煤炭开采对相邻区域生态潜水流场扰动特征

陕北煤炭能源基地高强度开采易影响生态潜水的自然径流条件,针对自然保护区周边煤炭资源开采对地下水流场的扰动问题,以榆神矿区某井田为例,通过构建研究区煤-水空间结构水文地质模型,系统分析研究区生态潜水的赋存特征及其规律;采用物理模拟、数值模拟、现场实测等手段,综合分析煤层覆岩岩性组合结构、煤层与关键层间距、煤层厚度、煤层埋深、工作面长度等因素,利用相关分析方法提出了适合于研究区导水裂隙带高度计算的裂采比公式;根据水文地质条件和煤层采动方式,采用地下水数值分析方法,模拟了煤炭开采后萨拉乌苏组生态潜水流场变化,分析了煤层采动后生态潜水受扰动的特征。研究结果表明:区内萨拉乌苏组生态潜水含水层全区发育,其赋存受基岩面形态控制,生态潜水水位受地形、含水层厚度、地下水分水岭和地表水等影响;下伏关键隔水层(保德组红土)受沉积影响在研究区东南局部缺失,形成"天窗"导水通道;区内覆岩结构以硬-软-硬、硬-硬-软2种组合类型为主,覆岩结构类型对导水裂隙带发育高度及形态有重要作用;统计分析多个导水裂隙带发育高度结果,提出榆神矿区导水裂隙带最大裂采比为28.1倍,该数值对榆神矿区保水采煤及水害防治具有重要指导意义;通过计算发现,煤层开采后,在研究区东南部保德组红土缺失区将造成生态潜水漏失与水位下降,最大降深可达10 m。为保护生态潜水资源,建议开采研究区东南部"天窗"部位的煤层时,必须采取相应的保水采煤技术。     

榆神矿区综采条件下保水采煤效果分析

为了评价综采工作面保水采煤效果,通过对榆神矿区金鸡滩煤矿采煤工作面开采后导水裂缝带发育高度与隔水岩组厚度的比较分析、采空区潜水水位埋深探测等方法,系统分析采煤对萨拉乌苏组潜水的影响。研究认为,金鸡滩煤矿采煤工作面导水裂缝带发育最大高度为109.72 m,潜水水位最大下降幅度1.32 m,保持在合理的生态水位埋深范围,实现了保水开采。     

陕北煤田生态潜水保护与矿井水害预防对策

为了在开采陕北侏罗纪煤田煤炭资源的同时对具有重要生态意义的第四系萨拉乌苏组潜水含水层实施有效保护,基于煤田特殊的煤层-地下水空间组合关系,采用试验对比方法,研究了煤炭高强度开采对生态潜水流场的扰动规律,提出了旨在保护地下水资源和预防矿井水害的生态潜水流场优化调控策略。研究结果表明:采煤对生态潜水流场的扰动强度取决于导水断裂带对关键隔水层的破坏程度;导水断裂带发育高度主要受煤层开采强度控制;通过选取限高开采、分层开采、充填开采、限面积开采、条带开采等采煤工艺控制导水断裂带发育高度,使关键隔水层不受破坏,是实现保水采煤目标的有效途径;在条件适宜的井田实施上行开采有利于保护地下水资源和矿井安全。     

巨厚砂砾岩含水层下特厚煤层保水开采分区及实践

以永陇矿区崔木煤矿为研究背景,分析矿区含(隔)水层与煤层的空间组合及覆岩特征,结合导水裂隙带发育高度探查结果,开展巨厚砂砾岩含水层下特厚煤层保水开采分区及实践研究。结果表明:该区导水裂隙带发育高度为煤层采厚的19.93~23.23倍,已波及上覆白垩系含水层。以所确定的保水开采保护层厚度30 m为阈值,将研究区划分为自然保水开采区、可控保水开采区和保水限采区,并提出各分区相应的保水开采途径。实践表明:巨厚砂砾岩含水层下保水开采的有效途径主要包括控制导水裂隙发育高度,选用适当的工作面布局及推进速度,以及隔水层采动破坏后的恢复与再造。     

王家沟煤矿条带充填开采导水裂隙发育规律研究

为探索陕北榆神矿区王家沟煤矿萨拉乌苏组含水层下保水开采方法,在分析该矿1301、1302综采工作面地质采矿条件的基础上,基于充填条带与关键层协调作用原理,分别采用物理相似模拟实验和FLAC3D数值模拟计算方法,对比研究了综采一次采全高全部垮落法和条带充填两种开采方法开采后覆岩导水裂隙的发育规律。试验模拟结果表明,1301全部垮落法开采导水裂缝带最大高度达110.4m,1302条带充填开采导水裂缝带最大高度约55.4m;覆岩导水裂隙随直接顶、基本顶的初次来压和周期来压以及覆岩主关键层的破断失稳呈间歇性变速向上发育,应用条带充填可以起到支撑关键层的协调控制作用,能够有效控制覆岩导水裂隙带的发育高度,实现王家沟煤矿含水层下保水采煤的目的。     

陕北浅埋煤层绿色保水开采技术研究

王家沟煤矿为陕北典型浅埋煤层矿井，地下煤炭资源开采有可能破坏萨拉乌苏组潜水含水层。为有效的控制导水裂隙发育，最大限度保护地表含水层，基于协调开采的原理，结合力学模型和相似材料模拟试验，对比研究了一次采全高和限高留煤柱两种开采方法导水裂隙发育规律。研究表明，一次采全高条件下导水裂隙呈间歇式变速发育最大高度94m，穿过含水层|限高留煤柱协调开采导水裂隙发育平缓，最大高度60m|关键层的稳定决定着含水层的稳定，限高留煤柱能够显著的控制协调关键层挠曲下沉，有效的抑制导水裂隙发育，实现含水层下绿色保水开采。     

小保当井田2-2煤潜水采动影响分区研究

针对小保当井田在未来开采过程中造成的地下水资源大量漏失的问题，以小保当井田开采的2^-2煤层为研究对象对潜水资源受煤层采动影响分区进行研究。采用富水指数法通过AHP-熵值法建立评价模型划定了萨拉乌苏组潜水含水层富水性分区，根据相邻煤矿导水裂隙带现场实测类比确定了井田2^-2煤层导水裂隙带发育高度及层位，采用信息融合理论方法综合松散潜水含水层富水性分区和2^-2煤层导水裂隙带发育层位划分小保当井田内潜水资源受采动影响分区，得出结论：井田未来开采2^-2煤层时对松散潜水含水层的采动影响较小，仅存在一般失水区，位于井田南部且范围较小。由于在研究过程中采用了相邻矿井的资料，因此对相邻矿井未来进行相关研究和煤炭开采有一定的指导意义。     

陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析

榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分,针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题,通过系统分析地质与水文地质结构特征,将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组,以及主、亚2个隔水保护层组;根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征,提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水,以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法,以榆神矿区典型矿井为研究对象,构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型,模拟结果显示,浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田),主采煤层为4^-2煤层,采动导水裂隙直接发育至松散含水层,工作面顶部含水层被疏干,总涌水量为47 m³/h,地下水流场受采动影响大;深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田),主采煤层为1^-2煤层,采动导水裂隙发育至基岩含水层,总涌水量为21.87 m³/h,以侧向涌水为主,由于主、亚隔水层复合保护,垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型(曹家滩井田),主采煤层为2^-2煤层(均厚约为11 m),在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部,其侧向涌水量为23.17 m³/h,垂向涌水量为12.67 m³/h,地表松散含水层地下水流场变化较小,在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层,发育至风化基岩含水层底部,总涌水量增至131 m³/h,对松散含水层影响较大。此外,当导水裂隙带高度小于180 m、不能沟通风化基岩含水层时,随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大,当导水裂隙带高度大于180 m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时,涌水量增加幅度较大,由此可见,抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系,是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。     

毛乌素沙漠区广域适应型保水安全厚度计算及开采影响分区评价

毛乌素沙漠区多个近地表含水层支撑着区域生态环境、生产和生活,开展保水采煤研究势在必行。而"保水安全厚度"计算作为保水采煤研究的核心内容,由于各近地含水层的性质以及所处垂向位置的差异,导致了针对毛乌素沙漠区的保水安全厚度计算方法适用范围有限、缺乏统一性。通过分析毛乌素沙漠区内含隔水层在垂向和平面上的展布特征、水文地质性质,结合不同区域内的工程地质条件和开采方法,探讨了保水安全厚度的定义。将煤层之上地层划分为目标保护层、预测导水段(导水裂隙带发育段)和等效保水段(由有效黏土隔水层和基岩层组成的保水段)。利用水均衡法分析了黏土隔水层与基岩层间的保水性能关系,通过"保水比例系数"形成了黏土隔水层与基岩层间统一的等效保水段计算方法。建立了具有能够适用毛乌素沙漠区内"沙-基(岩)型开采区"、"沙-土-基(岩)型开采区"、"沙-土-洛(洛河组含水层)-基型开采区"、"烧变岩型开采区"等主要不同地质条件的保水安全厚度计算模型。根据导水裂隙带的发育高度与黏土隔水层、基岩层间的导通特征以及煤水间距与保水安全厚度的大小关系,制定了煤层开采影响的自然保水区、一般失水区和严重失水区的分区标准。并以榆神矿区小保当煤矿为例,应用建立的统一模型确定了小保当井田内砂-基型和砂-土-基型开采区内的保水安全厚度,并据此评价了煤层开采对潜水含水层的影响。所建立的保水安全开采厚度计算模型以及开采分区评价标准具有良好的适应性,也为保水采煤研究中有关保水安全厚度的计算和煤层开采对上覆含水层的影响评价提供了新思路。     

采动覆岩冒裂安全性分级分区预测研究

针对顶板破碎冒落、导水裂隙带及含水层裂隙发育等问题,基于经验公式分析确定煤层开采"两带"发育高度,通过采用有限元数值计算软件FLAC3D分析采动裂隙发育程度,在重力作用下,覆岩运移规律由采空区中心向四周均匀发展,覆岩均匀移动引起拉伸应力区由中心向四周发展并呈U型分布。结果表明,导水裂隙带发育高度和4#煤层至洛河组岩层高度差是判断导水裂隙带是否沟通洛河组含水层的标准。针对煤层顶板洛河组冒裂安全性划分为危险强区、危险中区、危险弱区及安全区。     

我国水体下保水采煤技术研究进展

针对我国水体下保水采煤的理论与实践,就采动覆岩导水裂隙演化规律,以及在此基础上形成的保水采煤技术研究进展进行了综述和展望。结果表明:导水裂隙作为地层含水层破坏与地下水漏失的主要根源,其动态发育与发展直接受控于覆岩关键层的破断运动;因而,可按具体开采条件下覆岩关键层的赋存情况进行导水裂隙带高度的确定,从而科学指导水体下保水采煤对策的制定。依据水体下保水采煤所包括的4个层次的内涵,分别从顶板突水灾害防治、含水层原位保护、采动破坏含水层的再恢复、采动漏失水资源的转移储存与利用等4个方面,进行了相关保水采煤技术研究进展的论述,在此基础上提出了今后的研究方向。     

厚松散层薄基岩浅埋煤层导水断裂带高度研究

薄基岩浅埋煤层开采形成的导水断裂带易造成水资源破坏,导水断裂带高度确定是含水层免受破坏的关键。以青龙寺煤矿5-20101工作面为研究对象,采用物理相似模拟、理论计算及井下仰孔注水测漏法分析煤层开采导水断裂带发育高度。研究表明:工作面开采后采空区上方覆岩形成拱形梁结构,拱的边缘位置为拉应力区,该区域纵向切落裂缝为岩层的主要导水通道,导水断裂呈"八字形"分布;5-20101工作面导水断裂带发育高度为52.3~62 m,平均57.2,裂采比为24.2;导水断裂带发育不会与萨拉乌苏组含水层贯通,生产过程中不受含水层倒灌的威胁。     

水库下采煤导水裂隙带高度预测

本文采用人工神经网络技术,对新安煤矿小浪底水库下采煤导水裂隙带发育高度进行预测研究,选取了顶板岩性、顶板抗压强度、覆岩类型、倾角、覆岩厚度、泥岩比、煤层采厚等因素作为导水裂隙带预测模型的影响因子,建立了导水裂隙带高度的预测模型,准确判断了煤层开采后导水裂隙带的发育高度。本文的研究成果为新安煤矿合理设计小浪底水库下采煤的开采方式方法,提供了重要的参数依据和技术支撑。     

水体下保水采煤理论分析及关键技术研究

对我国水体下保水采煤的理论及关键技术措施进行了分析和总结,研究结果表明,煤层开采后上覆岩层破坏规律并进行导水裂隙带发育、发展动态演化规律及其高度预测是进行水体下保水采煤的理论基础。另外,顶板突水灾害防治、含水层原位保护、含水层再恢复、采动漏失水资源转移储存与利用4个层次的关键技术是保水采煤成功的关键,同时,在进行保水采煤过程中,也要根据特定的煤层赋存和水文地质条件,因地制宜地采取合适的保水采煤技术。     

萨拉乌苏组含水层对杭来湾井田煤层开采影响性分析

论文介绍了杭来湾井田内萨拉乌苏组含水层赋存特征,并利用经验公式计算了3号煤层导水裂隙带,通过数值模拟方法,对萨拉乌苏组含水层流场及水位变化情况进行了预测,结果表明,3号煤层导水裂隙带可能沟通萨拉乌苏组含水层区域,为煤矿防治水工作提供了理论依据。     

煤矿开采对水资源的影响分析与防治对策研究

煤炭开采对水循环、水资源量及水环境影响较大。矿坑大量排水改变了地下水的运移规律,损害了矿区生态环境。在采煤过程中,最大限度地减小含水层结构破坏程度,控制地下水位下降幅度,是矿井建设面临的难题。以三交河煤矿煤炭开采为例,通过分析各煤层及其覆（伏）岩结构特征,计算导水裂隙带发育高度和采煤破坏的水资源量,认为上组煤开采对上覆含水岩组破坏较大,造成矿区水位超常下降,甚至疏干;下组煤开采对奥灰水影响较小。针对分析结果,提出了实施保水采煤以减少对覆岩含水层的破坏、加强对水资源的综合利用等应对措施。     

含水层下固体充填保水开采方法与应用

为解决含水层下煤层开采所导致的溃水灾害问题,提出了基于固体充填采煤的保水开采方法,阐述了该方法的基本原理,分析了固体充填开采覆岩导水裂隙演化特征,并基于固体充填开采导水裂隙带高度预计公式,结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,建立了含水层下固体充填开采临界充实率计算模型,分区设计了受含水层影响煤层的充实率,进而对煤层进行了充填工作面设计布置。五沟煤矿CT101充填工作面应用结果表明:实测充采质量比平均值为1.32,大于理论设计值1.28,充填效果较好,且导水裂隙带高度仅为10.0 m左右,该方法有效地降低了覆岩导水裂隙带高度,可实现含水层下保水开采的目标。     

新登煤矿综放开采导水裂隙带发育高度研究

煤层开采后导水裂隙带发育高度至顶板含水层和底板承压含水层,会使覆岩中的水通过导水裂隙带进入工作面,给煤矿安全生产带来重大隐患。为获得新登煤矿煤层开采后导水裂隙带的发育高度,在该矿31101工作面进行了实测研究。首先通过对井下施工的4个钻孔的钻孔漏失量,大致推导出工作面开采后的导水裂隙带高度;然后利用电视成像仪观测孔壁的裂隙,判断导水裂隙带高度;最后通过物理相似模拟实验,分析导水裂隙带发育规律。得出新登煤矿31101工作面的顶板导水裂隙带高度45.7~46.7 m;底板导水裂隙带高度5.6 m。     

榆神矿区中深煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水模型构建

煤层开采覆岩变形损伤是含水层失水主要原因,针对榆神矿区中深煤层开采影响下含水层失水规律研究程度不高问题,根据矿区主采煤层覆岩的地质与水文地质结构特征,总结提出中深煤层开采覆岩损伤变形影响下含水层"侧向直接与垂向渗漏"复合失水模式,以COMSOL多物理场耦合数值分析软件为平台,提出了中深煤层开采覆岩变形损伤与含水层失水数值分析模型的构建方法:①利用岩石力学模块,通过建立煤层开采条件下覆岩采动应力、孔隙率与渗透率耦合关系,模拟输出弯曲带覆岩各剖分节点的位移变形量,计算采动渗透系数变化;利用Mohr-Coulomb塑性破坏准则识别出采掘扰动下导水裂隙带的发育范围;②利用COMSOL软件平台中大变形几何体自动重新剖分计算模块,重新进行网格剖分,形成采动变形二次剖分网格;③在达西渗流模块中,根据含水层与导水裂隙带间的地下水运动状态的转化特征,把采动导水裂隙范围数值处理成达西渗流边界,重新输入采动渗透系数参数,以建立含水层地下水失水分析模型。最后以榆神矿区曹家滩煤矿为分析案例,建立工作面尺度上煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水分析模型,模拟得出工作面2~(-2)煤层分层开采(5 m采高)条件下导水裂隙最大高度为128 m,发育至直罗与延安组基岩含水层内部,含水层失水总量35.84 m~3/h,其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为23.17,12.67 m~3/h,煤层开采对近地表松散含水层影响小;一次采全高(10 m采高)条件下导水裂隙最大高度为202 m,发育至富水性好的风化基岩含水层内部,失水总量增加至130.31 m~3/h,其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为92.65,37.66 m~3/h,煤层开采对松散含水层影响较大。     

万利一矿煤层群开采覆岩导水裂隙带高度研究

为了获得万利一矿浅埋煤层群大采高开采条件下的覆岩导水裂隙发育高度,采用理论预计与工程探测相结合的方法开展研究。基于关键层理论研究形成了适用于煤层群开采条件的导水裂隙带高度预计方法,并判断得出,上部3-1煤开采后覆岩导水裂隙将发育至基岩顶界面,后续再次开采下部4-2煤,导水裂隙带顶界高度不再增加;理论预计结果得到了现场钻孔工程探测的验证。钻孔冲洗液漏失、孔内水位变化以及钻孔电视观测结果表明,两煤层重复开采引起的导水裂隙已发育至地表,对应导水裂隙带高度为170m;上下煤层开采的垮落带高度分别为21m和18m,对应垮采比分别为4.2和3.8。研究结果可为类似开采条件下的保水采煤实践提供依据。