趙春虎，楊 建，王世東，周建軍，許 峰，劉 基

礦井水深層回灌過程量質(zhì)耦合模擬分析

趙春虎1,2，楊 建1,2，王世東1,2，周建軍1,2，許 峰1,2，劉 基1,2

(1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077)

礦井水深井回灌是礦井水“轉(zhuǎn)移存儲”處理的主要形式，根據(jù)鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)地質(zhì)和礦井水特征，從回灌目的層地下水與礦井水的匹配性、上下巖層的隔水性、回灌層的滲透性以及封閉性角度提出了礦井水回灌目的層選取依據(jù)。并以地下水達(dá)西定律和Dupuit理論為基礎(chǔ)，建立極坐標(biāo)系完整注水井穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，得出在穩(wěn)定注水條件下，回灌量與注水層滲透系數(shù)、厚度、回灌壓力、水位埋深以及回灌井直徑正相關(guān)，與影響半徑負(fù)相關(guān)，與回灌層埋深無關(guān)。提出了礦井水深層回灌水動力和溶質(zhì)運移耦合仿真模型構(gòu)建方法，并以礦井水回灌試驗案例為分析對象，模擬得出礦井水回灌過程中含水層水壓形成以注水井為中心的“高位水丘”，且注水壓力越大，回灌量增加較為明顯，模型分析結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果基本一致。溶質(zhì)運移范圍形成以注水井為中心的“圓柱狀”彌散形態(tài)，特征離子濃度沿回灌井兩側(cè)變化劇烈，回灌層特征離子濃度被迅速稀釋，隨著時間的延伸，彌散稀釋范圍增加相對較小，說明礦井水回灌對深部高濃度含水層地下水水化學(xué)影響程度不大，研究成果可為西部煤礦區(qū)礦井水高效回灌處理提供科學(xué)依據(jù)。

礦井水處理；回灌；溶質(zhì)運移；滲流；數(shù)值模擬

西部煤礦區(qū)(包括晉陜蒙寧甘新)位于干旱–半干旱地區(qū)，是保障我國能源安全的核心區(qū)域，煤炭儲量和產(chǎn)量均占全國70%以上，水資源總量僅占全國水資源總量7.9%，高強(qiáng)度的煤炭資源開發(fā)過程中，不可避免地排放大量地下水[1-2]，僅鄂爾多斯盆地每年礦井水排放量就超過10億m3。孫亞軍等[3]根據(jù)礦井水的組成成分將礦井水污染類型劃分為常見組分、酸性、高礦化度、高硫酸鹽、高氟[4]、堿性及含特殊組分7種類型，各類型的礦井水長期外排易誘發(fā)地表水、淺層地下水污染等生態(tài)環(huán)境負(fù)面響應(yīng)。

黨的十九大報告指出：必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策。 2015年《內(nèi)蒙古自治區(qū)水功能區(qū)管理辦法》要求“禁止新增、擴(kuò)建入河排污口”；2018年《煤炭行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》中要求“水資源短缺礦區(qū)，礦井水利用率要求達(dá)到100%”；2020年國家能源局、生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評價管理的通知》，提出“礦井水在充分利用后仍有剩余且確需外排的，應(yīng)滿足或優(yōu)于受納水體環(huán)境功能區(qū)劃規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量對應(yīng)值，含鹽量不得超1 000 mg/L”等要求?？梢妵液偷胤疥P(guān)于高礦化度礦井水達(dá)標(biāo)排放和資源化回用的政策日益趨嚴(yán)，對西部礦區(qū)礦井水處理提出了新的挑戰(zhàn)。

礦井水處理可分為“被動資源化”和“主動減排”2種模式。以采煤工藝優(yōu)化為主、抑制導(dǎo)水裂縫發(fā)育為目標(biāo)的 “分層[5]、限高[6]、條帶[7]、充填[8-9]、并行”等主動減排工藝，仍然面臨高成本、低資源采出率的技術(shù)難題[10]。近年來，將礦井水的主要充水含水層通過注漿加固、建設(shè)地下連續(xù)帷幕墻體[11-12]等也逐步應(yīng)用于礦井水主動減排的工程實踐中，但前期投資費用過大是限制該項技術(shù)推廣的主要原因。而傳統(tǒng)的礦井水處理利用方法多為被動資源化模式，一般是將礦井水由井下水倉排出，針對不同的礦井水質(zhì)特點，采用混凝、吸附、過濾、沉淀、消毒、除鹽、軟化等地面處理工藝使礦井水達(dá)到復(fù)用水質(zhì)要求后回用，相關(guān)水處理設(shè)施存在基建投資大、占地面積大、工序復(fù)雜、運營費用高、運行不穩(wěn)定等特點。顧大釗等[13-14]在淺部煤層區(qū)開展了以“地下水庫”為核心的礦井水“原位儲存”保護(hù)的工程實踐。

礦井水深層回灌是減少礦井水外排的一種被動處理方法，在不改變采煤工藝的條件下，從地面施工鉆井，將預(yù)處理后的礦井水回灌至深部的含水層中，以實現(xiàn)礦井水“轉(zhuǎn)移存儲”，具有施工工藝相對簡單、運行成本低等優(yōu)勢。任學(xué)勤等[15]在河北中關(guān)鐵礦全封閉注漿帷幕后，通過回灌井將礦井水灌入帷幕外的地下含水層中；李世峰等[16]在河北峰峰礦區(qū)梧桐莊井田，將礦井水回灌至厚度大、滲透性好、礦化度接近的奧灰含水層，實現(xiàn)礦井水零排放；孫亞軍等[17]提出將神東礦區(qū)煤層上覆的第四系松散層地下水和處理后的礦井水轉(zhuǎn)移存貯到深部的承壓含水層的技術(shù)思路。曾繁富等[18]認(rèn)為鄂爾多斯烏審旗一帶三疊系劉家溝組為典型漏層，并從回灌環(huán)境影響、礦產(chǎn)影響角度分析了高礦化度礦井水回灌目的層的可行性；楊光輝等[19]、陳歌[20]以該地層為回灌層，開展神東煤炭基地呼吉爾特礦區(qū)某井田礦井水深層回灌試驗，驗證了礦井水深層回灌的可行性。

筆者以鄂爾多斯某礦井深層回灌井為研究對象，分析了回灌目的層選取的一般依據(jù)，并根據(jù)地下水達(dá)西定律和Dupuit原理，建立完整注水井穩(wěn)定流模型，識別深層回灌影響因素。通過建立回灌井水動力和溶質(zhì)運移耦合仿真模型，定量研究了礦井水深層回灌過程水動力–溶質(zhì)時空變化規(guī)律，以期為西部煤礦區(qū)礦井水高效回灌處理提供借鑒。

1 礦井水深層回灌層選取與回灌量影響因素

1.1 礦井水深層回灌層選取依據(jù)

鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)主采侏羅系延安組煤層，埋深一般為100～700 m，礦井水主要來源為煤層上覆的延安組、直羅組含水層地下水。據(jù)統(tǒng)計，陜西彬長、榆橫礦區(qū)，內(nèi)蒙古呼吉爾特、納林河等深部礦區(qū)，生產(chǎn)礦井正常涌水量一般在1 000 m3/h以上，礦井水TDS 在800～13 000 mg/L，總硬度在 100～3 000 mg/L，絕大部分均為高礦化度礦井水[21]，如陜西彬長礦區(qū)生產(chǎn)礦井高礦度礦井水占比 90%，內(nèi)蒙古自治區(qū)22座煤礦中高礦化度礦井水占比86.4%[22]，且隨著煤層埋深的增加，含水層地下水礦化度增大趨勢較為明顯。特別在鄂爾多斯深部煤礦區(qū)，涌水量大、礦化度高是礦井水的普遍特征。

根據(jù)鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)地質(zhì)和礦井水特征，從安全、效率方面提出一般礦井水回灌目的層選取依據(jù)。

(1) 回灌目的層地下水與礦井水要有良好的匹配性。一般要求礦井水回灌層地下水礦化度不小于礦井水最大礦化度，由于鄂爾多斯煤礦區(qū)高礦化度礦井水主要來源為煤層上覆的延安組、直羅組含水層，根據(jù)地下水一般徑流和礦化度垂向上的分布規(guī)律，回灌目的層應(yīng)選擇含煤巖系以下地層。

(2) 回灌目的層的上下巖層具有良好隔水性。一是回灌目的層與區(qū)域可供利用的地下含水層之間夾有良好的隔水層，以保障礦井水回灌不會對可利用地下水資源產(chǎn)生污染。二是回灌目的層與煤層底板之間夾有良好的隔水層，以保障礦井水回灌不會對煤層開采帶來突水風(fēng)險。另外，鄂爾多斯盆地是一個煤、油、天然氣和鈾共存的沉積盆地，因此，回灌目的層與地區(qū)二疊系下統(tǒng)的山西組儲氣層、三疊系延長組儲油層之間要有良好的隔水層[23]，以保障礦井水回灌不會對油氣資源開采帶來影響。

(3) 回灌目的層具有良好的滲透性和足夠的儲水空間。礦井水通過高壓注入回灌層，回灌層良好的滲透性能和足夠的原生巖層裂隙空間，是保障礦井水回灌量與回灌效率的基礎(chǔ)。同時，回灌層裂隙宏觀空間發(fā)育特征是回灌井型選擇的重要依據(jù)，如水平裂隙型巖層以垂直井為宜，垂向裂隙發(fā)育為主的巖層可考慮地面定向井。

(4) 回灌目的層具有良好的封閉性，一般要求區(qū)域構(gòu)造比較簡單，沒有發(fā)育大型導(dǎo)水?dāng)鄬踊蚱扑閹В毓嗨绊懙膮^(qū)域內(nèi)無地表水體出露或出露點，保障回灌含水層與其他含水層、地表水體間無串層、泄露污染等影響。

另外，回灌井施工技術(shù)難度，回灌運行費用評估等也是回灌層選取重要考慮因素。

1.2 研究區(qū)回灌案例

為實現(xiàn)高礦化度礦井水的零排問題，井田施工礦井水深層回灌試驗井，并根據(jù)鄂爾多斯盆地相關(guān)氣井[24-25]、神華CO2捕集與封存監(jiān)測井(內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗)[26]，以及MC-1試驗井相關(guān)測試成果，將普遍存在區(qū)域性井漏現(xiàn)象的三疊系下統(tǒng)的劉家溝組砂巖層為預(yù)處理后的礦井水注水層，該層厚度496 m(埋深1 804～2 300 m)，鉆井過程井漏現(xiàn)象明顯，取心較為破碎，表現(xiàn)出較為良好的滲透性。該層距離上部主采煤層底板900 m左右，距離地區(qū)主要供水含水層白堊系志丹群約1 800 m，距離下部二疊系下統(tǒng)的山西組儲氣層約500 m以上[18]。三疊系劉家溝組上覆為和尚溝組(厚度198 m)，下伏石千峰組(厚度291 m)，上下地層以細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖互層為主，為厚度穩(wěn)定、滲透性能極弱的相對隔水層。

綜上可見，厚度穩(wěn)定、鉆井液漏失相對明顯、上下地層隔水層性能良好、與煤油氣儲層距離遠(yuǎn)，地下水礦化度明顯大于礦井水的三疊系劉家溝組滿足礦井水回灌層選取要求。該井田礦井水深層回灌試驗井深 2 299.5 m，井徑215.90 mm(回灌層段)，動力源為井口高壓泵，在回灌壓力6～10 MPa條件下，穩(wěn)定回灌量65～120 m3/h[19-20]，實現(xiàn)了礦井水“轉(zhuǎn)移存儲”。

1.3 礦井水深層回灌影響因素

礦井水回灌量是回灌井層位選取、回灌工藝設(shè)計的重要基礎(chǔ)。以前文中垂直完整回灌井案例為分析對象，礦井水深層回灌過程如圖1所示。

圖1 礦井水深層回灌

將礦井水深層回灌概化為穩(wěn)定流過程，根據(jù)地下水達(dá)西定律和Dupuit假定，在極坐標(biāo)系中，穩(wěn)定流完整井抽注水過程中任意斷面流量相等，回灌量可由下式計算：

注水井注水過程中滲流斷面為圓柱面，即面積=π，則：

分離變量積分，取積分限，由w(井徑)至(影響半徑)，水位由w至0，則：

式中：為注水層滲透系數(shù)，m/d；注水層厚度，m；為回灌過程中注水層水位高程，m；w為注水孔內(nèi)水位高程，m；0為注水層回灌前水位高程，m；為注水孔中心至注水層外圍的距離，m；w為注水孔半徑，m；為影響半徑，m。

為便于分析，定義為回灌井孔口壓力表讀數(shù)，MPa；0為注水層回灌前水位埋深，m；為注水層段任一點至地面距離，m。則式(3)中注水井內(nèi)水頭為wg+Z00，由此：

由式(4)可見，承壓含水層完整井在穩(wěn)定注水條件下，回灌量與注水層滲透系數(shù)、厚度、回灌壓力、水位埋深0以及回灌井半徑w呈正相關(guān)，與影響半徑呈負(fù)相關(guān)，與回灌層埋深無關(guān)。

2 礦井水深層回灌規(guī)律仿真構(gòu)建

以前節(jié)回灌試驗井為仿真案例，開展礦井水深層回灌地下水系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建。

2.1 回灌水動力與溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型

1)水動力模型

礦井水深層回灌為有壓回灌，為了便于分析，模型中將水頭均換算成水壓，采用達(dá)西非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型刻畫回灌過程。

達(dá)西非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

根據(jù)地下水流連續(xù)性原理，在回灌井與回灌層接觸面上具備水壓連續(xù)和流速連續(xù)水動力條件，因此，模型可將該接觸面定義為一類水頭邊界：

(,,,)|k10–6(6)

回灌量為：

(,,,)|=∫∫v(,,,)d(7)

回灌層初始條件：

0(,,z)|0=10–6(8)

2)溶質(zhì)運移對流–彌散模型

水動力彌散是指溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散過程，機(jī)械彌散是由于多孔介質(zhì)中溶劑(地下水)速度不均一，水動力梯度驅(qū)動的溶質(zhì)運移現(xiàn)象；分子擴(kuò)散是由于溶劑中所含溶質(zhì)的濃度不均一，濃度梯度驅(qū)動下的一種物質(zhì)運移現(xiàn)象；是一個同時存在、不穩(wěn)定與不可逆轉(zhuǎn)的過程。在不考慮飽和孔隙介質(zhì)中溶質(zhì)的吸附、沉淀、溶解、離子交換、化學(xué)反應(yīng)等作用，溶質(zhì)運移的對流彌散方程為：

式(9)中右邊第一項為分子擴(kuò)散驅(qū)動的溶質(zhì)運移過程，第二項為地下水流動驅(qū)動的組分運移。

回灌層溶質(zhì)濃度初始條件：(,,)|0=0；

回灌層外圍為無限元定濃度邊界條件：(,,) =0；

在回灌井與回灌層接觸面上根據(jù)水流連續(xù)性原理，在模型中可將該接觸面定義為一類定濃度邊界：(,,,)|=C1。

式中：為回灌過程中滲流區(qū)特征離子質(zhì)量濃度，mg/L；1為礦井水特征離子質(zhì)量濃度，mg/L；為地下水實際流速，m/d；為水動力彌散系數(shù)，m2/d，其中，為彌散度，m。

在溶質(zhì)運移對流–彌散模型中，通過地下水的實際流速與達(dá)西流速關(guān)系(e)，調(diào)用水動力模型中的達(dá)西流速實現(xiàn)水動力模型與溶質(zhì)運移模型的耦合。

2.2 礦井水深層回灌數(shù)值模型

根據(jù)區(qū)域與MC-1礦井水深層回灌試驗井地質(zhì)與水文地質(zhì)特征，以回灌層劉家溝組砂巖含水層為模擬對象，分別以和尚溝組與石千峰組弱透水地層為模型上下邊界，并將回灌含水層外圍邊界概化成“大范圍”的無限展布的充水含水層，以減少“小范圍”人為水頭邊界與流量邊界的影響，也減少了模型單元剖分量。

利用有限元三角四面體單元剖分方法，以回灌井孔徑尺寸的1/3為最小單位剖分標(biāo)準(zhǔn)，對回灌井孔壁進(jìn)行局部精細(xì)剖分。另外，回灌井在非注水層地層段為止水固井段，無注水體滲入，因此，以注水含水層上下面為界，僅構(gòu)建回灌井與注水含水層直接接觸段，并以注水井中心為對稱斷面，建立含水層與回灌復(fù)合刻畫的計算機(jī)模型(圖2)，提高整個模型網(wǎng)絡(luò)剖分質(zhì)量。

圖2 礦井水深層回灌數(shù)值模型

根據(jù)案例的礦井回灌層水文地質(zhì)特征和礦井水水化學(xué)特征，模型主要參數(shù)見表1。

表1 模型主要參數(shù)

3 礦井水深層回灌仿真案例

3.1 水動力場演化規(guī)律

礦井水深層回灌試驗井以井口高壓泵為動力源，圖3a是注水前地下水流場的分布圖，回灌前注水含水層水壓重力作用下隨埋深增加而增大，回灌過程中，注水井周邊注水含水層大面積水壓增加明顯，形成以注水井為中心的 “高位水丘”(圖3b，圖3c)，而在回灌井兩側(cè)外圍水壓增加幅度明顯減緩(圖4)，說明相對高壓礦井水回灌會對深部含水層較大范圍的地下水動力條件產(chǎn)生影響，形成以注水井為中心的 “高位水丘”區(qū)，但在外圍影響程度相對較小。

圖3 礦井水深層回灌過程中地下水動力演化

圖4 不同回灌壓力下回灌層穩(wěn)定水壓力分布

如圖5所示，定壓注水后回灌含水層水壓隨時間迅速增加至相對穩(wěn)定狀態(tài)，注水量隨時間衰減至穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定周期約10 d。注水水壓分別在6、7、8 MPa條件下，在回灌層底界距離注水孔100 m兩側(cè)(回灌井在=1 000 m處)，隨著注水壓力的增加回灌層穩(wěn)定水壓分別為23.0、23.5、24.0 MPa，即回灌壓力增幅在1 MPa時，回灌層在距離回灌井100 m處的水壓相對增幅約為0.5 MPa。如圖5所示，注水量隨時間表現(xiàn)出明顯的衰減趨勢，穩(wěn)定注水量隨注水壓力的增加而增大，注水水壓分別在6、7、8 MPa條件下，在=10 d時的注水量分別為68.2、79.8、90 m3/h，即注水壓力增加1 MPa，回灌增量約10.5 m3/h?？梢姡⑺畨毫υ酱?，由于以回灌井為中心的回灌層水壓增加幅度不大，更易形成更大的水力梯度，進(jìn)而使回灌量增加較為明顯。根據(jù)回灌井試驗成果(表2)，在注水壓力6.2～8.5 MPa條件下，實際穩(wěn)定回灌量68.2～98.0 m3/h，表現(xiàn)出回灌壓力越大穩(wěn)定回灌量越大的一般規(guī)律，文獻(xiàn)[20]中根據(jù)穩(wěn)定流模型反演得出回灌層滲透系數(shù)0.011 07～ 0.015 18 m/d，與本模型回灌井反演模擬結(jié)果基本一致，可見礦井水深層回灌仿真模型構(gòu)建可靠性高。

圖5 不同回灌壓力下回灌水量隨時間變化

表2 案例礦井回灌實際試驗成果和回灌層滲透系數(shù)

3.2 水化學(xué)場演化規(guī)律

西部礦區(qū)礦井水深層回灌處于探索階段，文獻(xiàn)顯示僅有位于鄂爾多斯盆地東緣母杜柴登礦井開展了礦井水深層回灌試驗工程，針對弱堿性礦井水與劉家溝組地層酸性地下水“水–水”作用，以及回灌過程中的“水–巖”等相互作用相關(guān)研究極少。為了保障回灌量，回灌注水壓力一般取8 MPa以上，礦井水深層回灌過程中以機(jī)械彌散為主，本節(jié)為了便于模型分析，未考慮溶質(zhì)吸附、沉淀、溶解、離子交換、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜作用，采用前文建立的溶質(zhì)運移對流–彌散模型，以水體中水化學(xué)性能穩(wěn)定的Cl–為特征離子，根據(jù)礦井水和回灌含水層地下水水化學(xué)特征，設(shè)計回灌礦井水Cl–質(zhì)量濃度為70 mg/L，回灌含水層下水體初始Cl–質(zhì)量濃度為40 000 mg/L，開展回灌過程中特征離子溶質(zhì)運移規(guī)律的仿真分析，以期為礦井水深層回灌過程中溶質(zhì)遷移規(guī)律提供參考。

如圖6所示，在注水壓力為6 MPa條件下，Cl–運移范圍形成以注水井為中心的“圓柱狀”彌散形態(tài)，但Cl–質(zhì)量濃度沿回灌井兩側(cè)變化劇烈，中心區(qū)回灌層Cl–質(zhì)量濃度被迅速稀釋，但在一定注水影響范圍外，Cl–質(zhì)量濃度被迅速恢復(fù)至回灌層原始濃度。且隨著時間的延伸，彌散稀釋范圍呈現(xiàn)增加趨勢，但增加的范圍相對較小，如=360 d時，彌散半徑約為100 m，=3 600 d時，彌散半徑擴(kuò)展到280 m左右，說明礦井水回灌對深部高礦化度含水層地下水影響范圍有限。

圖6 礦井水回灌過程中特征離子(Cl–)運移范圍

如圖7所示，在不同注水壓力下，Cl–運移范圍均以回灌井為中心，形成明顯的稀釋區(qū)，并隨時間逐步向外擴(kuò)大，但注水壓力的增加對Cl–運移范圍擴(kuò)展促進(jìn)作用并不明顯，說明提高注水壓力對深部高礦化度含水層地下水影響作用有限。

圖7 不同回灌壓力下特征離子(Cl–)運移范圍

4 結(jié)論

a. 根據(jù)鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)地質(zhì)和礦井水特征，從回灌目的層地下水與礦井水匹配性、上下巖層的隔水性、回灌層的滲透性以及封閉性角度提出一般礦井水回灌目的層選取依據(jù)。并通過建立完整注水井穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，得出承壓含水層完整井在穩(wěn)定注水條件下，回灌量與注水層滲透系數(shù)、厚度、回灌壓力、水位埋深以及回灌井直徑正相關(guān)。

b. 提出了以達(dá)西非穩(wěn)定流方程和對流彌散方程為基礎(chǔ)的礦井水深層回灌水動力–溶質(zhì)運移耦合仿真模型的構(gòu)建方法。

c.以案例井田礦井水回灌為分析對象，模擬得出高壓礦井水回灌會對深部含水層地下水動力條件存在較大范圍影響，注水井為中心的 “高位水丘”區(qū)影響明顯，但在外圍影響程度相對較小。且注水壓力越大，由于以回灌井為中心的回灌層水壓增加幅度不大，易形成更大的水力梯度，進(jìn)而使回灌量增加較為明顯?，F(xiàn)場試驗結(jié)果與回灌井模擬結(jié)果基本一致。

d. 以水化學(xué)性能穩(wěn)定的Cl–為特征離子，模擬得出溶質(zhì)運移范圍形成以注水井為中心的“圓柱狀”彌散形態(tài)，離子濃度沿回灌井兩側(cè)變化劇烈，含水層離子濃度被迅速稀釋，但在一定注水影響范圍外回歸至回灌層原始濃度。隨著時間的延伸，彌散稀釋范圍增加相對較小，說明相對低濃度礦井水回灌對深部高濃度含水層地下水化學(xué)影響程度不大。

e.根據(jù)現(xiàn)場與室內(nèi)試驗成果，建立考慮高壓回灌對回灌含水層壓裂增透作用，以及回灌過程中溶質(zhì)與介質(zhì)間的吸附、沉淀、溶解、離子交換、化學(xué)反應(yīng)等作用，是進(jìn)一步定量研究礦井水深層回灌過程水動力–溶質(zhì)時空變化規(guī)律的重要方向之一。

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Coupling simulation of groundwater dynamics and solute transfer in the process of deep reinjection of mine water

ZHAO Chunhu1,2, YANG Jian1,2, WANG Shidong1,2, ZHOU Jianjun1,2, XU Feng1,2, LIU Ji1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

The deep well reinjection of mine water is a main form of “transfer storage” treatment of mine water. According to the geological and mine water characteristics of the coal mine area in Ordos Basin, the paper puts forward the basis for selecting the target layer of mine water reinjection from the perspective of good matching between groundwater and mine water in the target layer of reinjection, the water isolation of upper and lower strata, permeability and sealing of the reinjection layer. Based on Darcy’s law of groundwater and Dupuit’s theory, a mathematical model of steady flow of water injection well in polar coordinate system is established. It is concluded that under the condition of steady water injection, the reinjection quantity is positively correlated with the permeability coefficient, thickness, reinjection pressure, water level burial depth and reinjection well diameter of water injection layer, negatively correlated with the influence radius, and it has nothing to do with the burial depth of water injection layer.The construction method of coupling simulation model of groundwater dynamics and solute transfer in the process of deep mine water reinjection was put forward, and mine water reinjection test was taken as the analysis object. The simulation results show that the formation of water injection well is the “high water mound” in the process of high-pressure mine water reinjection; the higher the injection pressure is, the more obvious the reinjection amount is. The model analysis results are basically consistent with the field test results.Moreover, the solute transfer range forms a “cylindrical” dispersion shape centered on the water injection well; the ion concentration changes sharply along both sides of the reinjection well; the ion concentration of the aquifer is rapidly diluted. With the extension of time, the increase of dispersion dilution range is relatively small, which indicates that the relative recharge of mine water has little effect on groundwater chemistry of deep high concentration aquifer. The research results are expected to provide scientific basis for efficient recharge of mine water in western coal mining area.

mine water treatment; reinjection; solute transfer; seepage; numerical simulation

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TD32

A

1001-1986(2021)05-0036-09

2021-04-08；

2021-08-05

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2020JM-715)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2018-TD-MS069，2018-TD-QN052)

趙春虎，1981年生，男，陜西扶風(fēng)人，博士，研究員，從事礦山水害防治與礦區(qū)水環(huán)境保護(hù)研究. E-mail：zhaochunhu@cctegxian.com

趙春虎，楊建，王世東，等.礦井水深層回灌過程量質(zhì)耦合模擬分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：36–44. doi: 10. 3969/j. issn. 1001-1986. 2021. 05. 004

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. 004

(責(zé)任編輯 周建軍 聶愛蘭)