基于多场耦合理论的酷寒草原区受煤炭露天开采影响的地下水运移机理及规律研究

Aimed at the environmental problems of drop of groundwater level and water quality deterioration caused by open-pit mining in bitter cold grassland, the dominant factors of the groundwater transport are determined by studying the aquifer, aquitard and groundwater recharge boundary conditions, based on rock dynamics, thermodynamic, percolation mechanics and solute transport dynamics. With multifactor stress- seepage experiment model, the transmission and distribution of groundwater pollutant in coal rock and water are studied considering different coal rocks, stress, temperature and hydraulic power. The kinetic mechanism is consequently revealed. By establishing the groundwater transport kinetics model based on multi-field coupling theories including stress field, temperature field, seepage field and solute transport field, the numerical solution method of the coupling kinetics model is put forward. The model is used to simulate the kinetic process of groundwater transport in open cast coal in bitter cold grassland. With that, the transport mechanism and law of groundwater influenced by opencast mining are revealed. The achievements will help to develop and perfect the groundwater kinetic model and multi-field coupling theory, and they also have significant theoretical meaning and practical value in helping environmental opencast mining and the regional eco-environmental protection.

针对酷寒草原区露天煤矿开采造成的地下水水位下降、水质恶化等水环境问题，基于岩石动力学、热力学、渗流力学、溶质运移动力学原理，对酷寒草原矿区含水层、隔水层及地下水补给边界条件进行研究，确定受露天开采影响的地下水运移的主导因素；利用多因素应力--渗流实验模型，研究不同煤岩种类、应力、温度、水力条件下，地下水污染物在煤岩与水中的传输和分配过程，揭示其动力学机理；建立基于应力场、温度场、渗流场、溶质运移场多场耦合理论的地下水运移动力学模型，提出耦合动力学模型的数值求解方法；利用所建模型模拟酷寒草原区典型露天煤矿地下水运移的动力学过程，揭示受露天开采影响的地下水运移机理及规律。项目研究成果有利于发展和完善地下水动力学与多场耦合理论，对促进煤炭绿色露天开采技术发展及区域生态环境保护都具有重要的理论意义和实用价值。

在酷寒草原等生态环境脆弱地区开展受露天开采影响的地下水运移机理及规律的研究具有重要的理论和现实意义。项目采用系统科学的研究方法，以我国东北部典型露天煤矿—宝日希勒露天煤矿为对象系统，从露天矿采场和整个矿区两个尺度范围内研究了露天开采对区域地下水运移机理及规律的影响，分析了露天开采过程中，多介质环境下渗流场、应力场、浓度场等多场耦合因素对地下水动态平衡体系形成方式的影响；通过Stokes—Darcy耦合模型描述了含水层中Darcy层流、破碎带中非Darcy快速流以及进入露天矿坑中Navier-Stokes紊流等3个物理过程，借助耦合方程的数值解描述了地下水水量的变化趋势；通过SMCAD构建了对象系统的三维地质模型，并结合水文地质条件和露天开采计划，利用COMSOL数值模拟软件模拟了露天开采对区域地下水水量造成的影响。通过饱和—非饱和煤岩体中地下水污染物溶质运移的流固耦合动力学方程，描述了区域地下水水质的变化机理，结合矿坑排水水质检测数据，分析了区域地下水水化学类型的变化规律，利用模糊综合评价的方法对地下水水质等级进行了评价；同时，重点针对酷寒草原区存在的酸性地下水的特点，深入开展了SRB协同自燃煤矸石、混合硫酸盐还原菌、麦饭石结合铁屑等煤矿酸性废水处理技术的研究，以及Fe-0协同生物麦饭石的PRB系统井下原位处理、强化垂直流可渗透反应墙处理等煤矿酸性废水处理方法的研究，建立了矿区内受不同污染源污染的地下水的综合处理技术体系；在此基础上，积极开展了研究成果的转化，利用研究获得的矿区地下水运移规律，对宝日希勒矿区的水资源综合利用进行了规划设计，通过实施产生了良好的经济效益、社会效益和生态效益。.项目研究过程中，共发表学术论文17篇，出版专著1部，取得或申请发明专利6项，获得各级科研奖励5项，衍生企业合作项目3项，培养研究生5人，培养一线工程技术人员多人。项目研究对于建立煤炭露天开采、水资源保护和生态自修复有机结合的环境友好型绿色开采体系起到了积极的推动作用，应用前景广阔。