一种基于烧变岩体的矿井水净化系统及布设方法与流程

本发明涉及煤炭开采环境修复，尤其是涉及一种基于烧变岩矿井水净化系统及布设方法。

背景技术：

1、一些矿井受煤层自燃的影响，周围覆岩经历复杂的地质运动和变质作用形成大片火烧区，由于火烧区烧变岩靠近自燃煤层的位置不同，可根据覆岩的烧变程度分为烘烤岩层、烧结岩层与烧熔岩层，这些烧变岩层孔隙发育，在煤层开采时是天然的导水通道。

2、由于火烧区一般赋存于浅埋煤层附近，所以在煤层回采过程中，岩层孔隙水、地表水等组成的矿井水会在采动的影响下经由火烧区域进入工作面，矿井水中会出现大量的煤岩颗粒、悬浮物与重金属离子，严重污染了水资源；目前，矿井水的净化大多是经由工作面、巷道至水仓进行收集，再对相应的污染的矿井水进行过滤与吸附处理，在进入工作面进行收集前的初级净化的应用较少，未出现与地下水原位修复技术结合利用烧变岩层天然孔隙结构在矿井水流通时进行净化处理的方法。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题，提出了一种基于烧变岩体的矿井水净化系统及布设方法，利用烧变岩层特性与可渗透反应墙技术相结合组成分级净化系统，具有成本低，可行性强的特点。

2、本发明的技术方案为：所述矿井水净化系统包括烘烤过滤净化层1、烧熔吸附净化层2与可渗透反应墙3；

3、根据矿区中的火烧区域中烧变岩岩性进行划分烘烤过滤净化层1、烧熔吸附净化层2；可渗透反应墙3由人工构建，位于矿井水净化系统底部，可渗透反应墙3包括生石灰与离子交换树脂、粉煤灰、矸石混合浆体。

4、基于烧变岩体的矿井水净化系统的布设方法，包括以下步骤：

5、步骤1：利用矿井开采前期地质资料及勘探情况，确定火烧区的分布区域；

6、步骤2：将整个烧变区域根据其岩性变化沿垂向分为烘烤过滤净化层、烧熔吸附净化层，其中烘烤过滤净化层主要以烧变岩中远离自燃煤层的烘烤岩层为主，烧熔吸附净化层为靠近自燃煤层的烧结岩层；

7、步骤3：在烧熔吸附净化层与正常岩层之间布设可渗透反应墙，钻孔后注入生石灰与离子交换树脂、粉煤灰、矸石混合浆体，中和酸性矿井水，同时利用粉煤灰与矸石的吸附作用，对重金属及其他离子进行二次吸附。

8、烘烤过滤净化层以闭合裂隙为主，主要对靠近地表的表土层裂隙水及露头处附近地表水过滤泥沙，烘烤过滤净化层内部裂隙主要过滤煤粒、煤粉、岩粒、岩粉等颗粒，伴随沟谷处露出的倾斜烧变岩层可以过滤地表积水泥沙。烧熔吸附净化层位于烧变岩底部呈炉渣状、熔融状，该部分主要作为吸附矿井水中的重金属离子等有害物质。可渗透反应墙则同时利用粉煤灰与矸石的吸附作用，对重金属及其他离子进行二次吸附，主要是对烧熔吸附净化层净化后矿井水再次吸附、净化、中和。其中，生石灰用于吸收so42-离子，将经过的酸性矿井水进行中和生成硫酸钙固体，从而达到中和酸性矿井水的目的。

9、在步骤1利用钻孔测定火烧区区域时，利用瞬变电磁法与钻孔探测相结合的方法对火烧区域覆盖面积、纵向深度、具体岩性及富水性进行探测；划定受到开采扰动的烧变区域进行矿井水净化系统的构建，根据上一步骤测定的纵向深度与具体岩性，划分为烘烤过滤净化层、烧熔吸附净化层；确定烘烤过滤净化层l1与烧熔吸附净化层高度l2，判定分界依据为烧变岩性结构，即是否出现破碎熔融状烧变岩。

10、布置的可渗透反应墙的充填介质主要由矿井中常见的矸石、粉煤灰、离子交换树脂与生石灰制成的浆体，其中利用langmuir模型与freundlich表面吸附模型对浆体的吸附效果进行判定：

11、

12、lgqe＝lgkf+nlgce

13、其中，ce为溶液中离子浓度，mg/l；qe为反应介质单位吸附量，mg/g；qm为反应介质最大单位吸附量，mg/g；kl为langmuir模型等温吸附常数；kf为freundlich模型等温吸附常数；n为吸附强度参数。

14、步骤3铺设的可渗透反应墙位于烧变岩的最底部，利用烧变岩蜂窝状内部结构为空间，以相邻未发生烧变的岩层为底部，其中反应墙厚度h＝vt，v为矿井水经过反应墙的平均流速，t为充分吸附时间。

15、构造可渗透反应墙时，首先构建混合充填介质的吸附效果模型，对混合固体介质进行淋滤实验：

16、测得充填介质中矿井水常见的cu2+、pb2+、zn2+、mn2+等高矿化度离子在淋滤之后的浓度ce，根据前后的浓度差对langmuir模型与freundlich表面吸附模型进行拟合，拟合成功后根据qm大小判定吸附效果，qm越大，吸附效果越好；

17、不同重金属离子对langmuir模型与freundlich表面吸附模型公式的拟合度需要大于0.7，若不符合，需对充填介质的原料混合比例与粒径进行调整。

18、本发明利用烧变岩层对矿井水的有害物质进行初步过滤、吸附，在经过可渗透反应墙后排出的矿井水预计初步达到工业用水标准，具有较强的可行性，在矿井水的流动过程中进行净化，使得矿井水可以在净化后在流入地下，简化了净化矿井水的工序，实现了水资源的保护与再利用。

技术特征：

1.一种基于烧变岩体的矿井水净化系统，其特征在于，所述矿井水净化系统包括烘烤过滤净化层(1)、烧熔吸附净化层(2)与可渗透反应墙(3)；

2.一种权利要求1所述的基于烧变岩体的矿井水净化系统的布设方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于烧变岩体的矿井水净化系统的布设方法，其特征在于，在步骤1利用钻孔测定火烧区区域时，利用瞬变电磁法与钻孔探测相结合的方法对火烧区域覆盖面积、纵向深度、具体岩性及富水性进行探测；划定受到开采扰动的烧变区域进行矿井水净化系统的构建，根据上一步骤测定的纵向深度与具体岩性，划分为烘烤过滤净化层、烧熔吸附净化层；确定烘烤过滤净化层l1与烧熔吸附净化层高度l2，判定分界依据为烧变岩性结构，即是否出现破碎熔融状烧变岩。

4.根据权利要求2所述的一种基于烧变岩体的矿井水净化系统的布设方法，其特征在于，布置的可渗透反应墙的充填介质主要由矿井中常见的矸石、粉煤灰、离子交换树脂与生石灰制成的浆体，其中利用langmuir模型与freundlich表面吸附模型对浆体的吸附效果进行判定：

5.根据权利要求2所述的一种基于烧变岩体的矿井水净化系统的布设方法，其特征在于，步骤3铺设的可渗透反应墙位于烧变岩的最底部，利用烧变岩蜂窝状内部结构为空间，以相邻未发生烧变的岩层为底部，其中反应墙厚度h＝vt，v为矿井水经过反应墙的平均流速，t为充分吸附时间。

6.根据权利要求2所述的一种基于烧变岩体的矿井水净化系统的布设方法，其特征在于，构造可渗透反应墙时，首先构建混合充填介质的吸附效果模型，对混合固体介质进行淋滤实验：

技术总结
本发明公开了一种基于烧变岩体的矿井水净化系统及布设方法，涉及煤炭开采环境修复技术领域。利用烧变岩层特性与可渗透反应墙技术相结合组成分级净化系统，具有成本低，可行性强的特点。所述矿井水净化系统包括烘烤过滤净化层、烧熔吸附净化层与可渗透反应墙；根据矿区中的火烧区域中烧变岩岩性进行划分烘烤过滤净化层、烧熔吸附净化层；可渗透反应墙由人工构建，位于矿井水净化系统底部，可渗透反应墙包括生石灰与离子交换树脂、粉煤灰、矸石混合浆体。简化了净化矿井水的工序，实现了水资源的保护与再利用。

技术研发人员：单成方,黄艳利,秦剑云,王贵圆,李亚锋,欧阳神央,秦继龙,李俊孟,王海洋,齐文跃,黄健栋
受保护的技术使用者：库车县榆树岭煤矿有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14