深部互层咸水层二氧化碳分布特征探究

通过构造砂页岩互层结构,并根据渗透率对砂岩层岩性进行分类,建立了多岩相非均质模型,利用多组分多相流数值模拟软件TOUGH2/ECO2N探究二氧化碳注入深部互层咸水层后的分布特征,结果显示二氧化碳聚集在低渗透性的页岩层底部,呈分层结构,砂岩层中优先在渗透率较高的岩相中运移并呈分散分布;超临界二氧化碳不断溶于地层水,含饱和二氧化碳的咸水密度增加并缓慢下沉,无明显分层现象。     

越流系统水流运动规律研究综述

阐述了越流系统水流运动规律研究的必要性,介绍了该领域的国内外研究现状,对越流系统研究方法及模型的建立、低渗非达西流的存在性、低渗非达西流的判据以及有关低渗非达西流的模型与运动方程等问题进行了评述,指出越流与低渗非达西流的耦合问题是今后越流系统水流运动规律研究的一个重要的发展方向,需要从不同的空间尺度和时间尺度两方面对越流系统中水流的非达西作用以及固结、弹性储释水等对水流的影响开展研究。     

鄂尔多斯盆地北部直罗组含水层研究进展与水害防治建议

近十几年来,鄂尔多斯盆地北部煤矿开采频频受到了直罗组地下水的威胁,甚至出现了突水事故。区内以直罗组地下水为充水水源的大水矿井连片分布,且与直罗组古河道砂体关系密切。为阐释神府南区直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式,在直罗组古河道砂体空间分布及其对地下水赋存控制作用研究的基础上,从研究区尺度、井田尺度和工作面尺度,分析了直罗组古河道砂体与矿井涌水的关系,提出了直罗组古河道砂体下矿井涌水模式。结果表明：神府南区直罗组古河道冲刷带沿红碱淖—尔林兔—锦界一线发育,冲刷带内延安组第5段几乎被冲刷剥蚀殆尽,在局部地区延安组第4段也遭受了冲刷。根据砂分散体系分析和隔水岩组发育特征,将冲刷带内充填沉积的古河道砂体分为3级。直罗组古河道砂体富水性的强弱主要受控于砂体规模、物性特征和风化作用,一级砂体(主河道)区域富水性强于二级砂体(分支河道)及三级砂体(三角洲间湾、分流间湾)区域,当砂体遭受风化后,其富水性将进一步增强。基于不同尺度下砂体分级、风化砂体厚度与矿井涌水关系的分析,提出了研究区东部现阶段古河道砂体下生产矿井的3种涌水模式。强涌水模式,主要位于一级砂体分布区,风化砂体厚度一般≥30 m。中等涌水模式,主要位于一级砂体的边缘或二级砂体区域,风化砂体厚度一般10～30 m。弱涌水模式,主要位于三级砂体区域,风化砂体厚度一般 < 10 m。

     

煤矿地下水库高盐矿井水封存对地下水的影响

以宁夏灵新煤矿地下水库建设为工程背景,分析了在煤矿地下水库建设和运行过程中,可能对邻近含水层造成影响的两大因素:① 煤层工作面重复开采引起的覆岩裂隙导通含水层,会对矿区地下水资源造成初次影响;② 在高盐矿井水注入地下水库的过程中,由于浓度梯度的作用,矿物离子将主要沿着裂隙通道进行扩散,进而可能对矿区地下水资源造成二次影响。这2种影响方式都与采空区覆岩中的采动裂隙是否形成贯通的渗流通道密切相关。基于上述分析,首先通过固-液耦合相似模型试验与数值计算相结合的方法,分析了灵新煤矿拟建煤矿地下水库区域重复开采条件下采空区覆岩的裂隙网络演化规律和渗流通道特征,进而深入分析了重复开采对煤层上方各含水层的影响,具体表现在:一采区工作面回采结束后,采空区上覆岩层裂隙相互连通并扩展至K4含水层,但K3含水层与采空区之间未出现明显的渗流路劲,表明重复开采对K3含水层的影响较小。综合上述相似模拟试验和数值计算得到的裂隙网络特征,采用OpenGeoSys多场耦合数值模拟软件,模拟了高盐矿井水在采动裂隙网络中的渗流过程,分析了高盐矿井水在煤矿地下水库中封存后对上覆含水层的污染风险。研究结果表明:注水条件下,高浓度盐水首先在裂隙采空区流动,随后沿着覆岩断裂裂隙进入K4含水层,并最终在K4含水层及其邻近覆岩断裂裂隙中流动,渗流场离K3含水层较远。浓度场在自身重力所用下10 a后扩散速度有所减缓,在50 a内,浓度场主要在K4含水层邻近覆岩、K4含水层和底部泥岩中扩散,只有微量高盐矿井水会扩散至K3含水层中。     

天津第二粉土粉砂微承压含水层回灌试验研究

悬挂式止水帷幕下抽取坑内承压水时会对周边环境产生影响,地下水回灌能够有效控制坑外水位降深从而达到保护环境的目的。由于止水帷幕的存在,坑内外抽灌水使得基坑内外形成水位差。帷幕两侧水位差一方面是渗流方向和渗流路径的改变引起的,一方面是渗流面积减少引起的。通过数值模拟回归分析方法获得了基坑外回灌时帷幕两侧水位差的计算公式。将回灌时获得的水位差与笔者以往获得的基坑内抽水时止水帷幕两侧水位差的计算公式进行叠加,获得了基坑内外抽灌承压水时止水帷幕两侧水位差的计算公式。所提出的公式表明,帷幕两侧水位差与止水帷幕宽度及其进入承压含水层的深度、含水层各向异性、含水层的厚度以及无止水帷幕下抽灌承压水在帷幕处产生的水力梯度有关。最后通过工程实例对所提出的算法进行了验证。

     

环境岩土工程研究进展

土工膜复合隔离墙是当前最有效的污染场地管控技术之一。针对复合隔离墙外侧含水层中存在地下水渗流的情况,建立了有机污染物在复合隔离墙-含水层中迁移的数值模型,并利用有限元软件COMSOL 5.3进行计算。基于该模型,对含水层及复合隔离墙参数影响进行了系统分析。结果表明：地下水渗流速度增大将加速污染物迁移出复合隔离墙,并导致墙体中污染物浓度下降;当渗流速度高于1×10^-5 m/s或低于1×10^-9 m/s时,基于零浓度边界条件和无对流含水层边界条件的解析模型方可用于复合隔离墙初步设计;土工膜的最佳位置与污染物类别及地下水流速密切相关,不同土工膜位置情况下的复合隔离墙外侧界面累积总通量差距可达10%～20%;采用EVOH共聚土工膜时的复合隔离墙防污性能显著优于采用HDPE土工膜。

     

再论含水层富水性评价的“富水性指数法”

针对现有含水层富水性评价方法中指标权重均为固定不变的常权,忽略了单个主控因素内部之间的变化和多个因素组合状态下的变化,在“富水性指数法”思想指导下,提出了一种基于分区变权理论的富水性指数法,不仅能确定不同评价指标的权重,而且能确定同一指标处于不同状态值时的不同权重。从影响含水层富水性的岩性差异、水力特性、构造因素、地球物理参数4个方面出发,建立了能够较为全面真实刻画富水性分布规律的四大类十六小类主控因素体系;提出了主控因素指标值标准化以及无量纲化处理方法,为多因素的信息融合分析奠定了基础;应用变权理论,运用动态聚类中的K-均值聚类方法划分了主控因素各指标的变权区间阈值,研究了状态变权向量的构建及调权参数的确定方法,定量确定各主控因素对含水层富水性的相互作用关系以及相对重要性大小;构建了基于变权理论的富水性指数评价方法和数学模型。同时以彬长矿区小庄煤矿巨厚洛河组砂岩裂隙含水层为例,详细说明了基于分区变权理论的富水性指数法的具体实施步骤,利用5组抽水试验数据对评价结果进行了校正;结果表明小庄煤矿洛河组充水含水层富水性强度从西北向东南呈递减趋势,较强~强富水区主要分布在二、三盘区,一盘区西部边界也有小范围分布;中等富水区呈条带状分布于矿区中部偏西和五盘区西北部,其余地区为较弱~弱富水区。最后,将其与传统常权评价结果对比,证明变权模型更能体现含水层非均质的特性,预测精度更高。     

基于集对分析-可变模糊集耦合法的砂岩含水层富水性评价

我国西北地区的侏罗系煤炭资源开采过程中面临顶板水害威胁,其危害程度与煤层上覆地层的水文地质结构有关,对煤层顶板含水层富水性进行合理有效的预测评价,有利于对顶板水害防治做出科学的决策,从而实现安全开采。以宁东矿区金家渠煤矿为例,基于岩性,选取了砂岩等效厚度,砂岩岩性系数,砂泥互层数3个评价因素,建立了岩性影响指数评价指标;基于构造,针对断层、褶皱,选取了断层交端点密度、断层规模密度、煤层倾角变异系数3个指标作为主采煤层上覆直接充水含水层-直罗组砂岩含水层富水性的评价指标。在此基础上,引入集对分析-可变模糊集耦合评价方法,构建了基于集对分析-可变模糊集耦合评价法的直罗组含水层富水评价模型。利用“联系度”实现了富水评价指标与评价等级间的反映联系,利用“相对隶属度函数”实现了富水评价指标值之间的有机融合。在富水性相对分区的基础上,以研究区钻孔抽(放)水试验的单位涌水量为基准,综合确定了研究区富水性分区,结果表明,研究区整体富水性较弱,具有中等、弱2个等级分区,其中富水性中等区域主要位于研究区中北部,富水性弱区主要位于南部、东部及西部。     

神府矿区大型水库旁烧变岩水保水开采技术研究

神府矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区,同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区,烧变岩水是区内的主要地下水资源之一。为研究区内烧变岩水对采煤的影响和烧变岩水的保护问题,以张家峁井田首采区首采地段5-2煤开采为例,通过对水文地质结构系统和5-2煤顶板导水裂隙带的分析,查明了研究区的水资源类型和特征,确立了5-2煤保水开采对象,划分了5-2煤保水开采分区,提出了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术。研究结果表明:研究区的水资源类型主要有6类,其中仅有4-2煤烧变岩水具有保水开采意义,5-2煤开采划分为4-2煤烧变岩水无水开采区和保水限采区。5-2煤保水限采区设计的帷幕墙空间形态、帷幕线位置及数量、注浆钻孔排间距及结构合理,制定的钻探和注浆施工工序和工艺科学,实施的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等注浆帷幕关键技术可行。保水限采区5-2煤采煤工作面采前上覆4-2煤烧变岩水预疏放和采后工作面涌水量实测结果表明,保水限采区内4-2煤烧变岩水静储量约20000m3,动态补给量不足5m3/h,注浆帷幕截流实现了帷幕内外4-2煤烧变岩水的有效隔离,大幅减少了4-2煤烧变岩水及与其有直接水力联系的常家沟水库水的排放,水资源保护性开采效果显著。     

循环抽注水作用下承压含水层砂土的变形特性

为探讨人工回灌和地下水位季节性变化等因素对承压含水层砂土变形特性的影响,利用FlowTracⅡ增量固结试验系统,设计了符合承压含水层砂土应力状态、符合抽注水应力路径的单向压缩试验,研究了循环抽注水作用对砂土变形特性的影响规律及抽注水作用下砂土变形特性的影响因素。试验结果表明：抽水作用（加载）下砂土产生压缩变形,注水作用（卸载）下,砂土变形呈现压缩和回弹两种现象,且砂土孔隙比大（密度小）时易发生注水压缩现象;循环抽注水作用下砂土总体呈现压缩变形特性,随抽注水循环次数的增加和前期固结压力增大,注水作用下砂土变形逐渐由压缩向回弹转化。基于砂土结构演变,构建了以弹性理论和最小势能原理为基础的抽注水作用下砂土变形机理,解释了注水作用过程中砂土变形呈现的回弹与压缩交替波动的试验现象,用试验结果总结了注水强度、前期固结压力、注水速率等因素对砂土变形特性的影响规律,验证了抽注水作用下砂土变形机理的合理性。