导水裂隙的自修复——地下水混流沉淀的影响.pdf
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1、矿山环境保护导水裂隙的自修复地下水混流沉淀的影响李全生1,2,鞠金峰3,4,许家林5,曹志国1,2,张凯1,2,王晨煜5,郭俊廷1,2(1.国家能源投资集团有限责任公司,北京100011;2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京100011;3.中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室,江苏徐州221008;4.中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心,江苏徐州221008;5.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221116;6.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116)摘要:采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中,会发生导水渗流能力逐步降低的自
2、修复现象,研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿 12401 工作面采后 15a 覆岩导水裂隙自修复的工程探测结果,就采后不同层位地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理开展研究。结果表明,12401工作面采后覆岩导水裂隙直接发育至第四系松散层,已沟通多个含水层;由于浅层地下水含有较多 Ca2+,而基岩地下水 CO32、HCO3质量浓度偏多,2 种地下水在采动覆岩中交汇混流时会产生CaCO3化学沉淀;沉淀物随水迁移并不断吸附于裂隙通道表面,发生包藏共沉固结的结垢过程,经过长时间的累积,最终形成具备一定抗蚀能力的结垢物或
3、包结物,堵塞并修复裂隙。室内试验测试发现,这一过程引起的导水裂隙自修复降渗效果相比水(气)岩相互作用产生的效果更为稳定且快速;裂隙岩样受 2 种不同水质模拟地下水混流通过近 2 个月时间后,绝对渗透率即由 0.091015m2降低为 0.00251015m2,且在水压 1.5MPa 条件下也未出现明显渗透性波动。由于这种不同地下水的交汇混流主要发生在开采边界附近的裂隙岩体中,因而覆岩不同区域导水裂隙的自修复过程及效果将出现明显差异。12401 工作面中部区域覆岩导水裂隙的自修复主要由降雨入渗过程引起的水(气)岩相互作用引起,而开采边界附近覆岩导水裂隙则由不同地下水的交汇混流反应和水(气)岩相互
4、作用共同主导其自修复,因而后者对应产生的自修复效果要明显偏好。现场探测结果显示,历经 15a 的自修复演变,开采边界附近覆岩在深度 86.7179.1m 范围导水裂隙已全部实现自修复,而采区中部覆岩在对应自修复区域内仍存在局部未修复现象,深度在 110.0118.6m,由此证实了地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的良好修复效果。关键词:含水层修复;地下水交汇混流;化学沉淀;导水裂隙自修复;绿色开采中图分类号:TD745文献标志码:A文章编号:02539993(2023)06254010Self-healing mechanisms of water-conducting fractures:
5、The influence of chemicalprecipitation induced by the mixing of different groundwaterLIQuansheng1,2,JUJinfeng3,4,XUJialin5,CAOZhiguo1,2,ZHANGKai1,2,WANGChenyu5,GUOJunting1,2(1.China Energy Investment Grop Co.,Ltd.,Beijing100011,China;2.State Key Laboratory of Water Resources Protection and Utilizati
6、on in Coal Mining,Beijing100011,China;3.The National and Local Joint Engineering Laboratory of Internet Application Technology on Mine,China University of Mining收稿日期:20221101修回日期:20221222责任编辑:韩晋平DOI:10.13225/ki.jccs.CN22.1576基金项目:国家重点研发计划资助项目(2021YFC2902104);国家自然科学基金资助项目(51604259)作者简介:李全生(1965),男,河南
7、洛阳人,教授级高工,博士。E-mail:10000424shenhua.cc通讯作者:鞠金峰(1986),男,江苏如皋人,副研究员,博士。E-mail:引用格式:李全生,鞠金峰,许家林,等.导水裂隙的自修复地下水混流沉淀的影响J.煤炭学报,2023,48(6):25402549.LIQuansheng,JUJinfeng,XUJialin,etal.Self-healingmechanismsofwater-conductingfractures:theinflu-enceofchemicalprecipitationinducedbythemixingofdifferentgroundwat
8、erJ.JournalofChinaCoalSoci-ety,2023,48(6):25402549.第48卷第6期煤炭学报Vol.48No.62023年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJun.2023and Technology,Xuzhou221008,China;4.IoT Perception Mine Research Center,China University of Mining and Technology,Xuzhou221008,China;5.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Minin
9、g,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China;6.State Key Laboratoryof Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China)Abstract:Inthelong-termevolutionprocessafterthedevelopmentofthewater-conductingfracturesinoverburden,theself-healingphen
10、omenonwilloccur,inwhichthewater-conductingseepagecapacitywillgraduallydecrease.Itisofgreatsignificancetostudytheself-healingmechanismsofwater-conductingfracturesforscientificallyguidingtheecologicalfunctionrestorationofgroundwaterinminingareas.Basedontheengineeringdetectionresultsofself-healingofwat
11、er-conductingfracturesinNo.12401workingfaceofBuliantacoalminein15yearsaftermining,themechanismsofrepair-ingandreducingpermeabilityofwater-conductingfracturescausedbychemicalprecipitationgeneratedbythemixingofdifferentgroundwaterfromdifferentlayersafterminingarestudied.Theresultsshowthatthewater-cond
12、uctingfracturesintheoverburdenhaddirectlydevelopedintotheQuaternarylooselayer,whichhadconnectedmultipleaquifersinthestrata.DuetothattheshallowgroundwatercontainsmoreCa2+,whilethebedrockgroundwatercontainsmoreCO32andHCO3,theCaCO3precipitationwillbeproducedwhenthetwokindsofgroundwatermeetandmixinthemi
13、ningoverbur-den.Thesedimentmigrateswithwaterandiscontinuouslyadsorbedonthefracturesurface,thescalingprocessofinclu-sioncosedimentationconsolidationoccurs.Afteralongtimeofaccumulation,thescaleorinclusionwithcertaincorro-sionresistanceisfinallyformedtoplugandrepairthefractures.Theindoortestshowsthatth
14、eself-healingandpermeabil-ityreductioneffectofthewater-conductingfracturescausedbythisprocessisstableandrapid.Theabsolutepermeabilityofthefracturedrockspecimenisreducedfrom0.091015m2to0.00251015m2afternearlytwomonthsofmixedflowofsimulatedgroundwaterwithtwodifferentwaterquality,andthereisnoobviousper
15、meabilityfluctuationundertheconditionof1.5MPawaterpressure.Becausetheconfluenceandmixingofdifferentgroundwatermainlyoccurinthefracturedrockmassneartheminingboundary,theself-healingprocessofwater-conductingfracturesanditseffectindifferentareasofoverburdenwillbesignificantlydifferent.Theself-healingof
16、overburdenwater-conductingfracturesinthemiddleareaofNo.12401workingfaceismainlycausedbythewater-rockorwater-gas-rockinteractionscausedbyrainfallinfiltration,whilethewater-conductingfracturesneartheminingboundaryaredominatedbytheconfluencemixedflowreactionofdifferentgroundwaterandthewater-rockorwater
17、-gas-rockinteractions,sotheself-healingeffectofthelattershouldbeobviouslybetter.Thefielddetectionresultsshowthatafter15yearsofself-healingevolution,thewater-conductingfrac-turesintheoverburdenneartheminingboundaryhavebeenself-repairedinthedepthrangeof86.7mto179.1m,whiletheoverburdeninthemiddleofthem
18、iningareastillhaslocalunrepairedphenomenainthecorrespondingself-healingarea,withthedepthrangeof110.0mto118.6m,whichconfirmsthegoodrepaireffectofthechemicalprecipitationgen-eratedbytheintersectionandmixingofdifferentgroundwater.Key words:aquiferrestoration;confluenceandmixingofgroundwater;chemicalpre
19、cipitation;self-healingofwater-conductingfracture;greenmining煤炭地下开采引起的覆岩导水裂隙是造成地下水流失的主要通道,科学限制采动裂隙的导水能力是实现矿区地下水恢复的重要途径1-3。实际上,已有研究发现,覆岩导水裂隙在煤层采后的长期演变过程中,会出现导水能力(或水渗透率)逐步降低的“自修复”现象4-6,这种自修复与裂隙岩体在导水或导气过程中发生的水岩或水气岩相互作用密切相关4,7-9。相关作用过程中,裂隙面岩石矿物受溶解、溶蚀作用会发生元素的迁移与富集,原岩结构受破坏将发生泥化或软化,同时因离子交换作用会有次级矿物或结晶沉淀物的产生
20、;由此在采动应力的持续压实作用下,受软化的破坏原岩发生流塑变形并压密采动裂隙,产生的衍生物则直接充填、封堵采动裂隙,最终出现裂隙降渗的自修复现象。现场工程实践中遇到的泥岩崩解或遇水膨胀、垮落岩块的再胶结成岩等现象即是上述“自修复”的典型体现5,10-11。文献 4,7-8 基于室内水CO2岩相互作用实验,揭示了不同岩性裂隙岩样在不同酸碱性水溶液条件下的自修复降渗规律,发现裂隙自修复过程渗透率的降低呈现“先快后慢”的分区特征,中性或碱性地下水条件有利于泥岩类岩石裂隙的自修复,而酸性地下水及富含 CO2条件有利于砂岩类岩石裂隙的自修复;同时还发现,水岩或水气岩相互作用过程产生的化学沉淀(如 Fe(
21、OH)3、CaCO3等),因其具有在裂隙通道中“吸附固结”的封第6期李全生等:导水裂隙的自修复地下水混流沉淀的影响2541堵特性12-15,成为维持裂隙修复降渗效果的关键因素。因此,弄清采动覆岩中化学沉淀的产生源头及其产生过程,对于分析与评价导水裂隙的自修复程度或效果具有重要指导意义。煤系地层形成过程中,通常会在不同地质年代或不同地层范围内形成富水性不一的含水层,这些含水层因其所处的地球化学环境不同16,其赋水理化特性一般也有所不同(如阴阳离子成分、pH 值、矿化度等)。当煤层开采引起的覆岩导水裂隙沟通或破坏多层含水层时,这些来自不同层位含水层的地下水在导水裂隙中流动时将出现交汇与混合;若它们
22、之间存在能发生沉淀反应的离子成分(如其中某一地下水富含 Ca2+,另一地下水富含 CO32或 SO42),那么产生的化学沉淀将会对相应区域裂隙岩体产生良好的修复作用,从而阻止或减缓地下水的进一步流失。因此,采后不同地下水交汇混流产生化学沉淀也是引起导水裂隙修复降渗的重要过程,研究其作用机理与规律对于进一步丰富与完善导水裂隙自修复机制具有积极促进作用。笔者基于神东矿区补连塔煤矿采后覆岩导水裂隙自修复的工程探测实例,就不同地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理与规律开展了理论研究与试验验证,以期为矿区采动地下水人工恢复技术研究提供参考与借鉴。1导水裂隙自修复的工程探测1.1试验区概况补
23、连塔煤矿 12401 工作面位于 12 煤四盘区,是该盘区的首采工作面,其西翼为盘区边界煤柱,东翼为 12402 接续工作面(图 1(a)。该工作面已于 2007年开采完毕。工作面开采煤层埋深 221283m,上覆基岩厚度 180240m,地表大多被第四系松散层覆盖,具体岩层赋存如图 1(b)所示;煤层厚度 3.46.4m,(a)平面12401 工作面S19(2007 年 7 月)S21(2007 年 7 月)D1(2022 年 7 月)D2(2022 年 7 月)补连沟60 号55 号50 号45 号55 号50 号45 号第四系含水层(HCO3CaMg 型水)12401 工作面(2007
24、年)12402 工作面(2008 年)(HCO3ClNa 型水)D2 孔D1 孔(S19/S21)(b)剖面(S19/S21)探测的“导高”D1/D2 探测的“导高”直罗组含水层1 3051 307志丹群含水层(HCO3CaNaMg 型水)潜水位:31.5 m179.1 m174.4 m86.7 m110.0118.6 m(局部漏失区)冲洗液漏失区导水裂隙修复区风积砂砂砾岩岩性厚度/m细粒砂岩砂砾岩粗粒砂岩砂砾岩含砾中砂岩砾岩粗粒砂岩砾岩粗粒砂岩砾岩粗粒砂岩砂质泥岩粉砂岩砂质泥岩细粒砂岩砂质泥岩粉砂岩粗粒砂岩中粒砂岩11 煤细粒砂岩粉砂岩中粒砂岩12上 煤粉砂岩泥岩砂质泥岩12 煤Q4K1zh
25、J2aJ2zJ2y57.601.251.5810.720.808.504.942.603.6523.611.508.211.403.8710.628.8832.075.9012.923.303.861.182.344.305.000.179.919.601.325.92埋深/m57.6058.8560.4371.1571.9580.4585.3987.9991.64115.25116.75124.96126.36130.23140.85149.73181.80187.70200.62203.92207.78208.96211.30215.60220.60220.77230.68240.2824
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