唐家会矿地下水化学特征及其在断层导水性识别中的应用

为了识别鄂尔多斯盆地北部唐家会矿DF1断层导水性,预防采掘工作面突水事故的发生,通过采集唐家会矿二叠系砂岩水、奥陶系灰岩水(奥灰水)共36组水样,利用Piper图、离子比例法及饱和指数法研究矿井地下水化学特征及成因,并基于水化学特征分析断层导水性。结果表明,砂岩水化学类型为Cl·HCO_(3)-Na型和Cl-Na型,奥灰水化学类型为Cl-Na型。砂岩水和奥灰水中Na+主要来源于岩盐与硅酸盐岩的溶解;奥灰水中方解石处于平衡和过饱和状态,白云石处于未饱和状态,并发生了阳离子交换吸附。随着与DF1断层距离的减小,61101工作面底板注浆孔涌水TDS增加;11-4#孔涌水随着时间延长,Cl^(-)逐渐增加,表明钻孔涌水中奥灰水的混合比例越来越大,DF1断层在该区段为导水断层。

抽水过程中潜水位变化的自然电位响应特征砂槽试验

设计加工扇形渗流槽模型,开展定流量单孔完整井抽水试验,结合自然电位(SP)实时动态监测,研究了潜水含水层抽水过程中水位变化及SP响应特征。结果表明:抽水时,潜水位和SP均快速下降并逐渐稳定,但潜水位降低至稳定时间较短,SP降低至稳定所需时间较长,具有滞后性。抽水流量越大,潜水位和SP降低幅度越大;距离抽水井壁越远,SP稳定所需时间越长。自然电位差ΔSP与水位降深sw之间满足线性函数关系,ΔSP和径向距离r之间满足指数函数关系,根据拟合公式计算得到模型中不同位置处水位降深值,与观测水位降深比较发现两者之间误差较小,表明利用该式可以对抽水过程中潜水位进行计算预测。

淮南阜东矿区二叠系砂岩高盐地下水低硫酸盐特征及成因机制

矿区地下水水文地球化学研究对矿井水防治和水资源综合利用具有重要意义。针对安徽淮南煤田阜东矿区二叠系砂岩水低硫酸盐问题,通过水样采集测试,采用多元统计方法,结合水文地质条件分析和硫氧同位素技术,研究砂岩水水化学特征、水-岩作用以及低硫酸盐成因。结果表明:研究区二叠系砂岩水呈弱碱性,TDS平均值为1842.35 mg/L,属于微咸水,水化学类型主要为Cl-Na型、HCO_(3)-Na型和Cl·HCO_(3)-Na型。SO_(4)^(2-)平均质量浓度为37.48 mg/L,明显低于淮南煤田东部潘谢矿区和淮北煤田二叠系砂岩水。主要水-岩作用为蒸发岩(氯盐岩和硫酸盐岩)和硅酸盐岩矿物溶解,存在阳离子交替吸附作用。由于边界阻水断层切割,二叠系砂岩含水层四周均为相对隔水边界,且埋藏较深,富水性弱,水动力条件较差,形成了一个封闭–半封闭的水文地质单元,具有较强的硫酸盐还原环境,有利于硫酸盐细菌还原,脱硫酸作用明显,导致δ^(34)S升高,砂岩水硫酸盐含量偏低。研究成果可为类似条件矿区涌突水水源识别提供依据。

杨家岭页岩微宏观下物理力学特征研究

杨家岭中采区北坡高程150 m处有滑坡,由此造成的破坏变形给安全生产带来极大影响。滑坡岩石为孤峰组页岩,为探究岩石宏微观破坏机制,利用X射线粉晶衍射、扫描电镜、MTS816型电液伺服控制试验机等对其进行研究。试验结果表明:研究区页岩主要由碎屑矿物石英和黏土矿物伊利石、少量绿泥石和高岭石组成,岩石具有一定吸水性;微观下,页岩内部整体为片状结构,含有直径约0.61~4.01μm的孔洞,长度约1.09~2.95μm的原生裂纹;单轴压缩下,岩石抗压强度与弹性模量随着加载速率的增大,而成指数关系增大,在低加载速率下,页岩有明显的屈服阶段,且破坏形式为脆性张拉破坏;三轴压缩下,页岩抗压强度平均下降了15.31%~20.40%、黏聚力下降了16.57%左右,围压能够提高饱水页岩的抗压强度,其主要发生脆性剪切破坏,且破坏倾角约为67.38°;岩石损伤强度和峰值应变受围压影响最为明显,其强度受围压敏感程度依次为损伤强度>峰值强度>起裂强度。研究结果表明:研究区页岩矿物成分和微观结构可能是诱发其宏观破坏的主要原因。

高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构关键技术:以安徽淮北绿金湖为例

以两淮高潜水位矿区为代表的我国东部大量采煤沉陷积水区的形成,严重影响了煤炭资源型城市的可持续发展,特别是城中采煤沉陷区水土资源撂荒、生态系统紊乱、人居环境恶化已成为制约城市建设的三大瓶颈,严重阻碍了经济社会发展和生态文明建设。为解决煤炭资源型城市生态修复与可持续发展问题,通过分析高潜水位采煤沉陷区地表沉陷积水演化规律和生态损害特征,基于开采沉陷原理和“采复一体化”理论,提出了地表沉陷积水动态预测方法,构建了沉陷区地形改造分区重构数学模型;研发了沉陷区边采边复施工、水循环与水资源调控、建筑分区设计、水土流失控制与基质改良、水陆复合生态系统重构等关键技术;探索了城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化治理新模式,并以淮北绿金湖沉陷区为工程背景,开展了工程实践。研究表明:①融合Knothe时间函数和水量平衡模型参数,可实现开采任意时刻地表沉陷积水深度、积水面积、积水体积和最大库容的精准预测,最大相对误差为9.7%;②依据土方量平衡条件,建立了采前地形重构数学模型,将沉陷治理区划分为以地表沉陷盆地中央为中心、两侧对称的中央挖深、边界垫浅4个特征区域,土地闲置时间由14个月缩短至8个月,为高潜水位采煤沉陷区“挖深垫浅”超前治理提供了理论依据;③研发了环保疏浚退水及人工湿地尾水处理系统、底泥一体化机械深度干化系统、高填筑围埝多级装配式退水系统等成套施工关键技术,退水效率提高了17%,节约排泥场面积5260 m^(2);④提出了“平整地建筑-斜坡地水土保持-浅水区水生植被-深水区生态渔业”沉陷区分区治理技术,实现了沉陷区水土资源的100%高效利用;⑤与引江济淮、生态走廊、绿金城市等重大民生工程相结合,探索了集市场运作、科学修复、可持续运营于一体的沉陷区综合治理新模式,为城中采煤沉陷区生态环境治理和可持续发展提供了理论依据和技术参考。

基于自然电位的充填裂隙溶质运移特征试验研究

为精细描述充填裂隙溶质运移过程及其特征,设计加工了充填裂隙溶质运移试验模型,开展了不同流速条件下溶质运移试验,研究了充填裂隙溶质运移特征,结合不同测点自然电位(SP)实时动态监测数据,研究充填裂隙内部溶质运移过程。结果表明:1)在试验流速0.0733~0.9630 mm/s范围内,充填裂隙渗透系数为1.85 mm/s,与充填多孔介质渗透系数1.79 mm/s较为接近,水流符合达西定律。2)试验过程中,水流实际平均流速为0.247、0.431、0.661 mm/s时,取样口处溶质峰值浓度分别为5.14、5.50、5.78 g/L,溶质初始到达和峰值到达时间均减少,其中初始到达时间分别为4640、2640、1560 s,峰值到达时间分别为5480、3360、2040 s。3)3种水流实际流速条件下,溶质运移过程中SP响应呈现出相似特征,沿水流方向从1^#到6^#测量电极处峰值SP绝对值逐渐减小,且峰值前SP响应曲线陡峭程度逐渐降低;此外,溶质弥散前锋与溶质弥散峰值浓度点随水流动均呈匀速运移状态,其中溶质弥散前锋相应的平均流速分别为0.214、0.396、0.685 mm/s,溶质弥散峰值相应的平均流速为0.189、0.347、0.571 mm/s。4)基于峰值SP计算的水流实际平均流速与采用溶质峰值浓度计算结果基本一致,但基于峰值SP计算结果更接近实际平均流速(流量计算结果),准确度提高1.5%;随着流速不断增加,采用峰值SP计算的宏观平均流速误差降低9.9%。5)试验发现,与峰值SP值相比,采用初始SP值计算的充填裂隙水流宏观平均流速更接近由流量数据计算的水流宏观平均流速。

基于AHP-模糊综合评价法的地质实习成绩评定方法构建

本研究通过层次分析法(AHP),从实习原始记录、实习表现、实习考试和实习报告四个方面入手,构建地质实习成绩评价体系,确定各指标权重,运用模糊运算实现实习成绩的综合客观评价。结果表明,利用AHP-模糊综合评价法得出的实习成绩,能够对学生的实习进行更加客观、科学、合理的评价,且对教师教学成果的检验和教学水平的提高有重要的保障作用。

不同冷却方式对花岗岩力学损伤特征影响

通过开展高温作用后的花岗岩在自然冷却与遇水冷却2种条件下的巴西劈裂声发射监测试验,研究了花岗岩不同冷却方式下的物理力学性质、声发射(AE)特征及其内部矿物和微观结构特征变化规律。研究结果表明:在2种冷却方式下花岗岩的抗拉强度、P波波速、弹性模量以及泊松比均随温度的升高而呈现下降的趋势,且遇水冷却时下降幅度更大,其中在500~600℃时由于石英发生相变,使得花岗岩的物理力学性质发生显著变化;花岗岩破坏过程中振铃计数特征、能量演化特征以及声发射b值变化规律与应力曲线的各个阶段基本吻合,遇水冷却时的声发射活动性更强且声发射b值低于自然冷却时的试样,表明遇水冷却时花岗岩主要以大尺度裂纹破坏为主;花岗岩在低温时呈拉伸式破坏,中温时呈现拉伸剪切混合破坏,高温时以拉伸破坏为主,且遇水冷却时试样破坏模式更复杂;高温加热后的花岗岩主要矿物成分未发生明显变化,其中长石和石英含量的变化较为明显;2种冷却方式下花岗岩内部微裂纹(沿晶裂纹、穿晶裂纹、脱离缺陷)的数量、张开度、扩展范围、连通性以及延伸长度均发生明显变化,以高温时遇水冷却的试样损伤程度最为严重,且随着加热温度的不断升高,内部裂纹不断增加,花岗岩的损伤程度也逐渐变大;高温花岗岩快速冷却的损伤机制主要是脱水作用、矿物相变以及热应力的综合作用,本质特征是热应力导致的微裂纹对岩石的弱化作用。

安徽淮北临涣矿区地表水水化学及硫氢氧同位素组成特征

以淮北临涣矿区为研究对象,系统的采集了研究区河水、沉陷区积水和矿井排水等共23个水样,分析测试其常规水化学指标及氢氧硫同位素特征值。采用Piper三线图、Gibbs图与线性回归分析等方法,探讨了研究区不同类型地表水水化学组份特征及影响因素、SO_4^(2-)来源等问题。结果表明:研究区地表水TDS含量较高,属高矿化度水质类型,阳离子主要为Na^+和Ca^(2+),阴离子主要为HCO3-与SO_4^(2-),其中浍河河水水化学类型主要为Na^+-Ca^(2+)-HCO_3^-型,沉陷积水主要为Na^+-Cl^--SO_4^(2-)型;研究区河水和沉陷区积水SO_4^(2-)含量较高,平均值分别为412. 90 mg/L和490. 61 mg/L,河水中SO_4^(2-)主要来源于蒸发岩溶解、废水排放,沉陷区积水SO_4^(2-)来源于河水补给及矿井排水的影响;地表水的δD和δ^(18)O值变化范围为-55. 3‰～-29. 3‰和-7. 2‰～-2. 6‰,均落在大气降水线下方,表明其受到不同程度蒸发作用,河水、沉陷积水主要补给来源是大气降水; Gibbs图分析结果表明河水离子组成主要受岩石风化的控制,而沉陷区积水主要受蒸发作用影响。

淮南新集矿区主要充水含水层水化学特征及成因

为探明新集矿区深层地下水离子组成及其演化特征,采集了研究区砂岩水和太灰水等共20个水样,测试分析常规离子和氢氧同位素数据,采用Piper三线图、相关性分析、离子比例系数与饱和指数等方法,探讨了研究区深层地下水水化学特征及其成因。结果表明:(1)研究区砂岩水为高矿化度水,平均矿化度为2743.73mg/L,水化学类型主要为Cl-Na型,太灰水多为中矿化度水,平均矿化度为1468.33mg/L,水化学类型主要为HCO3·Cl-Na型和Cl-Na型;(2)研究区地下水的补给不仅有大气降水和地表水,还有古气候条件下形成的古溶滤-渗入水,且由于矿物质与深层地下水的水岩作用使得氧同位素发生漂移;(3)含水层中主要发生的水岩相互作用有硅酸盐和蒸发盐岩的溶解及阳离子交替吸附作用,盐岩和石膏在研究区地下水中是反应性矿物,白云石和方解石的溶解在矿区地下水中呈过饱和状态。

基于PMF和PCA-APCS-MLR模型的煤矿区地下水多环芳烃分布特征及来源解析

为明确典型矿业活动区浅层地下水多环芳烃(PAHs)污染特征及来源,通过水样采集与测试分析,综合采用多元统计分析方法、正矩阵因子分解(PMF)和绝对主成分得分-多元线性回归(APCS-MLR)模型,研究了某煤矿区地下水中PAHs的分布特征与影响因素、污染来源及贡献率。结果表明:研究区地下水中PAHs的总浓度为12.65~127.08 ng/L,平均值为70.99 ng/L。PAHs总体分布呈现中南部高四周低的特征,主要受矿业生产活动、地下水流向和径流强度影响。利用PMF和APCS-MLR两种模型均识别出4个污染源,每个潜在污染源的主要负荷种类相似。PMF中观测值与模型预测值之间的R^(2)为0.60~0.99,PCA-APCS-MLR中R^(2)为0.51~0.91。研究区地下水中PAHs主要来源为煤炭燃烧源、石油源/生物质燃烧源、炼焦排放源、交通排放源,前两者总贡献率超过60%。研究结果可为研究区地下水资源绿色开发与保护提供一定依据。

基于客观组合权-改进集对分析模型的矿井突水水源识别

矿井水害事故的发生对煤矿的安全开采带来很大的影响,快速准确地识别突水事件中所涉及的水源,是预防和解决矿井水害的关键手段之一。基于客观组合权和集对分析理论,针对矿井突水水源识别问题,以东滩矿4个含水层中的40个水样为识别样本,选取Na^(+)+K^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)和HCO_(3)^(-)共6项水化学指标作为识别因子,构建了矿井突水的水源识别模型,并利用该模型对10个检验样本进行水源识别。结果表明:客观组合权既避免了主观赋权法的主观随意性的缺点,又弥补了单一客观赋权法带来的片面性较强的不足,能合理地对识别指标进行权重赋值。Ca^(2+)和Mg^(2+)的权重明显高于其他离子,分别为0.28和0.25,二者的权重之和占比达53%,说明这2个指标在突水水源识别中起主要作用。利用客观组合权-改进集对分析模型对10个检验样本进行识别,准确率达到90%,说明该模型在矿井水源识别中具有一定的参考价值。模型出现误判的原因可能是误判水样取样钻孔位于断层附近,断层切割侏罗系红层水含水层与二叠系砂岩水含水层,是具有一定导水能力的天然通道,导致水样与砂岩水含水层存在一定的水力联系并发生了混合。建议在后续工作中应收集和监测各种含水层的水样数据,及时应用新的水样数据对模型进行修正,为提高模型的识别准确率奠定基础。

淮南采煤沉陷区积水水文地球化学及氢氧稳定同位素特征

以安徽淮南采煤沉陷积水为研究对象,通过样品采集与测试,研究不同沉陷年限及类型积水水文地球化学和氢氧稳定同位素组成特征及影响因素.结果表明:(1)研究区水化学类型主要为Cl-Na、HCO_(3)·Cl-Na型,沉陷积水中常量离子主要来源于蒸发岩溶解和硅酸盐风化,受蒸发作用和人为活动的影响明显,水化学组成随沉陷时间和类型变化不大.(2)淮南大气降水线方程为:δD=8.85δ18 O+18.73,沉陷区积水氢氧稳定同位素值在淮南大气降水线右下方依次分布并接近降水线,表明沉陷积水主要来源于大气降水.(3)在降水稀释、水体蒸发及地下水补给的作用下,随着沉陷年限的增加,积水中重同位素越来越贫化,同一年限不同类型的积水同位素值变化较小.

淮南采煤沉陷区积水重金属健康风险评价

为研究淮南采煤沉陷区积水中重金属对人体产生的潜在健康风险,对9个矿19个沉陷水域进行采样,测试5种重金属(Cd、Cr、Pb、Ni、Zn)含量,采用美国环境保护局(USEPA)推荐使用的健康风险评价模型,对其进行健康风险评价。研究结果表明:采样水域5种重金属年平均离子浓度由大到小依次为:Zn>Cr>Ni>Pb>Cd,重金属的分布影响因素可能与农药化肥的使用、工业废水的排放、汽车尾气中重金属的大气沉降、渔业养殖以及采煤活动等因素有关;重金属的健康风险值总体随季节变化,呈现出丰水期小于枯水期的特点;该区域沉陷积水的重金属致癌风险整体较为安全,但化学致癌物(Cr)的健康风险值超出其他4种重金属4~8个数量级;5种重金属的健康风险平均值排序为:Cr>Cd>Pb>Zn>Ni,其中,Cd的致癌风险值及Pb、Zn、Ni非致癌风险值均低于最大可接受风险值5.05×10^(-5)a^(-1)。

唐家会矿奥灰水害区域治理试验工程及防控技术

唐家会煤矿主采6煤层底板受奥灰岩溶水威胁严重,是准格尔煤田中采深最大、水压最高的矿井,为消除底板奥灰水害威胁,对唐家会矿61207工作面开展地面区域治理试验工程。结果表明:定向钻孔过程中多次发生漏失和失返现象,注浆工程中吃浆量大,钻探和注浆的效率低,采用地面区域治理方式防治底板奥灰水害费用高、工期长,难以满足工作面生产接续成本控制的需要。经综合对比分析得出,现阶段矿井奥灰水防治宜采用“工作面内部井下定向钻底板探查加固”与“工作面外部地面定向钻断层带治理”相结合的防治水技术路线。

基于组合权-改进灰色关联度理论的矿井突水水源识别

基于组合权和改进灰色关联理论,针对潘谢矿区4个含水层中提取的35个学习样本,建立了矿井突水水源识别模型,并利用该模型对7个检验样本进行了水源识别。结果表明:相同含水层的学习样本和检验样本中Na^(+)+K^(+),Ca ^(2+),Mg ^(2+),Cl^(-),SO_(4)^(2-)和HCO_(3)^(-)等6项化学指标值的含量变化趋势更为接近,符合灰色关联理论。组合权重综合考虑了主客观权重,避免人为因素的干扰,同时考虑了识别指标的实际情况。组合权方法计算的6项识别因子中,Ca ^(2+),Mg ^(2+),HCO_(3)^(-)的权重分别为0.231,0.383,0.203,且3者的权重值相加占总值的81.7%,说明3项指标在矿井突水水源识别中起主要作用。采用建立的组合权-改进灰色关联度模型对7个检验水样进行识别,除1个水样外,其余均与实际结果一致,识别准确率达到86%,表明该模型在矿井水源识别中具有一定的适用性。

潘谢矿区深部灰岩水离子来源解析与水循环示踪

采集潘谢矿区太灰水和奥灰水共28个水样,通过Piper三线图、因子分析、离子比例系数及氢氧稳定同位素分析,研究矿区深层灰岩地下水离子成分特征及其来源,揭示水岩相互作用与水循环。结果表明:①研究区太灰水为低矿化度水,水化学类型主要为HCO3-Na型和Cl-Na型;奥灰水为高矿化度水,水化学类型主要为Cl-Na型;两含水层为碱性水,常规离子变异系数较小,水环境较为稳定;②太灰水中Na+不仅来源于蒸发岩的溶解,还来源于硅酸盐矿物的风化作用,奥灰水中水岩交互作用以蒸发岩溶解为主;两含水层均发生了阳离子交替吸附作用,太灰水的交替吸附比奥灰水强烈;③太灰水和奥灰水主要源于暖季大气降水的入渗补给,氘盈余均低于全球大气降水氘盈余平均值(10‰),蒸发作用不强烈,空气相对湿度高。

淮南顾桥与新庄孜采煤沉陷区土壤镉的差异性研究

对淮南顾桥和新庄孜采煤沉陷区土壤进行采样测试,研究沉陷区土壤中镉的分布及沉陷时间和矸石充填对土壤中镉分布的影响。研究结果表明,受长期的累积作用和下伏充填矸石的影响,新庄孜矿表层土壤中总镉含量是顾桥矿的9.37倍。顾桥矿区土壤镉含量从土壤表层向下呈现出先降低后增加的趋势。受淋滤作用和地形控制,新庄孜充填复垦区土壤中镉含量随深度变化呈现两种变化趋势,一是地势高处先降低后增高,二是地势低处先增加再降低。

淮南采煤沉陷区表层沉积物稀土元素地球化学特征

稀土元素由于其独特的化学特征被广泛应用于环境地球化学分析过程研究。以淮南采煤沉陷区表层沉积物中稀土元素(REEs)为研究对象,采集研究区潘一、顾桥、谢桥沉陷区的表层沉积物样品共12个,采用ICP-MS对样品的稀土元素含量进行测试分析,探讨了表层沉积物中稀土元素的含量分布特征、控制因素及其物质来源。结果表明:研究区表层沉积物中稀土元素含量为54.63~130.45μg/g,平均102.60μg/g;LREE/HREE比值为11.89~20.55,平均14.29,轻稀土呈现明显富集现象;相关性分析结果显示,REEs趋向于黏土组分中富集;研究区养殖和捕捞活动导致表层沉积物中稀土元素含量的降低;球粒陨石标准化结果表明,研究区稀土元素呈现不同程度的La和Gd正异常,其中,Gd正异常主要是受到燃煤的影响,而La正异常主要与燃煤和化肥有关。结合Pearson相关性、球粒陨石标准化和(La/Yb)_(N)-(La/Sm)_(N)-(Gd/Yb)_(N)三元图判别,认为研究区水体表层沉积物中稀土元素与人类活动(燃煤和化肥)有关,研究认识为污染物的源头控制和煤矿区环境的生态治理提供参考依据。

潘谢矿区灰岩地下水水化学特征与成因分析

灰岩水是潘谢矿区的主要充水水源,对煤田的开采具有潜在的水害威胁。本文采用Piper三线图、饱和指数及离子比例系数分析了灰岩水水化学特征。结果表明:潘谢矿区灰岩水为弱碱性水,阳离子以Na+离子为主,太灰水水化学类型以Cl-Na为主,奥灰水水化学类型多为Cl-Na和Cl·HCO3-Na;岩盐溶解是潘谢矿区灰岩水形成Cl-Na型水质的主要原因,奥灰水HCO3-来源于方解石和白云石,Na+因交替吸附作用而成为主要阳离子。