高矿化度矿井水深部转移存储介质条件及影响机制
2021-11-03孙亚军王厚柱张志军
李 鑫,孙亚军,陈 歌,王厚柱,张志军
高矿化度矿井水深部转移存储介质条件及影响机制
李 鑫1,孙亚军1,陈 歌1,王厚柱2,3,张志军4
(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116;2. 中国中煤能源集团有限公司,北京 100120;3. 中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院,北京 100083;4. 中国煤炭地质总局勘查研究总院,北京 100039)
我国西部干旱–半干旱矿区既面临水资源匮乏,又面临矿井涌水量大、矿井水矿化度高等难题。为减少采煤过程中水资源浪费、保护西部地区水生态环境,基于保水采煤和煤–水双资源协调开采等理论基础与技术方法,围绕“矿井水深部转移存储”这一核心科学理念,提出将处理后的矿井水进行高压深井转移存储,转移至煤层底板深部含水层中存储。在鄂尔多斯盆地东部某矿实施试验井工程,通过开展野外岩样采集、室内电镜扫描、岩石成分分析、压汞等实验与定量–定性方法,研究目的转移存储层的水文地质条件和特征,分析不同高压水力压裂增渗试验主控因素,对比矿井水水质、转移存储层原生地层水水质和转移存储后混合水质,获取了矿井水高压持续深井转移存储的水文地质效应。结果表明:目前试验井单井累计转移存储矿井水量已满足设计预期,且持续高压水力压裂增渗方式可不断改善和渐次增强目的存储层的矿井水存储能力,延长服役时效。因此,高矿化度矿井水深部转移存储在技术和经济上具有可行性,将对西部地区水资源保护、水生态环境可持续发展产生重要意义;同时,相比高矿化度矿井水处理成本,能够有效缓解矿井水处理经济负担,为西部煤矿区矿井水转移存储提供典型示范。
西部地区;矿井水;高矿化度;深部;转移存储
在以往的矿井水害防治中,常常认为我国西部干旱–半干旱地区煤多水少,矿井涌水量不大。但随着西部地区煤炭开采占比增加,采煤过程中出现了一系列不同于东部矿区的新问题,如鄂尔多斯盆地煤矿矿井涌水量大并伴随突水溃砂[1]、矿井水矿化度高[2]、烧变岩区强富水[3]、黄土地区垂直裂隙发育及高盐矿井水腐蚀井壁[4]和井下设备[5-6]等,不仅导致煤炭资源安全生产成本的提高,还增加了矿井水害防控的不确定性。众多学者针对鄂尔多斯盆地的矿井水难题,通过系统性研究,取得了显著的科学成果,如范立民等[7]以保护西北地区稀缺水资源和含水系统为前提,提出了“保水采煤”开采理念,构建了保水开采分区的理论基础和关键参数。顾大钊等[8-9]提出了利用井下采空区构建煤矿区地下水库以存储、保护水资源,攻克了水源预测、水库选址、库容计算、坝体构筑、安全控制和水质保障等一系列技术难题。郑琳等[10]提出了在含水层破坏前将水资源转移至不受开采影响的其他含水层或同一含水层的其他区域,阐明了转移存储的保水理念。武强等[11]提出矿井水排、供、生态环保“三位一体”模式,基于矿井水控制、处理、利用、回灌、生态环保“五位一体”理论基础,形成煤–水双资源协调开采的综合技术体系。保水采煤、地下水库、转移存储、煤–水双资源协调开采都以保护煤矿区水生态环境为出发点,其目的是统筹和协调煤炭资源开发与水资源保护,提高矿井水资源化利用水平和程度。
矿井水传统处理工艺多以地面大型污水厂集中处理为主,使其达到复用水质要求后再循环利用,但多存在基建投资大、矿井水提升运行费用高、占地面积大、二次污染、产生危废等缺点。若将处理后矿井水直接在地表外排,不仅浪费水资源,造成地下水流失,还违背了地方环保部门矿井水“零排放”管控要求。结合目前西部地区矿井所面临的矿井涌水量大、矿化度高、水质差、处理成本高等一系列复杂矿井水问题[12],国内学者针对不同类型矿井水的处理方法,开展研究并取得了大量研究成果,如物理法(洁净矿井水)[13-17]、混凝和超磁分离法(含悬浮物矿井水)[18-20]、蒸馏、离子交换和膜分离法(高矿化度矿井水)[21-23]、物理、化学和生物法(酸性矿井水)[24-28]、絮凝沉淀和离子交换法(特殊组分矿井水)等[12,29],这些方法的使用条件和适用范围各有差异,往往采用多种工艺相结合共同解决煤矿实际问题。鄂尔多斯盆地煤矿区最为突出的是高盐矿井水的处理问题,如何有效解决高盐矿井水是矿区水环境保护的核心所在。
迥异于常规矿井水处理方法,在借鉴平原地区地下水回灌补给工艺和鄂尔多斯盆地特殊水文地质条件及石油驱油采气技术的基础上,笔者进行了矿井水深部转移存储的研究。
我国开展人工回灌补给地下水研究较早,缓解了华北平原地区因地下水过度开采而导致的地下水位急剧下降、水资源枯竭、地面沉降等一系列的水资源与水环境问题[30]。转移存储工程多用来人工补给地下水资源,而将矿井水进行深井转移存储,尤其是在鄂尔多斯盆地砂岩地层开展矿井水转移存储的研究鲜有报道。笔者以鄂尔多斯盆地东部某矿为例,围绕“矿井水深部转移存储”这一核心科学理念,通过实施试验井工程,将高矿化度矿井水进行深部转移存储,探寻将三叠系下统刘家沟组地层作为转移存储层的水文地质条件、水力压裂增渗、转移存储能力和可行性。旨在探索鄂尔多斯地区矿井水处理的新技术、新工艺,降低矿井水深度处理成本,缓解煤炭企业经济压力,建立典型示范工程,为未来该工艺的可推广性和可复制性奠定基础。
1 研究区概况
1.1 研究区自然条件
研究区处于伊陕斜坡北部,总体地貌形态为构造剥蚀高原,是著名的毛乌素沙漠所在区。从区域上看,地下水径流方向整体由西向东,地下水补给区主要为西缘逆冲带(多为导水断层),中部、中东部地区径流缓慢甚至停滞,至东部为排泄区,主要向无定河、黄河北一带排泄汇流(图1)。在煤层开采过程中,导水裂隙带能够波及并进入上覆砂岩含水层,且与含水层间无完整、有效的隔水层。因此,上覆碎屑岩裂隙承压含水层成为矿井直接充水水源,且上覆各含水层之间水力联系密切。根据对研究区矿井水的组分分析,其矿化度约2 g/L,属于高矿化度水,水化学类型为SO4-Na、SO4-Ca型,根据GB/T 14848—2017《地下水质量标准》,水质属于Ⅳ—Ⅴ类。
目前矿井涌水量已超地面污水处理厂饱和能力,且受采煤工艺控制,随着开采面积增大,矿井涌水量的增加将不可避免。如果将矿井水直接排放地表,将会对当地地下水生态环境造成影响,引发环境问题,且鄂尔多斯地区环保部门严格实行矿井水零排放管控。高盐矿井水经处理达标后排放已耗费煤炭企业数亿元的水处理费用,无疑会显著增加企业经济负担,因此,探索新的水处理工艺势在必行。
1.2 煤层顶板水文地质条件
1.3 转移存储层筛选
为了确定和筛选合适的矿井水转移存储层,基于水文地质条件和安全开采要求,对比研究了多种不同的转移存储思路:①顶板含水层。顶板延安组砂岩段和直罗组底部砂岩段含水层是开采煤层的直接充水含水层,且水力联系密切,转移存储后突水威胁大,不能从根本上消减水量;第四系含水层和志丹群含水层是当地地下水饮用水源,国家环保生态红线明文规定“实行人工回灌地下水时不得污染当地地下水源”和“当补给源为地表水体时,该地表水体水质不应低于《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准”,故顶板含水层的转移存储不具有可行性。②离层空间、采空区。离层和采空区储水空间有限,较难满足矿井水大量转移存储的需求,还伴有严重突(涌)水危险,服务时效短。鄂尔多斯盆地部分矿井曾进行过一些工程尝试,虽已暂停,但也证明了向深部含水层进行矿井水转移存储的必要性。③底板含水层。通过对比分析煤层底板各岩层岩性、厚度、水文地质条件(表2),将转移存储层初步确定为延安组下段宝塔山粗砂岩含水层和三叠系下统刘家沟组含水层。
表1 3-1煤层顶板含(隔)水层情况概要
表2 煤层底板含水层对比分析
根据煤层底板揭露含隔水层对比分析:宝塔山砂岩虽具备一定储水能力,但厚度小(平均厚度65 m),距离6-2中煤层较近,对未来该煤层的开采具有安全威胁;刘家沟组含水层属于孔隙–裂隙双重储水介质,厚度高达416 m,原始状态下渗透系数为5.31×10–6m/d,含水层水量匮乏,自然补给很小,表明人为矿井水转移存储的体量具有前景;刘家沟组含水层底板埋深2 282 m,距开采煤层1 200 m左右,不会对煤层底板造成突水威胁;且根据岩心采集情况,刘家沟组砂岩交错层理、垂直裂隙发育(图2),在持续高压水力压裂增渗的条件下,裂隙容易扩展、延伸、贯通和再生。此外,根据以往的油气行业钻井资料,在鄂尔多斯盆地东缘刘家沟组区域性漏失比较突出,高于其他地层;在测井曲线变幅特征上,由延长组至刘家沟组段自然电位逐渐增加,呈现明显的锯齿状波动,刘家沟组的深/浅侧向电阻率差值明显与其他地层不同,表明刘家沟组垂向构造裂隙较为发育,综合考虑,刘家沟组作为回灌层优于宝塔山砂岩含水层。依据综合对比分析结果,刘家沟组裂隙–孔隙双重储水介质含水层是研究区范围内较为理想的矿井水转移存储层位。
图2 刘家沟组交错层理和垂直裂隙发育情况
2 转移存储层储水特性研究
2.1 岩样采集
微观结构和孔隙特征是分析刘家沟组矿井水转移存储能力的基础。笔者团队采用现场岩心采集与室内分析测试结合的方法对转移存储层的孔隙和裂隙特征、岩石矿物成分、岩石力学性质等进行研究。在鄂尔多斯盆地东部某矿井施工一个试验注水井,取得宝塔山砂岩岩样4组(图3),刘家沟组岩样16组(图4),采样深度为1 825.80~ 2 298.71 m。
图3 宝塔山砂岩岩样横断面
图4 刘家沟组岩样横断面
取心时,重点进行现场分析和编录,记录岩心层位及岩性变化,将岩样拍照、包装、运送实验室。
2.2 微观结构特征分析
为获取微观结构特征,在实验室内开展了扫描电镜[31-36],量化微观孔隙、裂隙特征。通过对比分析宝塔山砂岩和刘家沟组砂岩的微观结构,可以清晰观察到岩石的微细观结构。宝塔山砂岩矿物颗粒小,颗粒间孔隙、裂隙不发育,喉道细,连通性较差(图5);而刘家沟组砂岩粒间孔、微裂隙均较为发育,属于孔隙–裂隙双重介质含水结构(图6)。
通过压汞试验得到刘家沟组平均孔喉半径和喉道大小分布等数据[37-41],结果表明刘家沟组砂岩孔径中值为443.9 nm,喉道平均孔径为48.39 nm,岩样的总孔隙率为7.5%,平均孔隙率为5.50%,孔径范围基本在6.326~12.087 μm,孔径小于10 μm的孔隙率为5.3%。含水介质孔隙多少和大小都会对地下水运动造成显著的影响[41],刘家沟组砂岩原生孔隙发育程度低,这与现场水位恢复观测试验得到的水位回升速率5 cm/h相符,同时也表明低孔隙率的砂岩介质富水性差,具备人工高压注水增大其存储空间和储水能力的前景。
图5 宝塔山砂岩微裂隙和层间裂隙
图6 刘家沟组砂岩粒间孔隙和裂隙
2.3 岩石成分分析
使用全岩分析方法对岩石成分进行分析,选用较为成熟的X射线衍射物相分析法[42-43],根据分析测试数据(图7),刘家沟组岩石中石英、长石含量高,岩性以泥质长石砂岩为主,岩石成分成熟度低,整体泥质质量分数都较高,高达15%~25%。同时,对刘家沟组地层黏土矿物进行X射线衍射定量分析(图8),刘家沟组砂岩泥质成分中伊利石和伊/蒙间层含量高,几乎没有高岭石和绿泥石。泥质含量高会造成含水层初始渗透率差,但黏土矿物中的可溶解矿物和可溶盐经过矿井水渗透时的反复细微“冲刷”,可不断溶蚀、溶解,室内渗透试验出水水质TDS含量可达1.1 g/L,持续水力压裂和矿井水溶蚀能够增强地层储水的能力,可以使转移存储层孔隙率增大、裂隙扩展。
图7 岩样矿物成分柱状图
图8 黏土矿物成分柱状图
在岩样测试分析中,发现刘家沟组砂岩层泥质含量少,导致岩层抗压强度低,表现出胶结性差,岩性脆、受压易碎的特点。因此,可通过持续水力压裂改善刘家沟组的介质条件,使其更加适合矿井水转移存储。
3 单孔压水试验及结果分析
现场压水试验为单孔压水试验,单孔压水试验采用大型注水泵高压转移存储(图9),并配有专门的止水设备(止水塞)隔离出试验段,然后向钻孔中压水并记录注入量,根据压力和流量关系来确定含水层的渗透特征。
图9 转移存储工程试验布置
因注水孔钻进过程钻井液漏失甚微,人眼较难观测漏失量变化、岩心致密、钻井液携带砂屑量变化不明显、水位自然恢复情况不理想等因素,故笔者团队在现场根据现有设备和施工能力,间断性开展7次压水试验(表3),注水过程未采取排气措施,通过压水试验初步了解单孔的矿井水转移存储能力和压力之间的变化情况。
表3 压水试验数据
注:第4次试验时停止压水,观测压力衰减情况。
因前3次放水试验设备故障、更换不同型号缸套、环保检查和未安装止水阀门等问题,开展了第4次压水试验,将井口压力通过压水恢复到6.2 MPa,停止压水,观测压力衰减情况,初始观测压力为5.2 MPa,16 d后压力下降到4.0 MPa,34 d后压力下降到3.0 MPa。
受压力表观测精度差影响,第4次压水后压力整体呈现下凹形的消减趋势,初始阶段压力下降速率快,随着时间推移其下降速率逐渐降低,与一般孔隙型地热回灌过程类似,初始注水量大,后期注水量逐渐减少。随后开展了第5、第6、第7次压水试验;第5次采用130 mm缸套开展压水试验,初期压力在4.3~6.0 MPa浮动,当井口稳定压力6.3 MPa时,压水量为53.8 m3/h,水力影响半径为600 m。第6次更换150 mm缸套继续压水试验,井口稳定压力为6.7 MPa,压水量为71.8 m3/h,水力影响半径为725 m。第7次压水试验更换为180 mm缸套,井口稳定压力为6.8 MPa,压水量为103.3 m3/h,水力影响半径为885 m。根据现场后期注水观测,总体上随着压水时间的延续,注水水量逐渐降低,泵压缓慢上升。压水试验期间出现泵压跳跃式现象,水压由7 MPa增长到13 MPa,单孔注水量也降低到100 m3/h以下,主要可能是随着注水时间增加,地下储水空间若干裂隙逐渐被填满,需要通过压力的增加促使裂隙再生、扩展和沟通新的裂隙,也不排除由于地下热水产生的结垢封堵导水孔隙、裂隙的现象。
根据实际矿井水转移存储流量和回注压力的变化趋势,如图10所示,将其分为2个阶段。以2020年3月8日—6月20日第一阶段为初始阶段,注水量与压力的变化趋势相似,即先增加后趋于稳定。矿井水运移通道和刘家沟组地层初期水力压裂形成的裂隙继续扩张,当压力和流量稳定时,以上通道和储水空间达到最大阈值。随着时间的推移,刘家沟组含水层的蓄水空间逐渐被矿井水充填。
第二阶段为2020年6月21日至11月18日的矿井水转移阶段。在这一阶段,注水速率减缓,注水压力呈增加趋势。矿井注水量呈现波动性变化,表明矿井水转移存储过程中,原始孔隙、裂隙不断被充填,再生裂隙不断形成、扩展。当井口压力达到8.0 MPa时,部分流量数据呈现波动性趋势,表明深部转移存储砂岩层出现了再生裂隙、裂缝贯通等。矿井水继续向周围裂隙空间扩展运移,流量也随之增加。由于西部矿区特殊的弱胶结地层条件和超深高压回灌的原因[44-45],目的层的水文地质条件及参数在回灌过程中将发生剧烈变化,如裂隙扩展情况、渗透系数等;部分问题还难以通过现有技术和手段解决,关于计算超深高压回灌量的理论方法仍需深入研究。
图10 矿井水注水流量和注水压力的变化趋势
采用吸水指数来表示注水井的压水能力大小。吸水指数是日注水量与注水压力和静水压力之差的比[46],其公式如下:
吸水指数多用来表示油气储层吸水能力的大小,同理,可将该概念和意义引入矿井水转移存储领域。一般来说,储层的吸水能力越强,吸水指数越大,相应地其地层的渗透率也越大[47]。
根据吸水指数先减小后增加的变化趋势可知:注水开始时,原始孔隙、裂隙很快被水充填,造成注水水量有一定程度的降低;但随着持续的高压注水,原始地层中的孔隙、裂隙逐渐扩展、延伸,甚至贯通,使刘家沟组含水层的储水性能逐渐提升,至第7次压水试验时,单井注水流量已超过100 m3/h,吸水指数也增大至15.2 m3/(h·MPa),使刘家沟组形成持续回灌能力成为可能。到现阶段,单井矿井水转移存储总量已经达到原先设计预期。结果表明,单井的潜在转移存储能力,能够满足一定量的矿井水转移存储需求,一定程度上解决了矿井地面排水问题,缓解了矿井水处理的经济压力。
4 转移存储层水化学特征分析
依据转移存储保障矿井水水质占优的原则,对比分析矿井水、目的层的水质情况对转移存储至关重要。
4.1 矿井水水质
根据现场采集的矿井水样,对矿井水进行水质分析,结果见表4。
表4 矿井水水质处理前后对比分析
注:数据后边的L表示低于检出限。
表5 刘家沟组水质情况[48]
4.2 刘家沟组含水层水质
本文搜集了刘家沟组水质资料(表5)[48],从表中可见,研究区矿井水中除氨氮、重碳酸根和硝酸盐浓度高于目的层刘家沟组外,其余指标均较低,矿井水与转移存储层地下水水质具有良好的匹配性,转移存储后呈现“良水回灌”,次生地下水环境污染风险较低。
4.3 转移存储后影响分析
4.3.1 上部含水层
刘家沟组距当地水源层志丹群含水层1 500 m左右,在志丹群与转移存储目的层之间有安定组、直罗组、延安组、延长组、二马营组,其中含有数十层隔水层,且整个井田内地质构造属于简单型,没有发育大型断层或破碎带,转移存储不会对上部水源含水层产生任何影响。
4.3.2 上部煤层
在对刘家沟组含水层进行底板转移存储过程中,在压水井附近必然存在着较高的水压力,需要结合底板的岩层结构、强度特征,评价煤层底板隔水层在高强度压水条件下的抗破坏能力、突水危险性,根据《煤矿防治水细则》计算突水系数进行评价。以当前最大泵压13 MPa进行计算,216 m的隔水层厚度足以保证煤层开采不受转移存储影响,而刘家沟组上距煤底板1 200 m左右。研究区内不仅发育含多层隔水层段的巨厚层状延长组地层,还发育砂、泥岩互层的二马营组,上覆岩层的存在起隔水作用,且区域内地质构造简单,无断层影响上覆含水层和煤炭资源的开采利用,由注水产生的地层压力不会对煤层的开采造成影响。
4.3.3 下部天然气
研究区内刘家沟组与二叠系中下统石盒子组、山西组天然气储层相距300 m以上,中间夹石千峰组地层。石千峰组地层内发育多层隔水层段,能够有效阻隔深部地下水的垂向水力联系,且根据石油部门在该区域内进行的勘探工作证实,刘家沟组地层与其下部地层之间没有贯通性断层或破碎带相连,因此,转移存储对下部储存天然气的开发不会产生影响。
5 结论
a. 鄂尔多斯东部某矿煤层上覆含水层富水性强、各含水层之间水力联系密切,导水裂隙带高度波及上覆含水层,受开采工艺限制,矿井涌水量会随着工作面推进而递增的趋势难以避免,在地面污水处理厂能力饱和的形势下,矿井水深部转移存储是未来矿井水处理的一个新绿色方向。
b.通过对三叠系下统刘家沟组砂岩微观结构特征的研究,刘家沟组含水层平均孔隙率为5.13%左右,孔径范围基本在6.326~12.087 μm,渗透系数小、渗透性较弱,但相比其他含水层,其垂向裂缝发育,具备区域性漏失特征,且刘家沟组含水层平均厚度416 m,储水潜力大。
c.试验井单井注水流量可超过100 m3/h,单井转移储存能力能够达到设计预期。刘家沟组砂岩段岩性脆、饱和岩石力学强度低于32 MPa,在持续水力压裂下,原生天然裂隙和人工裂隙所构成的裂隙体系会进一步再生、扩展、延伸和贯通,提高持续存储能力和前景。
d.将矿井水和刘家沟组原生地层水水质进行对比分析,总体上矿井水水质优于刘家沟组含水层水质,经过简单处理后,完全满足深井转移存储的水质要求,并且正常工况下刘家沟组含水层与其他含水层之间无水力联系,矿井水不会对地下水产生二次污染。
e.围绕“矿井水深部转移存储”这一核心科学理念,通过工程实施实现矿井水的绿色处理,不仅保护了西部地区脆弱的水生态环境,也减少矿井水的排放量,节约煤炭开采成本,为转移存储技术的深入研究和系统构建提供一个理论框架,同时对西部类似矿区具有重要的参考价值。但转移存储技术仍存在很多科学问题需深入研究,选择低孔–低渗地层作为目的层其渗透系数的变化规律、回灌量理论计算方法、可持续回灌能力的形成条件、相关法律法规制定等。
致谢:特别感谢中煤西北能源有限公司、中国煤炭地质总局勘查研究总院相关技术人员在工程现场的技术指导和数据记录工作。
[1] 隋旺华,梁艳坤,张改玲,等. 采掘中突水溃砂机理研究现状及展望[J]. 煤炭科学技术,2011,39(11):5–9.
SUI Wanghua,LIANG Yankun,ZHANG Gailing,et al. Study status and outlook of risk evaluation on water inrush and sand inrush mechanism of excavation and mining[J]. Coal Science and Technology,2011,39(11):5–9.
[2] 王运所,许化政,王传刚,等. 鄂尔多斯盆地上古生界地层水分布与矿化度特征[J]. 石油学报,2010,31(5):748–753.
WANG Yunsuo,XU Huazheng,WANG Chuangang,et al. Characteristics of the salinity and distribution of the Neopaleozoic formation water in Ordos Basin[J]. Acta Petrolei Sinica,2010,31(5):748–753.
[3] 孙亚军,张梦飞,高尚,等. 典型高强度开采矿区保水采煤关键技术与实践[J]. 煤炭学报,2017,42(1):56–65.
SUN Yajun,ZHANG Mengfei,GAO Shang,et al. Water-preserved mining technology and practice in typical high intensity mining area of China[J]. Journal of China Coal Society,2017,42(1):56–65.
[4] 亓星,许强,李斌,等. 甘肃黑方台黄土滑坡地表水入渗机制初步研究[J]. 工程地质学报,2016,24(3):418–424.
QI Xing,XU Qiang,LI Bin,et al. Preliminary study on mechanism of surface water infiltration at Heifangtai loess landslides in Gansu[J]. Journal of Engineering Geology,2016,24(3):418–424.
[5] 周廷定. 顺和煤矿副井井壁腐蚀破坏机理与防治措施研究[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2015.
ZHOU Tingding. Research mechanism and control measures on corrosion and deterioration of auxiliary shaft lining in Shunhe Coal Mine[D]. Beijing:China University of Mining and Technology(Beijing),2015.
[6] 田江漫. 河南永煤矿区选煤厂设备防腐蚀研究[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2014.
TIAN Jiangman. Study on anti-corrosion of washery equipment in Henan Yongcheng mining area[D]. Beijing:China University of Mining and Technology(Beijing),2014.
[7] 范立民,马雄德,蒋泽泉,等. 保水采煤研究30年回顾与展望[J]. 煤炭科学技术,2019,47(7):1–30.
FAN Limin,MA Xiongde,JIANG Zequan,et al. Review and thirty years prospect of research on water-preserved coal mining[J]. Coal Science and Technology,2019,47(7):1–30.
[8] 顾大钊,张勇,曹志国. 我国煤炭开采水资源保护利用技术研究进展[J]. 煤炭科学技术,2016,44(1):1–7.
GU Dazhao,ZHANG Yong,CAO Zhiguo. Technical progress of water resource protection and utilization by coal mining in China[J]. Coal Science and Technology,2016,44(1):1–7.
[9] 顾大钊. 煤矿地下水库理论框架和技术体系[J]. 煤炭学报,2015,40(2):239–246.
GU Dazhao. Theory framework and technological system of coal mine underground reservoir[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(2):239–246.
[10] 郑琳,孙亚军,刘德元,等. 水资源转移存储在浅埋深薄基岩矿区的应用[J]. 河南理工大学学报(自然科学版),2010,29(1):92–96.
ZHENG Lin,SUN Yajun,LIU Deyuan,et al. Application research on transfer and storage technology for water resources in diggings of shallow overburden and thin bedrock in mine area[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),2010,29(1):92–96.
[11] 武强,申建军,王洋. “煤–水”双资源型矿井开采技术方法与工程应用[J]. 煤炭学报,2017,42(1):8–16.
WU Qiang,SHEN Jianjun,WANG Yang. Mining techniques and engineering application for “Coal-Water” dual-resources mine[J]. Journal of China Coal Society,2017,42(1):8–16.
[12] 孙亚军,陈歌,徐智敏,等.我国煤矿区水环境现状及矿井水处理利用研究进展[J].煤炭学报,2020,45(1):304–316.
SUN Yajun,CHEN Ge,XU Zhimin,et al. Research progress of water environment,treatment and utilization in coal mining areas of China[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(1):304–316.
[13] 丁金余. 新河矿泉水的研究与开发利用[J]. 煤炭科技,2007(2):36–37.
DING Jinyu. The research,exploitation and utilization of mineral water in Xinhe mine[J]. Coal Science & Technology Magazine,2007(2):36–37.
[14] 刘勇,孙亚军. 煤矿矿井水资源化技术探讨[J]. 能源技术与管理,2008(1):73–75.
LIU Yong,SUN Yajun. The discussion of resourceful technology in mine water[J]. Energy Technology and Management,2008(1):73–75.
[15] 冯斌,郭彩香,黄青霄. 霍州辛置桃沟矿泉水的形成条件及水质特征[J].华北地质矿产杂志,1994,9(4):456–460.
FENG Bin,GUO Caixiang,HUANG Qingxiao. Generating condition and quality characteristics of Taogou natural mineral water of Xinzhi,Huozhou City[J]. Journal Geology and Mineral Resources North China,1994,9(4):456–460.
[16] 贾玉州,李南骏. 矿井水处理及其资源化利用[J]. 技术与市场,2018,25(10):125–126.
JIA Yuzhou,LI Nanjun. Treatment and resourceful utilization of mine water[J]. Technology and Market,2018,25(10):125–126.
[17] 黄国军,董守华,李东会. 矿井水处理方法与综合利用[J]. 矿业快报,2007(4):44–47.
HUANG Guojun,DONG Shouhua,LI Donghui. Treating methods and comprehensive utilization technique of coal mine water[J]. Express Information of Mining Industry,2007(4):44–47.
[18] 袁航,石辉. 矿井水资源利用的研究进展与展望[J]. 水资源与水工程学报,2008,19(5):50–57.
YUAN Hang,SHI Hui. Research progress and prospect of coal mine water resource utilization[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering,2008,19(5):50–57.
[19] 李秋博,罗绍河. 焦作矿区矿井水处理及其利用[J]. 能源环境保护,2007,21(4):50–52.
LI Qiubo,LUO Shaohe. Disposal and utilization of mine water in Jiaozuo mine area[J]. Energy Environmental Protection,2007,21(4):50–52.
[20] 钟鸣远,裘鑫林. 新集二矿矿井水资源化利用[J]. 能源环境保护,2003,17(1):59–60.
ZHONG Mingyuan,QIU Xinlin. Utilization of water resources in Xinji No.2 mine[J]. Energy Environmental Protection,2003,17(1):59–60.
[21] 郭常颖,李多松,江洁. 煤矿高矿化度矿井水处理方法探讨[J].煤炭工程,2006,38(1):12–13.
GUO Changying,LI Duosong,JIANG Jie. Discussion on treatment method of mine high mineralized water[J]. Coal Engineering,2006,38(1):12–13.
[22] 王保国,吕宏凌,杨毅. 膜分离技术在石油化工领域的应用进展[J]. 石油化工,2006,35(8):705–710.
WANG Baoguo,LYU Hongling,YANG Yi. Application of membrane separation technology in petrochemical industry[J]. Petrochemical Technology,2006,35(8):705–710.
[23] 毛维东.矿井水反渗透处理膜污染的判断与预防[J]. 煤炭工程,2013,45(8):98–100.
MAO Weidong. Judgement and prevention of membrane pollution in reverse osmosis treatment of mine drainage[J]. Coal Engineering,2013,45(8):98–100.
[24] TOLONEN E T,SARPOLA A,HU Tao,et al. Acid mine drainage treatment using by-products from quicklime manufacturing as neutralization chemicals[J]. Chemosphere,2014,117:419–424.
[25] ANAWAR H M. Sustainable rehabilitation of mining waste and acid mine drainage using geochemistry,mine type,mineralogy,texture,ore extraction and climate knowledge[J]. Journal of Environmental Management,2015,158:111–121.
[26] USTER B,TRUMM D,POPE J,et al. Waste mussel shells to treat acid mine drainage:A New Zealand initiative[J]. Reclamation Matters,2014:23–27.
[27] STROSNIDER W H,NAIRN R W. Effective passive treatment of high-strength acid mine drainage and raw municipal wastewater in Potosí,Bolivia using simple mutual incubations and limestone[J]. Journal of Geochemical Exploration,2010,105(1/2):34–42.
[28] 王璇,曹晓强,李琳,等. 低成本吸附剂处理酸性矿井水研究进展[J]. 金属矿山,2018(7):7–12.
WANG Xuan,CAO Xiaoqiang,LI Lin,et al. Research progress of treatment of acid mine drainage by low-cost adsorbents[J]. Metal Mine,2018(7):7–12.
[29] 桂和荣,姚恩亲,宋晓梅,等. 矿井水资源化技术研究[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,2011.
GUI Herong,YAO Enqin,SONG Xiaomei,et al. Research on recycling technology of coalmine water[J]. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2011.
[30] 张学真. 地下水人工补给研究现状与前瞻[J]. 煤田地质与勘探,2006,34(4):41–44.
ZHANG Xuezhen. Research situation and prospect of artificial supplement to groundwater[J]. Coal Geology & Exploration,2006,34(4):41–44.
[31] JOHN V H,RICHARD L O. A comparative SEM study on the micromorphology of glacial and nonglacial clasts with varying age and lithology[J]. Canadian Journal of Earth Sciences,2004,41(9):1123–1139.
[32] 王美娜,李继红,郭召杰,等. 注水开发对胜坨油田坨30断块沙二段储层性质的影响[J]. 北京大学学报(自然科学版),2004,40(6):855–863.
WANG Meina,LI Jihong,GUO Zhaojie,et al. The influence of water-flooding development on reservoir properties of the NO12 member of Shahejie Formation of Tuo30 fault block in Shengtuo oilfield[J]. Journal of Peking University(Natural Science),2004,40(6):855–863.
[33] MURIEL A,ALAIN B,ANNE M B,et al. A microstructural study of a “crack-seal” type serpentine vein using SEM and TEM techniques[J]. European Journal of Mineralogy,2004,16(4):585–595.
[34] 王宗霞,曾路,王小波,等. 硅藻土在扫描电镜下的微观形貌[J]. 电子显微学报,2006,25(增刊1):345–346.
WANG Zongxia,ZENG Lu,WANG Xiaobo,et al. Micromorphology of diatomite under scanning electron microscope[J]. Journal of Electronic Microscopy,2006,25(Sup.1):345–346.
[35] KLAVER J,DESBOIS G,JANOS L,et al. BIB-SEM study of the pore space morphology in early mature Posidonia Shale from the Hils area,Germany[J]. International Journal of Coal Geology,2012,103:12–25.
[36] CELIK K,JACKSON M D,MANCIO M,et al. High-volume natural volcanic Pozzolan and limestone powder as partial replacements for Portland cement in self-compacting and sustainable concrete[J]. Cement and Concrete Composites,2014,45(1):136–147.
[37] GUO Boyun,GHALAMBOR A,DUAN Shengkai. Correlation between sandstone permeability and capillary pressure curves[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2004,43:239–246.
[38] 王瑞飞,陈明强,孙卫. 鄂尔多斯盆地延长组超低渗透砂岩储层微观孔隙结构特征研究[J]. 地质论评,2008,54(2):270–277.
WANG Ruifei,CHEN Mingqiang,SUN Wei. The research of micro-pore structure in super-low permeability sandstone reservoir of the Yanchang Formation in Ordos Basin[J]. Geological Review,2008,54(2):270–277.
[39] 杨峰,宁正福,孔德涛,等. 高压压汞法和氮气吸附法分析页岩孔隙结构[J]. 天然气地球科学,2013,24(3):450–455.
YANG Feng,NING Zhengfu,KONG Detao,et al. Pore structure of shales from high pressure mercury injection and nitrogen adsorption method[J]. Natural Gas Geoscience,2013,24(3):450–455.
[40] SCHMITT M,FERNANDES C P,JOSE A B,et al. Characterization of pore systems in seal rocks using Nitrogen Gas Adsorption combined with Mercury Injection Capillary Pressure techniques[J]. Marine and Petroleum Geology,2013,39(1):138–149.
[41] HASAN A N,HOSSAIN M E,HASAN A,et al. Comparison of permeability models using mercury injection capillary pressure data on carbonate rock samples[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2014,121:9–22.
[42] 吴乾荣. 粘土矿物的X射线衍射物相分析[J]. 岩矿测试,1994,13(1):15–19.
WU Qianrong. Phase analysis of clay minerals by X-ray diffraction[J]. Rock and Mineral Analysis,1994,13(1):15–19.
[43] 冯涛,吴光,张夏临. X射线衍射分析技术在花岗岩物相分析上的应用[J]. 铁道建筑,2008(4):97–100.
FENG Tao,WU Guang,ZHANG Xialin. Application of X-ray diffraction analysis technology in granite phase analysis[J]. Railway Engineering,2008(4):97–100.
[44] 刘钦. 哈密矿区侏罗系弱胶结砂岩结构及渗流模型研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2018.
LIU Qin. Study on the structure and seepage model of Jurassic weak cemented sandstone in Hami mining area[D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2018.
[45] 陈歌. 鄂尔多斯盆地东缘矿井水深部转移存储机理研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2020.
CHEN Ge. Study on the deep transfer and storage mechanism of mine water in the eastern margin of Ordos Basin[D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2020.
[46] 朱丽莉,方艳君,吴梅,等. 喇萨杏油田开发过程中吸水指数变化规律[J]. 大庆石油地质与开发,2017,36(1):70–74.
ZHU Lili,FANG Yanjun,WU Mei,et al. Changed laws of the water injectivity coefficient in the development course of Lasaxing oilfields[J]. Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing,2017,36(1):70–74.
[47] 王陶,朱卫红,杨胜来,等. 用相对渗透率曲线建立水平井采液、吸水指数经验公式[J]. 新疆石油地质,2009,30(2):235–237.
WANG Tao,ZHU Weihong,YANG Shenglai,et al. Application of relative permeability curves to establishment of empirical formulas for fluid productivity index and injectivity index of horizontal well[J]. Xinjiang Petroleum Geology,2009,30(2):235–237.
[48] 刁玉杰. 神华CCS示范工程场地储层表征与CO2运移规律研究[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2017.
DIAO Yujie. Study on the reservoir characterization and CO2migration underground in the Shenhua CCS demonstration project site[D]. Beijing:China University of Mining & Technology(Beijing),2017.
Medium conditons and influence mechanism of high salinity mine water transfer and storage by deep well recharge
LI Xin1, SUN Yajun1, CHEN Ge1, WANG Houzhu2,3, ZHANG Zhijun4
(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. China National Coal Group Corporation, Beijing 100120, China; 3.College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 4. General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China)
In the arid and semi-arid regions of the Western China, there is not only a shortage of water resources, but also the problems of large mine water inflow and high salinity of mine water. In order to reduce the waste of water resources in the mining activities and protect water ecological environment in the region, it is proposed to treat the mine water by deeper well recharge to the aquifers under the coal seam based on the theories and technical methods such as mine water transfer and storage, water-preserving mining and coal-water dual resource coordinated mining. A test well project was implemented in a mine in the eastern part of the Ordos Basin. The storage space characteristics of the target recharge aquifers were studied by collecting rock samples, scanning electron microscopy, rock composition analysis and mercury intrusion experiments and quantitative and qualitative methods. Then, the main controlling factors of the in-situ water pressure tests were analyzed, and the quality of mine water and the water quality of the targeted recharge aquifer were compared. Finally the hydrogeological effect of mine water recharge was verified. The research results showed that the potential transport and storage capacity of a single well of the test well could meet a certain amount of mine water recharge demand. Transfer and storage cannot only improve the water richness of the targeted aquifers, but also have a significant impact on the protection of water resources and water ecological environment in the Western China. At the same time, it can reduce the cost of advanced mine water treatment, and relieve the environmental pressure of mine water discharge, which is a typical demonstration for transfer and storage of mine water in western coal mining area.
western China; mine water; high salinity; deep strata; transfer and storage
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语音讲解
TD74;TD82
A
1001-1986(2021)05-0017-12
2021-01-19;
2021-07-14
国家重点研发计划项目(2019YFC1805400);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2020ZDPY0201)
李鑫,1997年生,男,河南周口人,博士研究生,研究方向为地下水科学与工程. E-mail:lixin2020@cumt.edu.cn
孙亚军,1963年生,男,安徽涡阳人,博士,教授,博士生导师,研究方向为矿井水害防治与污染防控. E-mail:syj@cumt.edu.cn
李鑫,孙亚军,陈歌,等. 高矿化度矿井水深部转移存储介质条件及影响机制[J]. 煤田地质与勘探,2021,49(5):17–28. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.002
LI Xin,SUN Yajun,CHEN Ge,et al. Medium conditons and influence mechanism of high salinity mine water transfer and storage by deep well recharge[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(5):17–28. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.05.002
(责任编辑 周建军)