Investigation of the suspended solids removal from mine water by the rock accumulation effect in the underground reservoir of coal mines
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摘要:
煤矿地下水库为煤炭开采过程中保障水资源的合理利用开辟了一条有效的技术途径。笔者以神东矿区大柳塔煤矿地下水库岩石和矿井水为研究对象，结合矿井水悬浮物去除模拟试验、计算流体力学–有限元分析耦合仿真模拟等研究手段，量化了岩石堆积效应对水体悬浮物去除的影响规律。结果表明：岩石堆积环境能改变矿井水流态特征，产生明显的回流区和低速区，从而延长悬浮物沉降距离，减弱水流的扰动，创造类自由沉降环境；在一定范围内，悬浮物浓度随沉降时间和距离的增加而逐渐减小，第6 m出水口的悬浮物质量浓度为20 mg/L，比初始浓度降低95.7%，且悬浮物稳态沉降时间为5 h，浊度为60 NTU，远小于空白模拟试验的9 h和350 NTU；沉降后悬浮物颗粒的平均径由14.99 µm减小到2.02 µm，比表面积由12.30 m2/g 增加到15.75 m2/g；地下水库对悬浮物的去除作用主要包括过滤作用、沉降作用和吸附作用，使悬浮物沉降时间更短、效果更佳。该研究为煤矿地下水库出水水质特征预测和淤积防控提供理论依据。
Abstract:The opening of an underground coal mine reservoir provides an effective technical approach to ensure the rational utilization of water resources during mining operations. This study focuses on the rock and mine water of the Daliuta Coal Mine reservoir in the Shendong Mining Area, employing simulation tests for mine water suspended solids removal and a coupling simulation of Fluent-EDEM. The impact of rock accumulation on the removal of suspended solids in water is quantified, revealing that the accumulation environment alters the mine flow state, creates a distinct reflux zone and low-speed zone, extends the sedimentation distance for suspended matter, and reduces water flow disturbance, resulting in a quasi-free sedimentation environment. Within a specific range, the suspended matter concentration gradually decreases with increasing settling time and distance. At the m outlet, the suspended matter concentration is 20 mg/L, a 95.7% reduction from the initial concentration. The steady-state settling time for suspended matter is 5 hours, with a turbidity of 60 NTU, significantly smaller than the 9 hours and 350 NTU observed in the blank simulation test. Post-sedimentation, the average diameter of suspended particles decreases from 14.99 µm to 2.02 µm, while the specific surface area increases from 12.30 m2/g to 15.75 m2/g. The removal of suspended matter from the underground reservoir is primarily through filtration, sedimentation, and adsorption, which results in a shorter sedimentation time and more efficient removal of suspended matter. This research provides a theoretical foundation for predicting effluent quality characteristics and preventing and controlling siltation in coal mine underground reservoirs.
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0. 引 言
我国煤炭资源和水资源呈逆向分布，西部地区(晋陕蒙宁甘新)作为煤炭主产区，其煤炭产量占全国煤炭产量70%以上，但该区域水资源极其匮乏，已严重制约了当地经济与资源、环境之间的平衡发展[1-2]。煤炭的开采常伴随着大量矿井水的产生，根据中国工程院战略研究成果，我国吨煤开采产生矿井水约1.87 t，2018年全国煤矿矿井水产生总量68.8亿m3，平均利用率仅为35%[3]，矿井水的外排、渗漏造成严重的水资源浪费。矿井水的高比例有效利用对于缓解当地水资源短缺问题和促进煤炭行业绿色高质量发展具有重大推动作用[4-7]。
矿井水作为一种重要的非常规水资源，已逐步被纳入水资源统一配置。近年来，利用煤矿地下水库开展矿井水井下低成本处理与规模化储存受到广泛关注，且已在神东、包头等多个矿区得到推广应用[8-10]。矿井水经地下水库处理后可直接井下回用，也可进入后端深度处理单元作进一步净化[5]。前期研究[5,8,11-16]表明，地下水库中可能发生着沉降、吸附、离子交换、溶解、过滤、微生物降解等多个物理、化学与生物过程，对矿井水中悬浮物、有机物具有去除效果，尤其对于悬浮物，其去除率高达80%～93%[8]。而且，煤矿地下水库利用煤炭开采过程形成的采空区进行矿井水过滤去除悬浮物，具有处理成本低等优点[17-20]。
煤矿地下水库的填充物主要是垮落岩体和少量残煤，在开采扰动和重力的作用下，填充物形成密实的高孔隙率的岩石滤体。将含悬浮物的矿井水从采空区水平较高的地方送入采空区后，在重力的作用下水体渗透过填充物流向低洼处，而悬浮物被截留，从而实现悬浮物的去除[21-24]。然而，大量的悬浮物在得以去除的同时，会沉降并累积到地下水库岩石间的孔隙和裂隙中，从而改变地下水库的储水库容和水质净化效果。当累积量到达水库淤积的阈值，会造成库内大规模淤堵，最终影响地下水库的水资源调配和使用。
地下水库自身条件复杂特殊，如库内垮落岩石的堆积形态、块度分布、裂隙发育及本底理化性质；矿井水流速、路径及水力停留时间等因素都会对矿井水中悬浮物的去除效果产生影响。目前对煤矿地下水库对矿井水悬浮物的去除规律及机理研究深度相对不足，难以为煤矿地下水库出水水质特征预测和淤积防控提供依据。笔者以大柳塔矿井下矿井水为研究对象，在分析矿井水中悬浮物理化性质的基础上，采用试验研究与仿真模拟2种方法探索了地下水库对矿井水中悬浮物的去除过程，尤其是岩石堆积效应导致的过程中流态特征变化以及对悬浮物去除效果的影响。对模拟试验前后岩石和悬浮物的理化性质进行对比分析，结合室内试验和仿真模拟结论，进一步揭示煤矿地下水库对矿井水悬浮物的去除机理以及淤积特征。
1. 材料与方法
1.1 试验样品采集
1.1.1 水样采集及检测
根据大柳塔煤矿地下水库水环境特征和井下多个位置矿井水水质指标，研究采用的水样为大柳塔煤矿井下507运输巷52联巷位置的矿井水，共采集现场测定pH、溶解氧、温度、Eh和Ec等基本参数，将水样采集桶密封、避光保存，冰袋低温保持后备用。采样方案设计及技术严格按照行业标准《（HJ 494—2009）水质采样技术指导》和《（HJ 495—2009）水质采样方案设计技术规定》执行。水质指标参照《（GB/T 14848—2017）地下水质量标准》和《（DZ/T 0064—2021）地下水质分析方法》等进行测试。水质分析测试项目及方法见表1，各水质指标均重复测试3次以上，并计算平均值进行后续分析。
表 1 水样检测项目及方法Table 1. Water sample testing projects and methods检测项目 检测方法 仪器设备 pH 玻璃电极法 酸度计 电导率/(μS·cm−1) 电极法 电导率仪 浊度/NTU 散射法–福尔马肼标准 浊度计 悬浮物质量浓度/
(mg·L−1)质量法 电热鼓风干燥箱、分析天平 1.1.2 岩样采集及检测
研究所使用的大柳塔岩样均取自井下综采工作面，为工作面上覆垮落岩石。岩石在现场利用出料粒度为80 mm颚式破碎机进行了破碎，分成不同粒级范围并称重备用。岩样和悬浮物测试分析项目和方法详见表2。
表 2 岩石及悬浮物测试项目及方法Table 2. Rock and suspended solids test projects and methods测试项目 试验仪器 厂商及型号 比表面积、
孔隙度分析快速比表面/孔隙
分析仪（BET）美国 Micromeritics
3−FLEX型表面形貌分析 扫描电子显微镜
（SEM）捷克FEI Company
Nova NanoSEM 450型粒径分析 激光粒度仪 英国 Malvern
Zetasizer Nano ZS90型1.2 试验设计
1.2.1 煤矿地下水库矿井水悬浮物去除模拟试验
煤矿地下水库采空区是煤炭回采结束后形成的，根据大柳塔现有煤层赋存情况和开采工艺，假设回采工作面开采高度为7 m，开采长度为200 m，推进距离为1.5 km，可知煤矿地下水库单个采空区尺寸长1.5 km、宽200 m、高7 m，根据相似比原理[25-26]，自主设计了同比例缩放的试验装置。经计算，试验装置单个槽体尺寸为长1.5 m、宽0.2 m、高0.007 m，但考虑悬浮物在介质中沉降需要一定高度，因此为研究需要将高度设置为0.5 m。由于煤矿地下水库是由多个采空区共同组成的，故试验装置由4个槽体串联而成，总长为6 m，宽0.2 m、高0.5 m，用于开展模拟试验。该试验主要分析矿井水在岩石填充条件下的悬浮物沉降效果，获取悬浮物浓度、沉降时间、沉降距离之间的关系。模拟试验初始状态如图1所示，试验操作过程如下：
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图 1 矿井水悬浮物去除空白模拟试验Figure 1. Blank simulation test on removal of suspended solids in mine water1）岩石样品按照表3，将不同粒级进行称重并混匀后铺入试验装置。
表 3 试验岩样粒度分布Table 3. Particle size distribution of test rock samples粒级/mm 质量/kg 产率/% 筛上累计产率/% 筛下累计产率/% 50 25.00 12.50 12.50 100.00 25～50 50.00 25.00 37.50 87.50 13～25 50.00 25.00 62.50 62.50 6～13 25.00 12.50 75.00 37.50 3～6 25.00 12.50 87.50 25.00 −3 25.00 12.50 100.00 12.50 合计 200.00 100.00 2）按进水桶、进水泵、地下水库模拟试验装置、出水桶的顺序连接管路，搭建矿井水悬浮物去除模拟试验系统，快速向装置中装入水样至20 cm高度，启动进水泵，流量为0.04 m3/h，流速为1 m/h[27]，即水力停留时间（HRT）为6 h，矿井水从进水口进水，出水口排出，排出的水不再进入试验；
3）测定原水悬浮物含量、浊度和粒径分布；
4）从3、6 m位置取样口（10 cm高度），在不同时间点（0、1、2、3 h、…）取样10 mL测定浊度，直至浊度稳定；
5）在3、6 m取样口浊度稳定条件下，从第0、0.6、1.5、3、4.5、6 m位置取样口取样500 mL，测定悬浮物浓度、浊度和粒径分布。
同时，设置矿井水悬浮物去除空白模拟试验作为对比试验，用来分析矿井水在无岩石填充条件下的悬浮物沉降效果。试验操作过程除模拟试验过程1外，其余均与模拟试验相同。
1.2.2 流态示踪试验
针对煤矿地下水库矿井水悬浮物去除模拟试验开展流态示踪试验，采用的示踪剂为氯化锂，装置的理论水力停留时间为6 h。试验期间，在装置进水口瞬时注入示踪剂，在不同时间点从装置出水口处取水样，测定水样中的锂离子浓度[28-29]。
1.3 仿真模拟
1.3.1 模型构建
1）模型的建立。为模拟地下水库中流体流经岩石的流场分布，对地下水库实验装置进行简化后开展仿真模拟。利用SOLIDWORKS三维建模软件对模型进行绘制，其简化模型如图2a所示。
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图 2 地下水库堆砌空间流体特性数值模拟过程Figure 2. Numerical simulation process of fluid characteristics in underground reservoir stacking space2）网格划分。将三维模型导入至ANSYS中的SpaceClaim，进行内部流体域抽取，如图2b所示。然后将抽取的流体域导入到ANSYS ICEM中进行六面体网格划分，网格数量为
329680 ，将划分好的网格转化为非结构化网格。网格划分如图2c所示。1.3.2 参数设置
计算流体力学–有限元分析耦合仿真模拟（Fluent-EDEM）采用的耦合模型属于Euler-Lagrange模型，用Euler法控制流体的连续介质，用Lagrange法控制离散相的颗粒[30]。为简化计算，颗粒的粒度范围设置为+50 mm、25～50 mm、−25 mm，3种粒度范围颗粒按照表3在煤矿地下水库矿井水悬浮物去除模拟试验中的配比条件，以12.5∶25∶62.5进行混合填充，并设定颗粒为球形，颗粒表面几乎无黏附力。
1）EDEM参数设置。EDEM中设定的具体参数见表4，在装置底部设置五个颗粒工厂，用于生成球形颗粒（图2d）。设置颗粒工厂随机产生+50 mm、25～50 mm、−25 mm颗粒速度分别为每秒625、
1250 、3125 个，生成的颗粒如图2e所示。在EDEM中将时间步长设为5×10−5 s。打开EDEM中的Start Coupling Serve接口，将EDEM设为待接收耦合信号状态，等待与FLUENT建立连接。表 4 EDEM参数设置Table 4. Parameter settings in EDEM参数 数值 泊松比 0.25 固体密度/(kg·m−3) 20000 剪切模量/Pa 1×108 碰撞恢复系数 0.5 静摩擦因数 0.5 滚动摩擦因数 0.01 2）FLUENT参数设置。调用FLUENT中的Read Journal File指令加载耦合文件，在ICEM中将网格模型设置完成后导入至FLUENT中，通过Check指令做网格质量检测。模拟中，FLUENT采用瞬态方式计算，湍流模型选择Standard k-e湍流模型；入口边界条件设为Velocity-inlet，速度为0.28 mm/s；出口边界条件设为Pressure-out；液相模拟时间步长为0.05 s。应用Euler-Lagrange模型进行固–液两相流耦合，在Euler坐标系下求解瞬态雷诺平均N-S方程及标准k-e湍流模型，在Lagrange坐标系下求解各颗粒的运动方程，固–液两相之间的耦合由颗粒曳力和两相动量交换的迭代计算完成。
2. 结果与讨论
2.1 矿井水悬浮物去除规律
2.1.1 浊度与时间关系特征
地下水库运行时内部是充满矿井水的状态，因此，煤矿地下水库矿井水悬浮物去除模拟试验（有岩石）和空白试验（无岩石）的初始状态时，已装入20 cm水位高的矿井水水样。试验开始时，矿井水即进入连续进出水状态，其悬浮物随即进行动态沉降，即在水平方向运动的过程中逐渐沉降。
由图3a可知，对于模拟试验，试验装置沿程距离3 m取样口的水样浊度在第0～2 h迅速下降，浊度由750.0 NTU降到174.2 NTU，降幅达到76.8%；在第2～4 h，水样浊度下降趋势明显变缓；第4 h后，浊度趋于稳定，基本在150 NTU左右，比初始浊度降低了80.0%。对于空白试验，试验装置沿程距离3 m取样口的水样浊度在第0～2 h亦迅速下降；第2 h时出现1个明显拐点，浊度开始升高，推断是由于试验进水的流速为1 m/h，流动第2 h后已开始对3 m取样口附近的悬浮物沉降产生干扰所致；第3 h时，试验进水到达3 m处，表明第3 h之后该处的悬浮物沉降完全是在矿井水流动的干扰下进行的，也导致了浊度数值有一定的波动性，但基本稳定在420 NTU左右，比初始浊度降低了44.0%。对于沿程3 m处矿井水的沉降，虽然空白试验在第3 h已达到稳态，但浊度水平很高；而模拟试验在第4 h达到稳态，其浊度比空白试验低了270 NTU，并且数值未出现类似空白试验第2 h处的拐点，也未出现明显上升趋势。
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图 3 沿程3 m和6 m处浊度随时间变化关系Figure 3. Turbidity change with time at 3 m and 6 m along the route由图3b可知，对于模拟试验，沿程距离6 m取样口的水样浊度在第0～2 h内迅速下降，浊度由750.0 NTU降到175.2 NTU，降幅达到76.6%；在第2～5 h内，水样浊度下降趋势明显变缓；第5 h后，浊度趋于稳定，基本在60 NTU左右，比初始浊度降低了92.0%；第12 h时试验结束。对于空白试验，沿程距离6 m取样口的水样浊度在第0～2 h内亦迅速下降；在第2～5 h内，水样浊度下降趋势明显变缓；第5 h时又出现上升趋势，浊度缓慢升高，情况与沿程3 m处水样第2 h拐点类似，由于试验进水的流速为1 m/h，流动5 h后已开始对6 m取样口附近的悬浮物沉降产生干扰所致；第9 h后，浊度趋于稳定，基本在350 NTU左右，比初始浊度降低了53.3%；第12 h时试验结束。对于沿程6 m处矿井水的沉降，空白试验在第9 h方达到稳态，且浊度很高，约350 NTU；模拟试验在第5 h达到稳态，其浊度约60 NTU，比空白试验低290 NTU，且数值未出现明显上升趋势。
矿井水在模拟沉降装置的运移过程中，浊度值先快速下降、然后趋势变缓、最终趋于稳定，且未出现类似空白试验的明显拐点。表明在岩石堆积条件下，矿井水浊度在一定时间范围内，随时间的增加而逐渐减小，且该条件能够减弱矿井水流动对悬浮物沉降的扰动，使悬浮物沉降时间更短、效果更佳。
2.1.2 悬浮物浓度与沉降距离关系
对于沿程3 m和6 m的水样，模拟试验和空白试验在第9 h时均已达到稳态条件。因此，选取该时刻2组试验在沿程各处的水样数据，悬浮物浓度与沉降距离的关系如图4所示。
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图 4 稳态条件下悬浮物浓度随沉降距离变化Figure 4. Variation of suspended solids concentration with settling distance under steady conditions对于模拟试验，悬浮物浓度在沿程第0～1.5 m沉降距离内迅速下降，且降幅达到了79.8%；在第1.5 m后，下降趋势明显变缓；在第4.5 m后，浓度趋于稳定，第6 m处在20 mg/L左右，比初始浓度降低了95.7%，降幅极为显著。对于空白试验，悬浮物浓度在0～0.6 m沉降距离内亦迅速下降，降幅达到了42.3%；在第3 m后，浓度趋于稳定，第6 m处在70 mg/L左右，比初始浓度降低了84.8%。2组试验在第1.5 m沉降距离后主要为小颗粒悬浮物的沉降，模拟试验第4.5 m处大部分小颗粒悬浮物可以得到去除，使其悬浮物浓度达到极低水平且后期处于稳定状态；而空白试验在第6 m处，大部分小颗粒物仍未发生沉降，导致其悬浮物浓度仍高于模拟试验第3 m处的浓度。该结果说明，岩石堆积环境能够更好地去除矿井水中的微细粒悬浮物。
对模拟试验得到的悬浮物浓度与沉降距离的关系进行非线性拟合（图5），发现y（悬浮物浓度C）与x（沉降距离L）满足关系式（1）。
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图 5 稳态条件下悬浮物浓度与沉降距离拟合曲线Figure 5. Fitting curve of suspended solids concentration and settling distance under steady conditions$$ {{y}} = 375.82{{\mathrm{e}}^{ - 1.4781x}} + 86.403{{\mathrm{e}}^{ - 0.1964x}} $$ (1) 其拟合度R2为
0.9976 ，拟合公式可靠。2.2 矿井水流态分布特征
2.2.1 流态示踪实验
地下水库中堆积的岩石通过改变矿井水流态特征进而影响悬浮物去除效果。采用流态示踪实验可获得矿井水在试验装置中的流态分布特征，分析获得停留时间分布（RTD）曲线，如图6所示。基于RTD曲线数据，可进一步计算装置的平均水力停留时间（tm）和无量纲方差（$ \sigma _\theta ^2 $），分别为6.7 h和0.19，$ \sigma _\theta ^2 $远小于1，说明悬浮物去除模拟试验数据较为可靠，且试验装置整体上较接近理想推流反应器[31]。RTD曲线中存在3个明显的峰，说明装置内应存在平行流和回流。
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图 6 矿井水悬浮物去除模拟试验RTD曲线Figure 6. The RTD curve of Mine water suspended solids removals simulation test2.2.2 地下水库模拟装置内流场特性的仿真模拟
采用ANSYS CFD-Post软件，使用Plane Tool功能截取装置不同的平面，获取该平面处的流场速度云图和矢量图。图7为装置内不同截面的位置，其中，在x=−0.188、0.032、0.531、0.751 m处分别截取一个纵截面，在y=−0.186、−0.136、−0.086、−0.036 m处分别截取一个横截面。图8和图9分别为纵截面流场的速度云图和矢量图，图10和图11分别为横截面流场的速度云图和矢量图。
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图 8 试验装置纵截面流场速度云Figure 8. Velocity cloud of the flow field in the longitudinal section of the test device![]()
图 9 试验装置纵截面流场速度Figure 9. Velocity vector diagram of the flow field in the longitudinal section of the test device![]()
图 10 试验装置横截面流场速度云图Figure 10. Velocity cloud of the flow field in the cross section of the test device![]()
图 11 试验装置横截面流场速度矢量图Figure 11. Velocity vector diagram of the flow field in the cross section of the test device由纵截面的速度云图和矢量图（图8a和图9a）可知，流体在流经岩石颗粒缝隙时，不同位置的水流速度差异较大，产生较多回流区和低速区[32-34]。回流区的存在，能够变相延长悬浮物颗粒在地下水库中的沉降距离，有利于其发生沉降；低速区的存在，减弱了水流的扰动，创造了类自由沉降环境，从而加速矿井水中悬浮物颗粒沉降过程。由x=0.032 m、0.531 m和0.751 m处纵截面的速度云图和矢量图可知，不同位置纵截面上的速度分布类似。
由横截面的速度云图和矢量图（图10a和图11a）可知，在整个装置范围内，流体在流经颗粒时，不同位置的水流速度差异较大，产生较多回流区和低速区。通过对比y=−0.186、−0.136、−0.086、−0.036 m处横截面的速度云图和矢量图可知，不同高度的横截面上速度分布不同，但都受到堆积岩石的影响。
2.3 悬浮物与岩体理化性质分析
2.3.1 悬浮物粒径分布特征
采用激光粒度分析法，对模拟试验前后（第12 h）矿井水水样中悬浮物粒径进行分析，见表5所示。可知，试验前原矿井水水样中90%悬浮物的粒径小于24.23 µm，10%悬浮物的粒径小于2.31 µm，平均径14.99 µm；试验结束后水样中90%悬浮物的粒径小于6.98 µm，10%悬浮物的粒径小于1.52 µm，平均径2.02 µm。试验后粒径减小，且平均径减小显著，由14.99 µm减小到2.02 µm。由此可见，矿井水在经过试验装置净化后，其大粒径颗粒物基本消失，大部分细粒级悬浮物也得到了有效去除，只有部分极细粒级悬浮物未发生沉降。
表 5 试验前后矿井水悬浮物粒径统计Table 5. Particle size statistics of mine water suspended solids before and after the test参数/µm 试验前 试验后 中径 11.31 2.16 平均径 14.99 2.02 算术标准偏差 12.60 2.95 几何平均径 11.19 1.85 几何标准偏差 2.19 2.32 频径 10.84 2.78 累积百分率直径 10%：0～2.31
90%：0～24.2310%：0～1.52
90%：0～6.982.3.2 悬浮物比表面积及孔隙结构
对煤矿地下水库矿井水悬浮物去除模拟试验前后（第12 h）矿井水水样中悬浮物的比表面积及孔隙结构进行分析，见表6—表8。由表可知，试验后水样中悬浮物的比表面积均值为15.75 m2/g大于试验前的12.30 m2/g，总孔容积均值为0.027 m3/g大于试验前的
0.0046 m3/g，孔径均值为8.57 nm小于试验前的13.80 nm。试验后悬浮物的比表面积和总孔容积增大，平均孔径减小，表明试验后水样中大粒径悬浮物得到去除，占比减小，而微细颗粒占比增大，与粒度分析结果一致。表 6 悬浮物比表面积分析Table 6. Specific surface area analysis of suspended solidsm2/g 性能参数 试验前 试验后 单点比表面积 13.97 17.88 BET比表面积 13.94 17.89 朗格缪尔比表面积 14.49 18.57 t-P法微孔内的比表面积 3.75 4.67 t-P法外比表面积 12.20 15.22 BJH吸附孔隙累积表面积 13.61 17.48 BJH脱附孔隙累积表面积 14.12 18.58 表 7 悬浮物总孔容积分析Table 7. Total pore volume analysis of suspended solidsmL/g 性能参数 试验前 试验后 单点法总孔容/孔体积 0.0068 0.036 t-P法微孔孔容/孔体积 0.00037 0.0018 BJH吸附孔隙累积体积 0.0060 0.035 BJH脱附孔隙累积体积 0.0054 0.035 表 8 悬浮物孔径分析Table 8. Suspension pore size analysisnm 性能参数 试验前 试验后 平均孔径 14.33 7.92 BJH吸附平均孔径 16.44 9.38 BJH脱附平均孔径 10.58 8.41 2.3.3 岩石表面形貌分析
采用扫描电子显微镜对煤矿地下水库矿井水悬浮物去除模拟试验前、后岩石表面形貌进行分析（图12）。如图12所示，反应前岩石表面有部分孔洞、裂隙存在，且宽度基本在20 µm以下，大部分集中在10 µm左右；反应后岩石表面有大量的悬浮物颗粒附着于岩石表面，结构较为松散，表面孔洞和裂隙数量明显增加，孔洞直径和裂隙宽度显著增大。推测原因为，反应前岩石表面的裂隙宽度，与悬浮物的平均粒径大致吻合，使得细颗粒悬浮物可以进入岩石表面的裂隙中，从而导致原有岩石表面的微裂隙由矿井水中悬浮物颗粒填充或覆盖，并重新构成新的孔洞和裂隙。由此推断试验装置内岩石表面的大量孔洞和裂隙能够去除矿井水悬浮物中的微细颗粒，进而降低悬浮物浓度。
3. 煤矿地下水库悬浮物去除机理
3.1 过滤作用
煤矿地下水库拥有体积庞大的过滤空间，而内部的岩石相当于数量极多的滤料，可将矿井水中的悬浮物进行过滤截留，被截留的悬浮物填充于岩石间的孔隙和表面的裂隙。
煤矿地下水库对矿井水中的悬浮物具有过滤作用，其强度大小与地下水库体积、截面积；内部岩石块度分布、堆积形态、理化性质；矿井水流速、路径；悬浮物理化性质等因素密切相关。
3.2 沉降作用
结合矿井水流态示踪实验和Fluent-EDEM耦合仿真模拟结果可知，矿井水在地下水库中的流动形态存在着平行流和回流，且大范围交替出现低流速区和高流速区。地下水库内部空间被不同尺寸岩石从水平和竖直2个方向分割成无数微小空间，每个微小空间都可被看作一个微小沉淀区。矿井水在地下水库中的流速非常缓慢，因此在微小沉淀区空间内，悬浮物颗粒的自由沉降作用几乎不会受到外界的干扰，从而附着并沉积在岩石表面或孔隙中。
3.3 吸附作用
煤矿地下水库内部充满垮落岩石，其自身表面具有孔洞和裂隙，且比表面积较大，使其对微细颗粒悬浮物具有一定的吸附能力，有利于降低矿井水悬浮物浓度。矿井水中悬浮物的比表面积及孔隙结构等理化性质，表明其自身也具有吸附能力，大量微细颗粒相互吸附凝聚后容易发生沉降作用。
4. 结 论
1）在岩石堆积条件下，模拟试验中矿井水悬浮物浓度在一定范围内，随流动距离和时间的增加而逐渐减小，且最终悬浮物浓度比无岩石条件下低71.4%，不仅可以快速去除大颗粒悬浮物，还对微细颗粒悬浮物具有很好的去除效果，使矿井水中悬浮物浓度进一步降低。
2）煤矿地下水库的岩石堆积效应显著影响矿井水的流态特征，产生了明显的回流区和低速区，减弱矿井水流动对悬浮物沉降的扰动，使悬浮物沉降时间更短、效果更佳。悬浮物去除模拟试验和Fluent-EDEM耦合仿真模拟表明，有岩石条件下悬浮物稳态沉降时间为5 h，浊度为60 NTU，远小于无岩石堆积条件下的9 h和350 NTU。
3）煤矿地下水库对悬浮物的去除作用主要包括：过滤作用、沉降作用和吸附作用，其作用大小与地下水库（体积、截面积和孔隙率）、岩石（块度分布、堆积形态、理化性质）、矿井水（流速、路径、水力停留时间）和悬浮物（浓度、理化性质）等因素有关。
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图 1 矿井水悬浮物去除空白模拟试验
Figure 1. Blank simulation test on removal of suspended solids in mine water
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图 2 地下水库堆砌空间流体特性数值模拟过程
Figure 2. Numerical simulation process of fluid characteristics in underground reservoir stacking space
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图 3 沿程3 m和6 m处浊度随时间变化关系
Figure 3. Turbidity change with time at 3 m and 6 m along the route
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图 4 稳态条件下悬浮物浓度随沉降距离变化
Figure 4. Variation of suspended solids concentration with settling distance under steady conditions
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图 5 稳态条件下悬浮物浓度与沉降距离拟合曲线
Figure 5. Fitting curve of suspended solids concentration and settling distance under steady conditions
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图 6 矿井水悬浮物去除模拟试验RTD曲线
Figure 6. The RTD curve of Mine water suspended solids removals simulation test
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图 8 试验装置纵截面流场速度云
Figure 8. Velocity cloud of the flow field in the longitudinal section of the test device
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图 9 试验装置纵截面流场速度
Figure 9. Velocity vector diagram of the flow field in the longitudinal section of the test device
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图 10 试验装置横截面流场速度云图
Figure 10. Velocity cloud of the flow field in the cross section of the test device
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图 11 试验装置横截面流场速度矢量图
Figure 11. Velocity vector diagram of the flow field in the cross section of the test device
表 1 水样检测项目及方法
Table 1 Water sample testing projects and methods
检测项目 检测方法 仪器设备 pH 玻璃电极法 酸度计 电导率/(μS·cm−1) 电极法 电导率仪 浊度/NTU 散射法–福尔马肼标准 浊度计 悬浮物质量浓度/
(mg·L−1)质量法 电热鼓风干燥箱、分析天平 
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表 2 岩石及悬浮物测试项目及方法
Table 2 Rock and suspended solids test projects and methods
测试项目 试验仪器 厂商及型号 比表面积、
孔隙度分析快速比表面/孔隙
分析仪（BET）美国 Micromeritics
3−FLEX型表面形貌分析 扫描电子显微镜
（SEM）捷克FEI Company
Nova NanoSEM 450型粒径分析 激光粒度仪 英国 Malvern
Zetasizer Nano ZS90型
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表 3 试验岩样粒度分布
Table 3 Particle size distribution of test rock samples
粒级/mm 质量/kg 产率/% 筛上累计产率/% 筛下累计产率/% 50 25.00 12.50 12.50 100.00 25～50 50.00 25.00 37.50 87.50 13～25 50.00 25.00 62.50 62.50 6～13 25.00 12.50 75.00 37.50 3～6 25.00 12.50 87.50 25.00 −3 25.00 12.50 100.00 12.50 合计 200.00 100.00
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表 4 EDEM参数设置
Table 4 Parameter settings in EDEM
参数 数值 泊松比 0.25 固体密度/(kg·m−3) 20000 剪切模量/Pa 1×108 碰撞恢复系数 0.5 静摩擦因数 0.5 滚动摩擦因数 0.01
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表 5 试验前后矿井水悬浮物粒径统计
Table 5 Particle size statistics of mine water suspended solids before and after the test
参数/µm 试验前 试验后 中径 11.31 2.16 平均径 14.99 2.02 算术标准偏差 12.60 2.95 几何平均径 11.19 1.85 几何标准偏差 2.19 2.32 频径 10.84 2.78 累积百分率直径 10%：0～2.31
90%：0～24.2310%：0～1.52
90%：0～6.98
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表 6 悬浮物比表面积分析
Table 6 Specific surface area analysis of suspended solids
m2/g 性能参数 试验前 试验后 单点比表面积 13.97 17.88 BET比表面积 13.94 17.89 朗格缪尔比表面积 14.49 18.57 t-P法微孔内的比表面积 3.75 4.67 t-P法外比表面积 12.20 15.22 BJH吸附孔隙累积表面积 13.61 17.48 BJH脱附孔隙累积表面积 14.12 18.58
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表 7 悬浮物总孔容积分析
Table 7 Total pore volume analysis of suspended solids
mL/g 性能参数 试验前 试验后 单点法总孔容/孔体积 0.0068 0.036 t-P法微孔孔容/孔体积 0.00037 0.0018 BJH吸附孔隙累积体积 0.0060 0.035 BJH脱附孔隙累积体积 0.0054 0.035
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表 8 悬浮物孔径分析
Table 8 Suspension pore size analysis
nm 性能参数 试验前 试验后 平均孔径 14.33 7.92 BJH吸附平均孔径 16.44 9.38 BJH脱附平均孔径 10.58 8.41
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