煤矸石山内化学组分溶解—释放—迁移规律的数值模拟研究

摘要

在长时期的自然降水作用下,煤矸石的淋溶液将对矿区的地下水环境产生非常大的影响。煤矸石山内部会产生各种化学反应并释放大量的热导致煤矸石山内温度分布不均,雨水的渗流作用下内部含水率也会有所不同;受到上述两种因素的影响,煤矸石山内部各化学组分的溶解-释放-迁移也将呈现出不同的规律。本文首先利用phreeqc软件对煤矸石内化学组分释放规律进行了数值模拟研究,得出了温度和含水率对化学组分浓度影响变化规律,进而得出化学组分释放速率与温度、含水率、以及化学组分浓度之间关系方程,为模拟煤矸石山内部化学组分释放-迁移规律提供了依据。再利用多物理场耦合软件COMSOLMultiphysics模拟煤矸石山在温度场、渗流场、浓度场的共同作用下内部各化学组分的释放-迁移规律。本文所得相关结论如下:①碳酸盐的溶解受CO2分压影响强于硅酸盐;硅酸盐类矿物的溶解速率随着温度和CO2分压的升高而增大;②影响煤矸石山内化学组分释放速率的最直接因素是溶液中的化学组分浓度而非时间的变化,建立化学组分释放速率和化学组分浓度之间的非线性方程式模拟化学组分的释放规律更具有科学性;③受雨水的淋溶及渗流作用影响,Mg2+、Al3+、Na+、K+四种离子会在煤矸石上的向阳一侧富集;而Ca2+离子会在煤矸石山的背阳一侧富集;④煤矸石山受雨水淋溶作用前期内部化学组分释放速度较快、后期较为缓慢,由于渗流作用逐渐在矸石山底部形成离子富集区;⑤雨水入渗量的增加以及CO2分压的升高都会增大煤矸石山内化学组分的释放总量,矸石山内部的化学反应以及长时间的日光照射会导致煤矸石山整体温度的升高,从而增加Mg2+、Al3+、Na+、K+四种离子的释放总量。

目录

致谢

摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容、方法及技术路线

2 数学模型的建立

2.1 平衡热力学方程

2.1.1 质量作用定律

2.1.2 活度系数的计算

2.2 化学动力学方程

2.2.1 化学动力学简介

2.2.2 反应速率的计算

2.3 基本方程和定解条件

2.3.1 温度场基本方程

2.3.2 渗流场基本方程

2.3.3 浓度场基本方程

2.3.4 模型的定解条件

3 煤矸石内各矿物水化学特性模拟研究

3.1 煤矸石内各矿物溶解度的数值模拟

3.1.1 相同 CO_2分压、不同温度条件下模拟结果及分析

3.1.2 相同温度、不同 CO_2分压条件下对比分析

3.1.3 不同 CO_2分压和不同温度条件下模拟结果及分析

3.2 煤矸石内各矿物的溶解速率数值模拟

4 煤矸石内各化学组分溶解-释放规律的数值模拟研究

4.1 PHREEQC 软件简介

4.2 数值模拟方法

4.3 模拟结果及分析

4.3.1 不同温度条件下、离子浓度随时间变化规律

4.3.2 不同含水率条件下、离子浓度随时间变化规律

4.3.3 释放速率与离子浓度关系

5 煤矸石山内化学组分释放-迁移特征的数值模拟研究

5.1 建立几何模型

5.2 模型参数确定

5.2.1 温度场参数

5.2.2 渗流场参数

5.2.3 浓度场参数

5.3 定解条件的确定

5.3.1 初始条件

5.3.2 边界条件

5.4 模拟结果及分析

5.4.1 渗流场模拟结果

5.4.2 离子浓度分布

6 结论

参考文献

附录 A 各矿物溶解度

附录 B 各矿物溶解速率

附录 C 各离子浓度随时间变化

附录 D 各离子释放速率

作者简历

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