采矿驱动下华北型煤田多层地下水系统水动力-水化学演化机理研究

Coal mining is bound to change the hydrodynamic condition, and destroy the hydrochemical environment. However, the coupled relation between hydrodynamics and hydrochemistry drived by mining has not been analyzed in large scale and from time and space in the multi-aquifer groundwater system in Northern China type coal field, so the true feature of hydrochemical environment and the possible evolution trend can not be well revealed. For this reason, Huaibei coal field is taken for example in the project, and the integrative analysis methods such as analysis of hydrochemical components and isotopes in multilayer groundwater, numerical simulation and theoretical analysis are adopted. First, evaluation indexes are condensed to carry out the quantitative research on the mining-drived environment in the groundwater system. Secondly, the theory of groundwater flow system is introduced and the hydrochemical and isotope tracer techniques are applied to develop hydrodynamic evolution pattern and analyze the mechanism of water-rock interaction in the process. Thirdly, hydrodynamics-hydrochemistry coupled numerical simulation based on chemical dynamics and hydrogeochemical simulation are used to analyze the change relation between groundwater seepage field and hydrochemical field, and clarify the mining-drived effect. This research lays the foundation for the early warning of water-inrush and protection and utilization of water resources in Northern China type coal field, and certainly will expand the application domain in hydrogeochemistry.

煤矿开采势必改变地下水动力条件，破坏水化学环境，然而华北型煤田多类含水层地下水系统水文地球化学研究尚未从大尺度、时空角度分析采矿驱动下水动力与水化学耦合关系，无法揭示水化学环境的本来面目及可能的演化趋势。为此，本项目以淮北煤田为研究示范，采取多层地下水化学组分与同位素分析、数值模拟与理论分析相结合的研究手段。首先，凝练评价指标体系，开展采矿活动对地下水系统环境影响的定量评价研究；其次，引入地下水流动系统理论，辅以水化学与同位素联合示踪技术，建立水动力演变模式，并揭示演变过程中的水-岩作用机制；再次，采用基于化学动力学的地下水动力-水化学耦合数值模拟以及水文地球化学模拟，分析水渗流场与水化学场的变化关系，进而阐明采矿驱动效应。研究成果为华北型煤田突水预警和水资源保护与利用奠定基础，势必拓展水文地球化学的应用领域。

煤矿开采势必改变地下水动力条件，破坏水化学环境，然而华北型煤田多类含水层地下水系统水文地球化学研究尚未从大尺度、时空角度分析采矿驱动下水动力与水化学耦合关系，也就无法揭示水化学环境的本来面目及可能的演化趋势。为此，本项目以淮北煤田为研究示范，采取多层地下水化学组分与同位素分析、数值模拟与理论分析相结合的研究手段。首先，采用典型同位素与常规离子组合比等示踪技术以及常规水化学主成分分析技术，研究了采矿驱动下主要突水含水层水-岩作用的变化机制与水化学演化规律；其次，依据稀土元素稳定且相似的地球化学性质，考虑主要突水含水层不同的水文地球化学环境，分析了研究区主要突水含水层稀土元素在水-岩作用中的不同地球化学行为，从而合理提出了主要突水含水层地下水水循环模式；再次，基于采矿驱动下地下水水化学-水循环变化关系，采用氢氧稳定同位素与水化学联合示踪技术，分析了矿区地下水的循环过程、补给来源，从而合理确定了混合地下水补给端元，建立了地下水补给端元混合比例的计算模型。最后，采用基于化学动力学的地下水动力-地下水化学耦合数值模拟以及水文地球化学模拟，分析了地下水渗流场与地下水化学场的变化关系，进而阐明了采矿驱动效应。研究成果为华北型煤田突水预警和水资源保护与利用奠定基础，势必拓展水文地球化学的应用领域。