煤矸石山中多組分溶質(zhì)釋放—遷移規(guī)律的研究.pdf

1、煤矸石在自然降水淋溶作用下所產(chǎn)生的淋溶液對礦區(qū)地下水水質(zhì)的影響具有隱蔽性和長期性的特點(diǎn)。煤矸石粒徑、組分的復(fù)雜性及其在傾倒-堆積過程中所形成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得煤矸石堆體成為非均勻介質(zhì)體。在此前提條件下,入滲水分在其中的運(yùn)動(dòng)以及水分與煤矸石介質(zhì)之間所發(fā)生的水-巖相互作用將呈現(xiàn)出特殊的規(guī)律性。本文首先對煤矸石及其堆積物的特征進(jìn)行分析,總結(jié)出我國采用井工開采方式的煤礦對煤矸石排放通常采用的傾倒-堆積方式的類型與特點(diǎn),并利用崩塌-落石理論描述出煤矸

2、石在傾倒過程中的運(yùn)動(dòng)特征,分別利用數(shù)值計(jì)算及相似模擬試驗(yàn)的方法對煤矸石山傾倒坡面及內(nèi)部的粒徑分布規(guī)律進(jìn)行研究,利用MATLAB數(shù)字圖像處理技術(shù)構(gòu)建出可以描述煤矸石山非均質(zhì)特性的剖面數(shù)字模型;通過引入沉淀/溶解相的概念,構(gòu)建了可以表征在地球化學(xué)作用下多組分溶質(zhì)釋放-遷移的耦合模型;利用靜態(tài)淋溶試驗(yàn)方法,對阜新礦區(qū)中興煤礦煤矸石中常量無機(jī)組分的溶解-釋放特征、硫化物產(chǎn)酸量以及硅酸鹽風(fēng)化、離子交換作用的產(chǎn)堿量進(jìn)行定量化研究,為所建數(shù)學(xué)模型提供

3、相關(guān)參數(shù)的選取依據(jù);根據(jù)所建模型及所求參數(shù),利用多物理場耦合軟件COMSOLMultiphysics對20年內(nèi)Cu2+、Zn2+、SO24-、Al3+、Si4+、Ca2+、Mg2+、K+、Na+9種組分溶質(zhì)在煤矸石山內(nèi)釋放-遷移規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文所得相關(guān)結(jié)論如下:(1)、煤矸石具有地域特征明顯性、成分復(fù)雜性、易于風(fēng)化性以及粒徑分布的廣泛性特點(diǎn);其堆積物煤矸石山具有非均質(zhì)性、幾何形狀特殊性及易于自燃性的特點(diǎn)。(2)、在對煤矸石的類別

4、進(jìn)行劃分時(shí),應(yīng)引入粒徑大小作為分類指標(biāo);(3)、煤矸石在傾倒坡面上的分布主要存在三個(gè)區(qū)域,小粒徑煤矸石主要分布在坡面上方區(qū)域范圍內(nèi);中等粒徑煤矸石主要分布于坡面中部;大粒徑煤矸石主要分布于坡角處;(4)、我國平原礦區(qū)通常使用的平地起堆-端部傾倒式煤矸石山,其剖面上的粒徑分布總體呈現(xiàn)出鋸齒狀交錯(cuò)層理結(jié)構(gòu);(5)、通過引入沉淀/溶解相的概念,可構(gòu)建出考慮地球化學(xué)作用下的滲流場-濃度場耦合模型。(6)、煤矸石組分溶質(zhì)的溶解-釋放分為快速溶解期

5、和慢速釋放期兩個(gè)時(shí)期,不同時(shí)期內(nèi)的溶解-釋放規(guī)律可統(tǒng)一采用線性方程描述;(7)、煤矸石粒徑大小與組分溶質(zhì)的溶解-釋放量之間的關(guān)系可用冪函數(shù)表征;(8)、煤矸石山內(nèi)酸堿性的演化可分為方解石堿性期、硅酸鹽滯后產(chǎn)酸期、硫化物產(chǎn)酸期與繼續(xù)反應(yīng)期四個(gè)時(shí)期,各時(shí)期長短取決于煤矸石的礦物組分特征;(9)、考慮煤矸石山為非均勻介質(zhì)時(shí),其內(nèi)部的水分運(yùn)動(dòng)特征明顯區(qū)別于將其視為均勻介質(zhì)時(shí)的結(jié)果;在非均質(zhì)模型中,傾倒坡區(qū)域與軌道坡區(qū)域相比,前者內(nèi)部的水流速度較