综合评价模型,开展了研究区地质构造发育程度定量评价。研究结果表明:4个评价指标的权重分别为0.1326、0.1621、0.3834、0.3219,其中断裂分维值对构造复杂程度影响最大;研究区的构造复杂程度可分为复杂、较复杂、中等、简单4个等级,其中研究区中部构造复杂程度最大,研究结果对研究区下一步巷道掘进及回采具有一定指导意义,同时为类似新采区采前构造预测与评价提供了一种新方法。

民营数控机床领军企业技术创新能力演进机制研究——昊志机电股份有限公司案例解析

民营数控机床企业作为国内数控机床行业的后起之秀,成为推动中国高档数控机床创新发展的生力军。民营数控机床企业如何通过提升技术创新能力实现自主创新,获取并维持可持续竞争优势成为学术界和政府共同关注的热点问题。以昊志机电股份有限公司为研究对象,基于“情景—策略—结果”理论逻辑,探讨民营数控机床领军企业如何突破技术和市场双重约束,实现创新能力进阶。结果发现,民营数控机床领军企业将核心技术作为核心竞争力,敏锐感知市场需求,通过战略研判形成的市场发展导向可为企业技术创新能力提供战略指导;通过制定科学的知识搜寻战略整合多元化创新资源可为企业技术创新能力提供技术和信息支持。随着市场发展导向和知识搜寻战略动态演进,企业技术创新能力实现从“基于产品竞争的关键技术突破”到“基于品牌竞争的核心技术沉淀”,再到“基于技术竞争的核心技术延伸”的演化升级。

“工程地质勘察技术与方法”社会实践教学基地建设研究

从社会实践教学基地选取入手,探讨安徽理工大学地质工程专业“工程地质勘察技术与方法”社会实践课程建设。依据安全性、实践性、社会性、紧密性等原则,“工程地质勘察技术与方法”社会实践课程选取了校内地学综合实训基地、淮南市建发建筑勘察设计有限公司、大通湿地公园、中兴路、放牛山滑坡监测点、南塘公园等实践教学基地,并探讨了社会实践教学内容及教学组织,为社会实践课程的顺利开展提供了良好的教学平台和技术保障。

“工程地质学”课程教学改革的几点思考

“工程地质学”是地质工程、采矿工程和土木工程等专业的专业必修课,具有研究对象复杂、工程应用性强、涉及范围广等特点。大类通才教育是我国高校人才培养模式的创新,符合高等教育教学改革的新趋势,是新时代人才培养的必然选择。如何在新形势下讲授好这门复杂、系统的专业基础课程,需要广大任课教师从教学内容设计、教材编写或选择、教学方法改进、课程思政和学科前沿的有机融入等方面深入思考,结合“工程地质学”课程任务和特点,对新形势下“工程地质学”课程的教学改革提出几点建议。

基于MODFLOW的含水层间水力联系分析研究

为了探查桃园煤矿Ⅱ2采区太原组灰岩含水层与深部奥灰含水层之间的水力联系,开展了井下太灰含水层的放水试验。基于放水试验成果资料,利用Visual MODFLOW三维有限差分软件,经过多次模型调整,最终确定了符合采区水文地质条件的数值模型,查明了两含水层间的水力联系。结果表明：Ⅱ2采区太灰含水层与奥灰含水层间存在宽度为50~60 m,长度约为300 m的垂向直接补给带,其垂向渗透系数为5 m/d,侧向渗透系数为3 m/d,具有明显的各向异性,该方法可作为判定含水层间水力联系的一种新方法,研究结果可为采区下一步防治水措施提供依据。

基于MODFLOW的闭坑矿井水位回升预测

随着浅部煤炭资源枯竭及国家供给侧结构调整,我国闭坑矿井数量呈逐年增加趋势。矿井闭坑后停止抽排地下水,地下水位不断回升直至与区域地下水位平衡,会对邻近生产矿井产生威胁。以淮北闸河矿区岱河煤矿为研究对象,利用Visual MODFLOW软件对矿井闭坑后水位动态回升过程进行了预测分析。研究结果表明:矿井闭坑后,随着时间延长地下水位逐步回升,回升速度前期较快,后期减慢,揭示出区域地下水径流场对矿井水位回升具有明显的影响,得出了水位随时间动态变化过程,地下水回灌时间约2 000 d,研究结果为邻近生产矿井防治老空水提供了依据和参考。

基于流固耦合的深部煤层采动底板突水机理研究

为了研究煤层深部开采底板采动破坏特征及与浅部开采的差异及底板突水机理,以淮北矿区下组煤底板为研究对象,建立了3种不同采深的底板突水模型。基于FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发,对流固耦合条件下不同深度煤层采动底板破坏特征进行了综合分析与对比。研究结果表明:深部条件下煤层采动底板破坏形态与浅部明显不同,深部高地应力及高承压水耦合作用下,含水层顶部发育原位张裂带,且在采动影响下,会进一步出现递进导升现象,而浅部开采时无此现象;当采动破坏带与深部递进导升带沟通时,发生底板突水事故,揭示了矿井深部煤层底板原位张裂隙产生—与承压含水层导通—原位导升带发育—采动破坏带与递进导升带沟通这一突水机理。

断层带边界岩体采动应力特征相似材料模拟研究

为了研究断层带边界岩体的采动应力特征,以龙东煤矿F张断层两侧岩体地层为原型,建立了断层带相似材料模型,对煤柱缩小过程中,近断层带煤层底板采动应力特征及断层带两侧岩体应力变化规律进行了跟踪监测。研究结果表明:随着工作面的推进,超前支撑应力在煤层底板下30m处,反应最为明显;当煤柱宽度减小至30m时,底板集中应力达到最大值为127.64kPa,应力集中系数2.8;煤柱宽度20m时,煤层底板深部近断层带附近开始明显卸压,同时断层带两侧应力变化出现明显差异,显示出断层带对应力传递的影响,上下盘表现出不同的采动特征,容易造成断层的"活化",研究结果可为断层煤柱的合理留设和巷道布置提供依据和参考。

基于不同岩层组合对底板阻水效应的流固耦合机理研究

为了探究不同岩层组合底板对承压水的阻隔效果,以淮北矿区下组煤底板为研究对象,建立了三种不同组合特征底板模型。基于FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发,对流固耦合条件下不同组合特征底板采动应力及围岩渗透性进行了综合分析。结果表明:流固耦合条件下,底板采后应力转换点深度较不考虑底板水压条件下加深,且底板深部出现了明显的卸压现象;硬软型底板采后卸荷程度及应力转换点降幅最大,而软硬相间型底板受最小;硬软型底板采后渗透性提高4.5倍,而软硬相间型底板仅提高1.4倍,研究结果揭示出软硬相间岩层组合底板阻水效果最好,而硬软型底板最差。

断层对煤层开采应力分布影响的数值模拟分析

以芦岭煤矿8煤层开采为例,运用FLAC3D软件分析了断层倾向与工作面推进方向在不同情况下,断层带两侧应力分布特征的差异。工作面布设分别在断层上盘逆断层倾向推进和在断层下盘顺断层倾向推进。通过数值模拟分析得出,当逆断层倾向推进的时候(工作面位于断层上盘),随着工作面推进,在断层带上出现应力集中现象,且随工作面继续推进应力集中及影响范围呈增大的趋势,断层带起到了一个阻止应力集中向前传递的作用,应力集中于断层带及上盘上;当顺断层倾向推进的时候(工作面位于断层下盘),随工作面推进,断层带两侧先出现应力减小随后增大,继续推进应力传递到对盘,断层带应力集中程度减小,断层未能限制应力的传递。因此,可以利用此结果,为工作面及巷道位置选择提供依据,避免应力集中对巷道造成破坏,延长巷道服务年限。

分岔煤层下分层再生顶板地面预注浆加固区域研究

分岔合并煤层受上分层采动影响,造成下分层顶板破碎,支护困难,严重影响下分层安全高效开采,常采用注浆加固技术对再生顶板进行提前改造,以提升顶板完整性。注浆加固区域对注浆效果有直接影响,为了给地面预注浆加固区域选择提供科学依据,以淮北矿区许疃煤矿分岔合并煤层为研究对象,采用理论分析与数值模拟,计算了上分层开采顶底板破坏高度及深度,获得了下分层再生顶板结构特征;基于数值模拟计算了采空区不同位置空隙率及渗透系数大小,获得了空隙率及渗透系数空间分布规律,最终确定了采空区不同位置注浆特征及其范围。结果表明:上分层开采顶板垮落带及断裂带(“两带”)发育高度21~28 m,底板破坏深度约10 m,下分层再生顶板由上分层底板破坏带、垮落带及断裂带三部分组成,岩体结构属碎裂-散体结构,完整性差;采空区垮落带空隙率在开切眼、终采线及两帮巷道处最大,可达50%以上,而向采空区中部及上方断裂带逐渐减小至10%以下,平面上呈“O”型分布,垮落带与断裂带渗透系数可相差3个数量级以上,采空区平面上可划分为注浆极易区、中等区及一般区,确定了平面上煤层间距小于10 m范围内巷道两帮、开切眼及终采线等位置是主要注浆区域,垂向上垮落带为主要注浆区域。研究结果可为类似近距离煤层下分层再生顶板地面注浆加固钻孔布置及注浆区域选择提供依据。

基于水化学成分与聚类分析的矿井水补给关系判别

井下放水试验是确定矿井各含水层间水力联系的常用方法之一。为了判别目标含水层与矿井其他含水系统间的联系,基于矿井不同含水系统水化学成分的差异,选取7种常规水化学成分指标对放水过程中目标含水层水源进行分析。以淮北矿区桃园煤矿Ⅱ4采区太原组灰岩含水层放水试验为例,采用水化学特征分析与系统聚类分析的方法,对放水试验过程中太灰水化学成分的变化进行对比分析。研究结果表明:随着放水试验的进行,太灰水质不断向奥灰水质接近,且采区太灰水与奥灰水欧氏距离最小,为185.01,通过系统聚类分析得出,太灰水与奥灰水可优先聚为一类,说明放水试验过程中太灰水受到奥灰水的补给,研究结果为矿井下一步防治水措施的选择提供依据。

基于Visual Modflow的刘东煤矿闭坑水位回升预测

随着我国能源产业结构调整,越来越多不符合国家要求的矿井被关闭,导致我国闭坑矿井数量迅速增加,矿井闭坑后产生的老空水,会对周围矿井生产造成威胁。以淮北刘东煤矿为研究对象,使用Visual Modflow软件对矿井闭坑后的水位回升进行了预测,以此为周边矿井安全生产提供依据和保障。结果表明:随着时间的推移,闭坑矿井内的水位会不断上升,深部较快,浅部较慢,并且得出了闭坑矿井水位变化趋势,矿井回灌时间约为240 d。研究结果也为相似地质条件的矿井防治老空水提供参考。

对地学专业人才人文及学科素养培育举措的思考

新时代高等教育对地学专业人才培养中的人文及学科素养提出新要求。结合地学专业人才培养过程,讨论高校人文教育及学科精神培养意义及举措,强化专业基本素养培育与建设引导,继承和发扬传统地质人的奋斗拼搏、吃苦创新精神,形成特色型地矿专业人才的文化内涵。