基于导水裂隙扩展—重金属离子迁移的短壁块段式充填保水采煤机理研究
张云
刘永孜
来兴平
宋天奇
张雷铭
孙浩强
万培烽
詹睿
西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054
摘要：短壁块段式充填采煤技术可有效解决煤炭资源浪费、水资源流失和矸石堆积等问题,然而,采空区矸石充填材料受到矿井水的长期作用后,其内部重金属离子可能会发生浸出,对矿区水资源造成一定潜在污染影响.为此,结合短壁块段式充填采煤技术,系统地对采动造成的水资源流失和水资源污染综合防治展开研究.首先,针对矿区水资源流失防治,基于"煤柱、充填体?阻隔层?隔水层"的层位组合关系,研究短壁块段式充填采煤覆岩导水裂隙发育特征,揭示短壁块段式充填采煤诱发的覆岩结构演变下水资源保护的控制机理.其次,针对矿区水资源污染防治,建立采空区矸石充填材料重金属离子迁移模型,揭示矸石充填材料对水资源的污染机理,分析矸石充填材料重金属离子迁移规律.并由此总结矿区水资源流失-污染综合防治技术,提出基于水资源流失?污染防治的充实率设计方法.结果表明:在水资源流失防治方面,矸石材料作为充填体充入采空区后,作为永久承载体与块段间保护煤柱共同承担上覆岩层的载荷,有效阻止了低位岩层组的垮落,限制覆岩导水裂隙贯穿隔水层,确保高位岩层组的完整性;在水资源污染防治方面,矸石充填材料重金属离子在渗流、浓度、应力的耦合作用下,以矿井水为载体,在重力势能和水头压力的驱动下沿着煤柱侧向以及底板下方进行迁移运动,且重金属离子迁移距离随底板岩层渗透率、重金属离子浸出浓度/污染源强、底板裂隙深度和水位高度的增大而增大,随矸石粒径和围岩应力的增大而减小.基于此,总结了矿区水资源流失?污染综合防治技术,包括开采参数调控技术、充填参数调控技术、污染源头调控技术、传播途径调控技术以及水体原位调控技术,并提出基于水资源流失?污染防治的充实率设计方法,实现矿区水资源流失?污染综合防治.研究成果对综合防治煤炭开采造成的矿区水资源破坏问题提供一定的科学理论依据和工程指导.
关键词：水资源保护导水裂隙矸石重金属离子保水开采短壁块段式充填采煤
分类号：TD82(矿山开采)X52(水体污染及其防治)
资助基金：国家自然科学基金(52004201)国家自然科学基金(51874284)中国博士后科学基金特别资助项目(2021T140551)
论文发表日期：2023-02-25
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：18( 155-172 )
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