煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场-水化学场-微生物场耦合作用与数值模拟

煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂,受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著.深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础.以鄂尔多斯盆地某煤矿采空区为水文地质原型,在前期研究的基础上,进一步建立了煤矿采空区积水水位回升、蓄满后水动力-水化学-微生物场(HCB)多场耦合室内相似模拟和数值模型.采空区水动力场研究结果表明基质-裂隙双孔隙模型能有效模拟采空区水位回升过程,模拟误差为 9.9%,其模拟精度远高于理论预测和单孔隙模型.水化学场模拟结果与试验较为吻合,SO42-、HCO3-和pH模拟相对误差分别为 3.0%、21.0%和 6.2%,模拟结果较为可靠.模拟结果显示采空区蓄水过程中水岩反应和微生物作用不明显;而蓄满后水动力几乎停滞,但水化学场和微生物场较为活跃,2号煤和3号煤层中黄铁矿的氧化反应使得SO42-质量浓度提升约 24.6%;后期采空区水环境演化为弱酸性、厌氧还原条件,微生物降解作用凸显,将SO42-质量浓度从高峰值降低了 6.1%.研究结果表明:采空区封闭后矿井水具有一定的"自净"能力.通过调整微生物代谢速率常数,可将SO42-降解比例提高到 61.6%.实际工程场景中可通过补充碳源、人工建立密闭厌氧环境等强化手段实现这一目标.将多场耦合室内试验和数值模拟技术拓展到煤矿采空区积水水质形成与演化规律研究,研究结论可为煤矿区矿井水污染防治提供指导.