Evolution and coupling of “seepage field and chemical field” under regional grouting disturbance
-
摘要:
在淮北煤田普遍采用地面定向钻高压注浆技术治理煤系底板岩溶水害。注浆后渗流场补径排路径发生变化，且注浆实施中注浆高压以及浆液析水会在一定时期内改变受注目标含水层地下水渗流场和化学场的分布特征。以淮北煤田桃园煤矿为研究对象，利用Feflow软件，构建了区域注浆扰动下目标层渗流场与化学场（简称“双场”）演化模型，探讨了“双场”耦合机制，选择受环境影响较小的Cl−为模拟因子，开展了“双场”耦合作用下溶质运移影响因素分析，在此基础上构建了区域注浆扰动下溶质扩散预测模型。研究结果表明：识别验证后渗流场模型中，模拟水位与实测水位误差小于3 m的点占71.9%，模拟效果较好；识别验证后化学场模型中，Ⅱ4采区溶质运移模拟效果较好，Ⅱ1采区模拟值偏低约14.4 mg/L，误差约为实际值的6.6%，低于10%，总体模拟效果较好。渗透系数相对较大的Ⅱ4采区和Ⅱ2采区Cl−较容易运移扩散；而渗透系数较小的Ⅱ1采区岩石致密，渗透性较差，模型运行50 a期间，其基本以“滞水”状态存在。基于注浆扰动下Ⅱ4采区局部渗流场演化特征，认为溶质运移主要受渗透系数、弥散度、水力梯度、渗透流速、注浆时间、浆液相对密度等参数控制，并发现在注浆结束后18～22 a Cl−质量浓度达到峰值，随后Cl−质量浓度开始降低，约在40 a后达到区域注浆之前的平衡状态。基于多次设参运行获得数据，建立了“双场”耦合作用下溶质扩散的预测模型，误差率小于10%的数据占比达81.4%，说明所建立的溶质扩散预测模型基本可靠。研究可为区域注浆扰动下受注目标含水层水环境演化研究以及煤矿水害预测预警提供科学依据，具有重要的理论和实践意义。
-
关键词:
- 区域注浆扰动 /
- 渗流场−化学场耦合模型 /
- 溶质运移 /
- 数值模拟 /
- 底板水害
Abstract:In Huaibei coalfield, the technology of ground directional drilling and high-pressure grouting is widely used to control the karst water disaster of coal measures floor. After grouting, the filling and drainage path of the seepage field changes, and the grouting high pressure and the slurry water will change the distribution characteristics of the groundwater seepage field and chemical field of the injected target aquifer in a certain period of time. Taking Taoyuan Coal Mine in Huaibei Coalfield as the research object, the evolution model of seepage field and chemical field (referred to as “double field”) of the target layer under regional grouting disturbance is built by using the software of Feflow, the coupling mechanism of “double field” is discussed, and the Cl− which is less affected by the environment is selected as the simulation factor, and the analysis of the factors affecting solute transport under the “double field” coupling effect is carried out. On this basis, the mathematical model of solute diffusion under regional grouting disturbance is constructed. The results show that in the seepage field model after identification and verification, 71.9% of the points where the error between the simulated water level and the measured water level is less than 3m, and the simulation effect is good; Among the identified and verified chemical field models, the simulation effect of solute transport in mining area II4 is good, and the simulation value in mining area II1 is about 14.4 mg/L lower, with an error of about 6.6% of the actual value, less than 10%. The overall simulation effect is good. The Cl− in mining area II4 and II2 with relatively high permeability coefficient is easy to migrate and diffuse, while the rock in mining area II1 with low permeability coefficient is dense and has poor permeability. During the 50 years of model operation, it basically exists in the state of “stagnant water”. Based on the evolution characteristics of local seepage field in II4 mining area under grouting disturbance, it is considered that solute transport is mainly controlled by permeability coefficient, dispersion, hydraulic gradient, seepage velocity, grouting time, slurry specific gravity and other parameters. It is found that the concentration of Cl− reaches a peak within 18−22 years after the completion of grouting, and then begins to decrease, and reaching the equilibrium state before regional grouting approximately 40 years later. Based on the data obtained from multiple parameter setting operations, a mathematical model of solute diffusion under the “double field” coupling is established. The data with error rate less than 10% accounts for 81.4%, which indicates that the established mathematical model of solute diffusion is basically reliable. This study can provide scientific basis for the study of the water environment evolution of the injected target aquifer under the regional grouting disturbance and the prediction and early warning of coal mine water disasters, and has important theoretical and practical significance.
-
0. 引 言
煤的溶剂萃取是基于相似相溶原理，根据煤中有机化合物在溶剂中溶解度或分配系数的差异，将部分小分子溶离煤体，达到煤结构的主体和客体分离，以之研究煤的组成、性质和构建结构模型[1-2]。通过溶剂萃取可以分析萃取物与萃余物的化学组成和结构，推断煤的化学结构特征，同时也可以了解煤中小分子化合物的组成与结构[3-4]。萃取过程中，从溶剂扩散渗透-交联键断裂，再到网络结构打开，以及有机质溶解过程等各个环节均可影响萃取速率及萃取率[5-6]。郝宗超等[7] 利用四氢呋喃对褐煤、长焰煤等不同煤级煤进行了萃取试验，探讨了不同时间段内各类煤的萃取率、族组成和化学组成的差异及实质；张硕等[8]运用X射线衍射技术探讨了煤样萃取前后的微晶结构的变化规律，发现溶剂萃取率随着煤体破坏程度的增强而增大。
为了进一步提高煤的萃取率，近些年来采用酸、碱溶剂脱除煤中矿物质以改善煤的萃取性能的研究逐渐增多。胡光洲等[9]用HCl对富蜡褐煤进行处理，发现酸处理能提高煤样萃取率，溶剂极性越大，萃取率提高越明显，且脱灰率随粒度增大呈先减小后增加的趋势，其中粒径为1~3 mm时脱灰率最低；张薇等[10]采用不同类型酸溶剂对榆林煤进行处理，发现煤中绝大多数含Ca和K元素的碱金属矿物被脱除，含Si的矿物质元素脱出效果较差，且酸处理后煤中的羟基官能团含量下降，而羧酸和酚羟基含量相对增加；马亚亚等[11]研究了酸化处理对煤样主体结构及萃取性能的影响，发现矿物质脱除后，煤的溶剂萃取率明显提高，其中CS2溶剂萃取率提高幅度最大，提高了近50%。LI等[12]对煤样进行酸化处理后，分别使用N-甲基-2-吡咯烷酮和非极性1-甲基萘萃取煤样，发现酸的类型和质量分数与煤样的抽提率紧密相关，且煤样酸化处理后，可在较低的温度和较短的时间内获得较高的抽提率。
以往关于矿物质脱除后对煤的溶剂萃取行为研究，多是采用单一或混合的纯溶剂，对低阶煤进行试验研究，针对中、高阶煤的相关试验研究较少，且纯溶剂成本较高，势必会影响煤的清洁、高效利用。四氢呋喃具有低毒、低沸点及流动性好等特点，对有机物具有良好的溶解性，价格低廉，被广泛地应用于煤中小分子相的萃取和分离中作反应性溶剂。故本次研究以中等变质程度的焦煤为研究对象，开展不同质量分数的溶剂（THF）在不同温度下对酸化处理后的煤样萃取试验，探讨时间、温度、矿物质、溶剂质量分数对煤萃取行为的影响机制，以期促进煤中有机组成和结构认识的理论研究，为煤的高效清洁利用提供借鉴。
1. 样品与试验
1.1 样品准备
煤样采自山西省古交矿区井下新鲜工作面，煤类为中等变质程度的焦煤，具有较强的粘结性，煤化度较高，加热时可以产生热稳定性较好的胶质体，是炼焦的好原料。为表述方便，酸化处理前、后的煤样分别简称RC、DC。
1.2 试验方法
酸化预处理时，按照1 g煤粉配比10 mL盐酸（ HCl）溶液的比例进行配比。称量100 g煤样放入2000 mL烧杯中，并加入5 mol/L的HCl溶液1 000 mL，搅拌24 h后静置1 h，移去上层液体，对下层煤样用去离子水重复洗涤, 直至滤液pH值至中性，随后真空干燥12 h得到去碳酸盐的脱灰煤样。依据相同方法，在100 g去碳酸盐煤样中加入质量分数40%的HF 1 000 mL，进行搅拌、洗涤、抽滤、干燥等试验处理，得到去硅酸盐的试验样品干燥备用。
分别称取4组原煤煤样和酸化煤煤样，每组25 g。按照1 g煤粉配比10 mL溶剂的比例，分别加入4种不同质量分数比例（25%、50%、75%、100%）的THF溶剂250 mL，在25、35、45 ℃条件下进行磁力搅拌萃取试验。萃取过程中按照一定的时间段（8、24、48、72、96、120 h）分批次处理，连续萃取120 h。萃取结束后将萃取液用离心机进行离心、过滤、浓缩、干燥至恒重，计算萃取率。
GC-MS测试使用美国HPGC7890/MS5975型气相色谱/质谱联用仪进行组分分析。仪器参数设置：进样量为0.4 uL，进样口温度和质谱接口温度均为250 ℃，毛细管柱为DB-5MS 30 m×0.25 mm×0.25 μm、载气为高纯He，不分流模式，流速为1.0 mL/min，离子源温度为230 ℃，电离方式EI，离子能量70 eV，质量扫描范围为35~550。通过比对 NIST11 谱图库，由匹配度和质谱峰位置确定化合物的种类；通过峰面积由标准曲线法可得各化合物相对含量。
2. 试验结果分析
2.1 工业分析、元素组成
原煤及酸化煤的元素组成和工业分析结果见表1。由表1知，煤样经酸化处理处理后，灰分产率、固定碳含量减少，其中灰分产率由15.23%降至0.43%，减少率高达97.2%；挥发分含量相对增加，增加率为8.92%，煤中水分含量几乎保持不变。经酸化处理后的煤样C、H元素略有下降，分别降低了2.5%、6.89%；O、N、S元素含量均有所增大，其中O元素含量变化最为显著，由12.37%增至14.71%。原因在于实验用酸为HCl、HF，脱除了大部分的碳酸盐岩和含硅铝酸盐的黏土类等主要矿物，灰分含量大大下降导致固定碳含量相对增加。而在酸性条件下，烷基醚类的有机质会发生取代反应，使得挥发分相对含量略有降低，C、H元素的相对含量略有下降[13]。而HF强氧化性促使部分有机质被氧化，增加了煤样中的O元素含量。
表 1 煤样的元素及工业分析Table 1. Ultimate and proximate analyses of coal samples样品 元素分析/% 工业分析/% 黏结
指数C H O N S Mad Ad Vdaf FCdaf RC 81.10 4.79 12.37 1.32 0.42 0.82 15.23 17.81 66.25 85 DC 79.05 4.46 14.71 1.34 0.44 0.85 0.43 19.40 80.17 97 2.2 萃取率
煤样溶剂萃取率计算公式为
$$ w = \frac{{{m_1}}}{{[100 - {A_{{\text{ad}}}} - {M_{{\text{ad}}}}] m/100}} $$ 式中：
$w$ 为萃取率，%；$ {m}_{1} $ 为萃取物重，g；$ w\left({A}_{\text{ad}}\right) $ 为空气干燥基灰分含量，%；$ w\left({M}_{\text{ad}}\right) $ 为空气干燥基水分，%；$ m $ 为煤样的质量，g。酸化前后经不同质量分数THF萃取后的焦煤总萃取率如图1所示。
![]()
图 1 酸化前后不同质量分数THF抽提后焦煤的抽提率Figure 1. Extraction rate of coking coal with different concentrations of THF before and after deashing随着萃取温度的增加，原煤、酸化煤的萃取率呈增大的趋势，且原煤、酸化煤在萃取温度为45 ℃时，萃取率随着溶剂质量分数的增大而不断增大，当萃取温度为25、35 ℃时，原煤萃取率随溶剂质量分数的增大呈不断增大的趋势，但酸化煤萃取率呈先增大再减小的趋势，当THF质量分数为75%时萃取率最大，分别为0.61%、1.21%。当THF质量分数分别为25%、50%、75%时，酸化煤萃取率均显著高于原煤，但当THF质量分数为100%时，酸化煤萃取率均低于原煤。对比不同THF质量分数下酸化煤与原煤萃取率的差异可知：随着THF质量分数的增加，酸化煤与原煤萃取率差异性不断减小。试验温度分别为25、35、45 ℃，在不同THF质量分数（25%、50%、75%）下，酸化煤萃取率比原煤分别增加了275%、120%、45%，147%、83%、81%，26%、24%、16%。可见酸化处理有助于促进煤样的萃取，随着THF质量分数的增加，酸化煤与原煤萃取率之间的差异性也在不断减小。
在萃取温度相同情况下，焦煤酸化前后经不同质量分数THF萃取后各时间段萃取率表明（图2），原煤及酸化煤的萃取率与萃取时间非正相关，但随着萃取时间的增加，原煤萃取率呈现先增加后减小再增加的波动变化趋势，而酸化煤呈现先增大再减小的变化趋势。且在THF非纯溶剂中，当试验温度为25、35、45 ℃时，原煤萃取率达到最大值所需萃取时间分别为72、120、96 h，但酸化煤所需时间分别为48、48、96 h，可见酸化处理可极大改善煤的萃取效果，使其萃取时间大幅度缩短。
![]()
图 2 不同质量分数THF萃取酸化前后焦煤各时间段萃取率Figure 2. Extraction rate of coking coal before and after extraction and acidification with different concentration of THF在等质量分数的THF作用下，酸化前后焦煤在不同温度下的累计萃取率呈现不同特征（图3）。在3种不同的试验温度下，原煤萃取率增幅均呈现缓慢增长的变化趋势，其中煤样在100%THF中的萃取率增幅变化趋势最大。而酸化煤的萃取率在25、35 ℃时均呈现出先急速增大再缓慢增加的趋势，且萃取率增幅变化时间点都在48 h，即在0~48 h段，酸化煤萃取率增幅较大，48 h后，萃取率增幅开始减小，呈缓慢增加的趋势；在试验温度为45 ℃时，酸化煤萃取率呈缓慢增加的趋势，且煤样在75%THF中的萃取率增幅变化趋势最大。
![]()
图 3 不同质量分数THF萃取酸化前后焦煤的累计萃取率Figure 3. Cumulative extraction rate of coking coal before and after extraction and acidification with different concentrations of THF由图4可知，各质量分数THF中，原煤及酸化煤萃取率曲线趋势基本一致。随着试验温度的升高，原煤及酸化煤萃取率呈先增加后减小的趋势，在35 ℃时萃取效果最好，萃取率分别为0.94%、1.21%，其中酸化煤在35 ℃的萃取优势极为显著，在0~48 h段，其萃取率增长幅度远大于25、45 ℃时的萃取率增幅。另分析50%THF曲线发现，当试验温度为25 ℃时，原煤萃取率增幅变化极小，萃取率缓慢增加，未出现突变点；当试验温度为35 ℃时，出现了24 h和72 h两个变化点，萃取率先呈凸型增加趋势缓慢增加，在72 h后呈凹型增加趋势增长；当试验温度为45 ℃时，萃取率增幅呈先减小再增大的波动性变化趋势。而酸化煤25 ℃对应的萃取率曲线几乎与45 ℃的曲线重合，萃取率增幅在48 h后开始减小；在试验温度为35 ℃时，酸化煤萃取率增幅变化显著，变化点同时出现在48 h，在0~48 h段，萃取率增幅大于原煤萃取率增幅，48~120 h段，萃取率虽高于原煤，但萃取率增幅低于原煤。
![]()
图 4 不同温度下THF萃取酸化前后焦煤累计萃取率趋势Figure 4. Trend chart of cumulative extraction rate of coking coal before and after THF extraction and acidification at different temperatures2.3 萃取物组成
当试验温度为25 ℃时，所测各煤样的萃取物主要化合物成分见表2、表3。由表2可知，原煤萃取物中，含有11.18%~36.36%的正构烷烃，2.04%~22.54%的支链烷烃，6.10%~18.66%的酯类等物质。其中100%THF萃取物中正构烷烃含量最高；25%THF萃取物中支链烷烃占比最高；醇类物质在25%THF中相对含量较高，占总含量的3.03%。而酸化煤萃取物主要以直链烃为主，其中25%THF、50%THF、75%THF、100%THF萃取物中直链烃相对含量分别为88%、82.96%、91.92%、89%，且碳原子数越来越集中于C15~C22。由此可知，焦煤中的脂肪烃和芳香烃类物质部分碳原子数在C15~C22，且以直链烃结构为主。其次，原煤萃取物主要由脂肪烃、芳香烃和含杂原子化合物组成。杂原子化合物相对含量占总含量的82.95%~96.55%。酸化煤萃取物主要由杂原子化合物和脂肪烃组成。脂肪烃相对含量为90.68%~95.08%，是原煤萃取物中脂肪烃含量的5~26倍，主要包括二十烷、二十二烷、二十三烷等直链烃；杂原子化合物仅占总含量的4.92%~9.32%。结合图5发现，酸化煤萃取物种类较原煤萃取物大大减少，随着THF质量分数的增加，原煤萃取物中化合物种类数量不断减少，酸化煤呈先增大后减少的趋势，整体差异性较小。
表 2 RC萃取物中主要化合物相对含量Table 2. Main compounds in coal extract of RC化合物 相对含量/% 化合物 相对含量/% 25%
THF50%
THF75%
THF100%
THF25%
THF
50%
THF75%
THF100%
THF1-碘十三烷 3.81 3.84 — — 二十七烷 — — — 5.35 甲基环己基二甲氧基硅烷 3.45 3.58 — 3.87 三乙基磷酸酯 — 7.86 — 4.70 4-乙基十四烷 4.46 1.24 — — 十九烷 — — 0.79 4.28 1,3-二氯丙烷 2.70 — 7.79 — 9-辛基十七烷 1.92 1.28 0.09 2.57 庚烷 10.41 16.71 7.56 16.08 二乙胺 — 11.86 49.99 6.80 2,4-二叔丁基苯酚 4.71 4.35 1.71 — 1-环丙基乙醇 13.82 — — — 3-乙基二十四烷 0.32 1.78 0.69 1.12 3-甲基曲金刚烷 0.64 — 0.12 0.19 表 3 DC萃取物中主要化合物Table 3. Main compounds in the extract of DC化合物 相对含量/% 化合物 相对含量/% 25%
THF50%
THF75%
THF100%
THF25%
THF50%
THF75%
THF100%
THF2-甲基十七烷 24.25 7.06 — — 3-甲基十八烷 1.32 6.69 — — 2-甲基十八烷 10.19 8.85 0.09 0.09 丙烷 0.72 1.46 — — 2-甲基十五烷 3.00 — — — 二十烷 — 3.22 26.40 6.74 3-甲基十七烷 1.83 3.41 1.43 — 十九烷 3.12 26.80 3.11 0.90 2-甲基十六烷 9.66 3.62 2.74 — 己烷 — — 2.69 0.76 3-甲基十五烷 5.11 — — — 十六烷 6.13 — — — 二十三烷 — — 6.79 — 二十二烷 — 0.62 42.87 68.89 3. 酸化处理对焦煤溶剂萃取性能的影响机制
由图1可知，在THF非纯溶剂中，原煤及酸化煤的萃取率随着THF质量分数的增加不断增大，且酸化煤萃取率显著高于原煤，其原因是煤中许多游离态或者在较大孔隙中存在的小分子相在THF溶液中被溶出，随着THF质量分数的增加，以吸附态存在或存在于小孔中的烃类与大分子结构结合，呈微孔嵌入态的低分子化合物相继被溶出[14]，所以原煤及酸化煤的萃取率不断增大。而煤样酸化处理后，煤中的矿物质以及部分无机盐成分被脱除，煤中孔裂隙的连通性被改善，大分子网络结构疏松度增大，溶剂可渗性增大，且在酸化过程中，一些可溶于高质量分数THF的醚类物质发生了取代反应也被溶离煤体[15]，所以酸化煤萃取率明显高于原煤。而水也是一种较强的极性溶剂，水溶剂促进了THF对煤中低分子化合物的萃取能力，所以在含水较多的低质量分数的THF溶液中更多的低分子化合物被溶出[16]，所以煤样在100%THF中萃取率略有下降，但水溶剂在萃取过程中并不占据主要地位。
从各样品阶段萃取率可知，随着萃取时间的增加，原煤与酸化煤萃取率呈现不同的趋势，原煤萃取率呈现先增加后减小再增加的趋势，酸化煤则先增大再减小。原因在于试验前期酸化处理改善了煤中孔隙的连通性，增大了煤样与THF的有效接触面积，降低了萃取阻力，同时改变了某些难溶于低质量分数THF的物质结构[17]，使得绝大多数物质被溶出。而48 h后，多数易溶出的小分子物质已被溶出，萃取阻力相对增大，萃取率增幅相对减小。就原煤而言，随着萃取时间的增加，部分难溶于THF的物质逐渐被溶离煤体，致使其萃取率增幅突然变大。进一步对比发现，当试验温度为25、35、45 ℃时，原煤萃取率达到最大值所需萃取时间分别为72、120、96 h，但酸化煤所需时间分别为48、48、96 h，原煤达到酸化煤的萃取效果所需时间是酸化煤的1.25~5倍。可见酸化处理可有效提高THF萃取煤的效率，极大改善萃取效果，缩短试验时间。
溶剂萃取的过程主要取决于低分子化合物赋存状态及其与大分子结构之间的非共价键结合作用强弱、溶质性质和孔隙性，相比于萃取温度25、45、35 ℃试验条件下溶剂分子的活性增大，相同时间内，质量分数越高，溶剂分子与煤中小分子接触的几率越大，溶解效果最佳。而原煤和酸化煤萃取率增幅变化说明酸化处理改变了温度对THF溶剂萃取效果的影响，使得温度对THF萃取率的影响更为凸显，但这种变化相较于THF质量分数的影响并不显著。因此，在利用THF溶剂对焦煤萃取性能进行研究时，试验温度选择35 ℃效果最佳。
由煤样的GC-MS结果可知：原煤萃取物主要由脂肪烃、芳香烃和含杂原子化合物组成，其中杂原子化合物相对含量占总含量的82.95%~96.55%。而酸化煤萃取物主要由杂原子化合物和脂肪烃组成，其中脂肪烃相对含量为90.68%~95.08%，是原煤萃取物中脂肪烃含量的5~26倍，且酸化煤萃取物中直链烃的含量大幅增加，碳原子数越来越集中于C15~C22。由此可知，焦煤中的脂肪烃和芳香烃类物质部分碳原子数在C15~C22，且以直链烃结构为主。随着THF质量分数的增高，萃取物中高碳烷烃所占比重不断增大，原因可能是酸化处理促进了THF对高碳直链烷烃的溶解能力，使得焦煤中更多游离的高碳链烃组分被溶解出来。同时THF是具有杂环结构的有机化合物，具有强极性的醚类之一，根据相似相溶原理，更易与杂原子化合物相溶，尤其是含氧类杂原子化合物和环状结构化合物，在低质量分数时，更倾向溶出更多的杂原子化合物；另一方面，随着THF溶剂质量分数的增大，THF分子与煤中低分子化合物结合的概率增大，有利于长链脂肪结构和芳香结构的溶出，所以随着THF质量分数的增加，更多游离的高碳链烃组分被溶解出来[18]。同时水作为一种极性溶剂，较高含水量的低质量分数THF溶剂由于水溶剂的溶解作用，促进了更多种类的低分子化合物溶出。所以随着THF质量分数的增加，更多游离的高碳链烃组分被溶解出来，萃取物种类则呈现不断减少的趋势。而对煤样进行酸处理不仅能够脱除矿物质，也使得构成羧酸盐的离子交联作用遭到破坏，将与羧酸结合的无机元素脱除出来[19]。酸性条件下，烷基醚会发生化学反应生成酚类物质[20]，所以酸化煤萃取物中化合物种类数量显著低于原煤萃取物。
4. 结 论
1）煤样经酸处理后，灰分减少97.3%，固定碳相对含量显著增大，挥发分含量略有增大，水分含量基本不变；C、H元素含量下降，而O、N、S元素含量增加，其中C、O元素相对含量变化较明显。
2）酸化处理后的煤样萃取率显著增大，但随着THF质量分数的增加，萃取率增幅呈不断减小的趋势；在相同的萃取效果作用下，酸化煤萃取时间较原煤快1.25~5倍；酸化处理放大了温度对萃取率的影响效应，使得35 ℃的萃取优势更为显著。
3）原煤萃取物中杂原子化合物相对含量占比最高，而酸化煤萃取物中以脂肪烃为主，其中直链烃含量随着THF质量分数的增大不断增加，最高可占总含量的91.92%，碳原子数越来越集中于C15~C22，萃取物种类显著减少。
-
![]()
图 3 模拟区网格剖分及三维地质结构体
Figure 3. Mesh generation and three-dimensional geological structure of simulation area
![]()
图 5 注浆后太灰长观孔中实际水位与模拟水位历时演化
Figure 5. Temporal evolution of actual water level and simulated water level in long view hole after grouting
![]()
图 7 模型运行期间部分监测点太灰水位动态变化
Figure 7. Dynamic change of limestone water level in Taiyuan Formation at some monitoring points during model operation
![]()
图 8 溶质运移模拟值与实测值验证分析
Figure 8. Verification analysis of simulated and measured values of solute transport
![]()
图 9 模型运行期间部分监测点处Cl−质量浓度变化
Figure 9. Changes of Cl− concentration at some monitoring points during model operation
![]()
图 10 模型运行过程中Ⅱ 4采区局部“双场”演化（箭头代表径流的方向和强度）
Figure 10. Local “dual field” evolution in Ⅱ 4 mining area during model operation (Arrows represent the direction and intensity of runoff)
![]()
图 11 两径流路径上监测点Cl−质量浓度
Figure 11. Cl− concentration at monitoring points on two runoff paths
![]()
图 12 渗透系数对溶质运移的影响
Figure 12. Influence of permeability coefficient on solute transport
![]()
图 15 达西流速和水力梯度对溶质运移的影响
Figure 15. Effects of Darcy flow rate and hydraulic gradient on solute transport
表 1 注浆期间验证后水文地质参数
Table 1 Hydrogeological parameters after verification during grouting
采区 模型参数/(m·d−1) 通过水文地质
孔或放水试验
获知/(m·d−1)Kxx Kyy Kzz 北八 1.1 0.11 0.11 1.17～2.003 F2断层 0.05 0.005 0.005 0.0044 98-3 0.001 0.0001 0.0001 0.67 Ⅱ4西 2.45 0.245 0.245 2.07～2.73，
平均2.45Ⅱ4东 0.03 0.003 0.003 0.0323 Ⅱ2西 1.8 0.18 0.18 平均2.17 Ⅱ2东 0.002 0.0002 0.0002 0.000029 Ⅱ1右翼西 0.01 0.001 0.001 0.00466～0.0134 Ⅱ1右翼东 0.003 0.0003 0.0003 Ⅱ1左翼 0.03 0.0003 0.0003 0.000274～0.00218 南三 0.002 0.0002 0.0002 — 注浆区域 0.0001 0.0001 0.0001 0.000046～0.002，
平均0.00029
下载: 导出CSV
表 2 溶质运移模型相关参数
Table 2 Relevant parameters of solute transport model
分区 Kxx/
(m·d−1)Kyy/
(m·d−1)Kzz/
(m·d−1)孔隙率 纵向
弥散度/m横向
弥散度/m注浆
时间/d注浆起始
时间/d注入浆液
流量/(m3·d−1)放水孔
流量/(m3·d−1)北八 1.1 0.11 0.11 0.3 10 1 — — — 3 ~ 10 F2断层 0.05 0.005 0.005 0.3 — — — 98-3区 0.001 0.0001 0.0001 0.3 — — — Ⅱ4西 2.45 0.245 0.245 0.3 — — — Ⅱ4东 0.03 0.003 0.003 0.3 — — — Ⅱ2西 1.8 0.18 0.18 0.3 — — — Ⅱ2东 0.002 0.0002 0.0002 0.3 — — — Ⅱ1右翼西 0.01 0.001 0.001 0.15 — — — Ⅱ1右翼东 0.003 0.0003 0.0003 0.15 — — — Ⅱ1左翼 0.003 0.0003 0.0003 0.15 — — — 南三采区 0.002 0.0002 0.0002 0.15 — — — Ⅱ4注
浆区注前 2.45 0.245 0.245 0.3 10 1 5 635 251.04 注后 0.0001 0.0001 0.0001 0.015 5 0.5 Ⅱ2注
浆区注前 1.8 0.18 0.18 0.3 10 1 5 155 67.7 注后 0.0001 0.0001 0.0001 0.015 5 0.5 Ⅱ1右注
浆区注前 0.01 0.001 0.001 0.15 10 1 5 1625 17.3 注后 0.0001 0.0001 0.0001 0.015 5 0.5 Ⅱ1左注
浆区注前 0.003 0.0003 0.0003 0.15 10 1 5 1415 6.5 注后 0.0001 0.0001 0.0001 0.015 5 0.5
下载: 导出CSV
表 3 2022年以来相关水质监测点Cl–实测质量浓度
Table 3 Measured concentration of Cl– at relevant water quality monitoring sites since 2022
取样日期（年−月） 取样点 $\rho ({\rm{Cl}}^{-})$/（mg·L–1） $\rho ({\rm{Cl}}^{-})$平均值/（mg·L–1） 2022−01 补检6 220.1 220.1 2022−01 检50号 268.4 266.1 2022−03 255.4 2022−05 266.4 2023−03 274.0 2022−03 南三
煤眼204.5 213.9 2022−05 219.5 2022−08 217.8
下载: 导出CSV
表 4 变异系数分析
Table 4 Analysis of variance
来源 平方和 自由度 均方 回归 36953748.147 8 4619218.518 残差 330222.493 683 483.488 未校正总数 37283970.640 691 校正后总数 1706633.256 690 R2 = 1 − (残差平方和) / (校正平方和) = 0.807
下载: 导出CSV
-
[1] 武 强. 我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、问题和展望[J]. 煤炭学报,2014,39(5):795−805. WU Qiang. Progress, problems and prospects of prevention and control technology of mine water and reutilization in China[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(5):795−805.
[2] 曾一凡,刘晓秀,武 强,等. 双碳背景下“煤−水−热”正效协同共采理论与技术构想[J]. 煤炭学报,2023,48(2):538−550. ZENG Yifan,LIU Xiaoxiu,WU Qiang,et al. Theory and technical conception of coal-water-thermal positive synergistic co-extraction under the dual carbon background[J]. Journal of China Coal Society,2023,48(2):538−550.
[3] GUI H R,LIN M L. Types of water hazards in China coal mines and regional characteristics[J]. Natural Hazards,2016,84:1501−1512.
[4] 郭 艳,桂和荣,魏久传,等. 注浆工程扰动下煤系水砂岩含水层水岩作用机理—以桃园煤矿为例[J]. 煤田地质与勘探,2021,49(1):226−232. GUO Yan,GUI Herong,WEI Jiuchuan,et al. Mechanism of water rock interaction in coal measure sandstone aquifer disturbed by grouting engineering: a case study of taoyuan coalmine[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(1):226−232.
[5] GUO Y,WEI J C,GUI H R,et al. Evaluation of changes in groundwater quality caused by a water inrush event in Taoyuan coal mine, China[J]. Environmental Earth Sciences,2020,79(24):528. doi: 10.1007/s12665-020-09243-5
[6] 郭 艳. 煤矿区域注浆扰动下地下水水文地球化学演化与识别—以淮北煤田桃园煤矿为例[D]. 青岛: 山东科技大学, 2022. GUO Yan. Hydrogeochemical evolution and identification of groundwater under regional grouting disturbance in coal mine—taking Taoyuan coal mine in Huaibei coalfield as an example[D]. Qingdao: Shandong University of Science and Technology, 2022.
[7] 沈 冰. 基于定向钻进的高承压底板水害防治研究[J]. 煤炭技术,2018,37(11):174−176. SHEN Bing. Research on water inrush prevention of high pressure floor mine based on directional drilling[J]. Coal Technology,2018,37(11):174−176.
[8] 郑士田. 两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术[J]. 煤田地质与勘探,2018,46(4):142−146,153. ZHENG Shitian. Advanced exploration and control technology of limestone water hazard in coal seam floor in Huainan and Huaibei coalfields[J]. Coal Geology & Exploration,2018,46(4):142−146,153.
[9] 郑士田. 地面顺层孔探注成套技术在底板高压岩溶水害治理中的应用[J]. 中国煤炭地质,2018,30(8):53−57. ZHENG Shitian. Application of complete set of surface bedding borehole exploration and grouting technology on floor high pressure karst water hazard governance[J]. Coal Geology of China,2018,30(8):53−57.
[10] 胡雨柔. 某铅锌矿区水文地质特征与地下水中锌离子运移特征研究[D]. 成都: 成都理工大学, 2018. HU Yurou. The research of hydrogeological characteristics and zinc ionmigration features in groundwater of a Lead-Zinc mining area[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2018.
[11] 杨 军,孙兆军,王 旭. 龟裂碱土地下水埋深、矿化度和盐分离子年内时空变化特征研究[J]. 节水灌溉,2016,247(3):45−48, 51. YANG Jun,SUN Zhaojun,WANG Xu. Analysis of annual spatial and temporal variation characteristics of groundwater depth, salinity and salt ions of crack alkaline land[J]. Water Saving Irrigation,2016,247(3):45−48, 51.
[12] 张保建,张 克,高宗军,等. 鄂尔多斯盆地侏罗系地下水系统及矿井防治水对策[J]. 煤炭科学技术,2016,44(3):122−128. ZHANG Baojian,ZHANG Ke,GAO Zongjun,et al. Jurassic underground water system in Ordos Basin and mine water prevention and control countermeasures[J]. Coal Science and Technology,2016,44(3):122−128.
[13] 韩鹏飞,王旭升,蒋小伟,等. 氢氧同位素在地下水流系统的重分布: 从高程效应到深度效应[J]. 水文地质工程地质,2023,50(2):1−12. HAN Pengfei,WANG Xusheng,JIANG Xiaowei,et al. Redistribution of hydrogen and oxygen isotopes in groundwater flow system: from elevation effect to depth effect[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2023,50(2):1−12.
[14] 许 蓬,王 明. 环境同位素技术在判定矿井含水层间水力联系的应用[J]. 煤炭科学技术,2018,46(S1):227−230. XU Peng,WANG Ming. Application of environmental isotopes technology in determining hydraulic connection between mine aquifer[J]. Coal Science and Technology,2018,46(S1):227−230.
[15] 刘建国,许光照,马学礼,等. 不同模拟软件在地下水环评中的应用对比研究[J]. 环境科学与技术,2018,41(S1):359−362. LIU Jianguo,XU Guangzhao,MA Xueli,et al. Study on comparative application of different simulation software in groundwater environmental impact[J]. Environmental Science & Technology,2018,41(S1):359−362.
[16] 范立民,马万超,常波峰,等. 榆神府矿区地下水水化学特征及形成机理[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):383−394. FAN Limin,MA Wanchao,CHANG Bofeng,et al. Hydrochemical characteristics and formation mechanism of groundwater in Yushenfu mining area[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):383−394.
[17] 吕情绪, 狄军贞, 李 果, 等.高强度采矿活动对地下水影响的数值模拟研究[J/OL].煤炭科学技术:1-7[2023-03-12]. https://doi.org/10.13199/j.cnki.cst.2021-0721 LYU Qingxu, DI Junzhen, LI Guo, et al. Numerical simulation study on the impact of high intensity mining activities on groundwater[J]. Coal Science and Technology:1-7[2023-03-12].https://doi.org/10.13199/j.cnki.cst.2021-0721
[18] 曾一凡,梅傲霜,武 强,等. 基于水化学场与水动力场示踪模拟耦合的矿井涌(突)水水源判识[J]. 煤炭学报,2022,47(12):4482−4494. ZENG Yifan,MEI Aoshuang,WU Qiang,et al. Source discrimination of mine water inflow or inrush using hydrochemicafield and hydrodynamic field tracer simulation coupling[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(12):4482−4494.
[19] 胡 健,张祥达,魏志诚. 基于FEFLOW在地下水数值模拟中的应用综述[J]. 地下水,2020,42(1):9−13. doi: 10.19807/j.cnki.DXS.2020-01-003 HU Jian,ZHANG Xiangda,WEI Zhicheng. Literature review of the groundwater numerical simulation method based on the application of feFLOW[J]. Ground water,2020,42(1):9−13. doi: 10.19807/j.cnki.DXS.2020-01-003
[20] 郭 艳, 桂和荣, 魏久传, 等. 区域注浆影响下煤层底板太原组灰岩水水文地球化学演化规律[J/OL]. 煤炭学报: 1-14[2023-03-12]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2190.TD.20230222.0917.002.html GUO Yan, GUI Herong, WEI Jiuchuan, et al. Hydrogeochemical evolution law of Taiyuan Formation limestone water under coal seam floor caused by the influence of regional grouting[J/OL]. Journal of China Coal Society: 1-14[2023-03-12]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2190.TD.20230222.0917.002.html
[21] 林 坜. 大区域地下水流模拟研究及FEFLOW的建模方法[D]. 北京: 中国地质大学, 2006. LIN Mu. Characteristics of large regional groundwater modeling and the applied FEFLOW technique－a case study of North China Plain[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2006.
[22] 冯源升. 多场耦合作用下隧址区垃圾渗滤液运移规律及其对围岩稳定性的影响[D]. 重庆: 重庆大学, 2019. FENG Yuansheng. The migration law of landfill leachate in the tunnel area multi-field coupling and its influence on the stability of surrounding rock[D]. Chongqing: Chongqing University, 2019.
[23] 赵春虎,杨 建,王世东,等. 矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析[J]. 煤田地质与勘探,2021,49(5):36−44. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.007 ZHAO Chunhu,YANG Jian,WANG Shidong,et al. Coupling simulation of groundwater dynamics and solute transfer in the process of deep reinjection of mine water[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(5):36−44. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.007
[24] 张兴昊,林丹彤,胡黎明. 基于等效孔隙网络模型的水动力弥散数值模拟[J]. 清华大学学报(自然科学版),2022,62(12):1906−1914. ZHANG Xinghao,LIN Dantong,HU Liming. Numerical simulations of hydrodynamicdispersion based on an equivalentpore network model[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology),2022,62(12):1906−1914.
[25] 张人权, 梁 杏, 靳孟贵, 等. 水文地质学基础[M]. 6版. 北京: 地质出版社, 2011: 59−65. -
期刊类型引用(3)
1. 聂继生，曹伟，薛飞洋. 工作面钻孔充水通道分析与识别实践研究. 能源与环保. 2025(01): 81-89 . 
百度学术
2. 翟明磊，白海波. 基于浆液–岩体耦合效应的裂隙注浆扩散机制研究. 煤炭科学技术. 2024(07): 158-167 . 本站查看
3. 郭艳，桂和荣，魏久传，庞迎春，胡满聪，郭祥东，洪荒，聂锋，崔亚利，叶爽. 区域注浆影响下煤层底板太原组灰岩水水文地球化学演化规律. 煤炭学报. 2023(08): 3204-3217 . 百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 169
- HTML全文浏览量: 46
- PDF下载量: 88
- 被引次数: 4
