鄂尔多斯盆地铀煤共采研究:塔然高勒煤矿与纳岭沟铀矿共同开发研究

鄂尔多斯地区赋存大量的铀煤共生矿床。塔然高勒煤矿和纳岭沟铀矿为典型,煤矿开采地下水位要求低于1 060m,而铀矿开采需要地下水位在1 340m以上。为解决这一矛盾,运用三维数值模拟技术,对矿区地下水进行了模拟,并首次运用水力帷幕,确定了水力帷幕的主要参数。运用数值模型对该方案进行了验证,证明运用水力帷幕可以保证水位维持在1 340m。解决铀煤共采的难题,为鄂尔多斯地区以及其他地区的铀煤共生矿床开发提供了解决方案。     

鄂尔多斯盆地某矿区铀煤协同开采地下水影响研究

为探明鄂尔多斯盆地铀煤开采相互影响因素及影响程度,应用地下水数值模拟系统(GMS)建立了鄂尔多斯盆地某矿区铀煤叠置区地下水三维数值模型,开展了铀煤协同开采条件下的地下水流场数值模拟预测,分析了地下水水位变化情况。研究结果表明:煤矿开采将引起区域地下水水位明显下降,使得铀矿区承压水头降低,甚至使铀矿区含矿含水层由承压状态转为无压状态,进而破坏铀矿床的地浸开采条件;地下水水位是制约该区域铀煤协同开采的关键因素;水力帷幕措施有利于该区域的铀煤协同开采。     

基于上铀下煤压覆关系的煤铀协调开采技术方案优选研究

塔然高勒煤矿东翼与纳岭沟铀矿存在着上铀下煤压覆关系,为实现煤铀协调开采,避免煤矿开采造成与其相邻的铀矿赋存区域地下水位下降,需设计最优煤矿开采方案,在铀矿与煤矿之间建造地下水力帷幕。采用有限差分法建立研究区地下水流三维非稳定流数值模型,利用数值模型对不同开采方案下地下水位动态进行模拟计算,通过对比不同开采方案下煤矿区及铀矿区地下水位的升降情况和影响范围,优选出最优开采方案。结果表明,开采方案二对铀矿区地下水影响最小,可作为煤铀协调开采地下水力帷幕建造的最优开采方案。     

基于Visual MODFLOW的煤矿开采对地下水影响的数值模拟研究

为了研究该煤矿开采对研究区内地下水的影响,通过对研究区的水文地质条件的分析,构建了水文地质概念模型,并采用Visual MODFLOW软件就开采3煤层对地下水的影响进行了数值模拟研究。结果表明:3煤层开采后,潜水含水层的地下水位变化幅度较小,最大水位降深为6m;基岩裂隙含水层的地下水位降幅较大,最大水位降深为25m。     

近距离煤层下分层回采巷道支护技术研究

为解决三交河煤矿近距离2号煤下分层开采过程中应力显现异常、支护困难等问题,在现场调研、锚固力试验、巷道围岩地质力学试验基础上,对下分层回采巷道层间距大于3 m、1~3 m、特殊地段1 m条件下提出了3种支护方案,并运用UDEC软件对2^-2煤层开采过程进行了数值模拟。模拟显示:层间距小于2 m的巷道顶板最大下沉量50 mm,两帮最大移近量40 mm,与2-601工作面现场监测数据相符。三交河煤矿下煤层综合开采方案的成功实践,解决了近距离煤层开采过程中出现的支护问题,对于类似条件近距离煤层安全开采具有重要意义。     

帷幕注水地浸采铀三维地下水流数值模拟

在大量实测资料基础上,建立了新疆某铀矿床C10采区含矿含水层地下水流系统帷幕注水数值模型,模型总体相关系数达到0.82,较好地模拟了采区帷幕注水抬升含水层水位的水流状态。利用该模型对采区在开展抽注生产情况下含水层区域地下水位变化趋势进行预测。预测显示,在现有水力条件下,采区地浸生产钻孔设计为五点型,21个抽液孔33个注液孔,单孔抽液量为60m3/d,抽注孔间距为25m的井场排布时,采区外围8个帷幕孔进行帷幕注水抬升水位,单孔平均注液流量为115m3/d,1a内采区含水层地下水水位标高保持在1 210m以上,可维持井场正常抽注平衡。     

杭来湾煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟研究

杭来湾煤矿近年来由开采活动引起3号煤层上覆岩层发生移动和断裂变形,严重威胁矿井的安全生产。以杭来湾煤矿为研究对象,运用数值模拟软件,对30101综放工作面导水裂隙带发育过程及发育高度进行了模拟研究。模拟结果表明:煤层开采厚度为4.5 m时,导水裂隙带发育高度达到最大值117.5 m。经过与钻孔实测结果、经验公式计算得到的导水裂隙带发育高度进行对比分析,模拟结果与实测情况基本吻合,认为数值模拟方法对煤矿矿井突水预测提供理论基础,也可对煤矿安全生产提供较高的参考价值。     

压煤开采安全上限标高数值模拟研究

针对桃山水库下铁麒煤矿主要压煤煤层受到水库上方水患的影响,以桃山水库下铁麒煤矿主要压煤煤层的地质条件为背景,运用计算机FLAC3D数值模拟软件进行煤层开采的建模及模拟,针对其塑性区发育特征的变化进行分析,得出煤层开采后导水裂隙带的最大发育高度为57 m,并分析得出铁麒煤矿桃山水库下压煤煤层的安全开采上限标高为+12 m,作为最终开采最大上限取值。研究结果为铁麒煤矿后续煤层的开采提供了参考依据,指导生产实际。     

榆树湾煤矿河流下安全开采数值分析

在分析榆树湾煤矿首采长壁工作面的水文及工程地质的基础上,运用RFPA^2D对其首采面开采分别进行走向和倾向两个数值模拟试验．试验表明,覆岩最大裂隙带的高度为92m．通过模拟表明在距工作面40-60m处的地表土层出现了不同长度的裂缝,地表裂缝未和裂隙带贯通,裂隙带与地表土层裂隙之间,在倾向模拟时和走向模拟时分别有30,18m的土层隔离带．通过进行安全分析得到了最小安全防水煤岩柱的尺寸为95m,表明数值模拟结果与工程开采实践基本一致．进一步为河流下安全开采提供了可行性．     

煤层开采弱透水层厚度变化对上覆松散含水层影响研究

在研究煤矿区地质、水文地质及采矿条件等的基础上,采用Visual MODFLOW进行煤层开采弱透水层厚度变化对上覆松散含水层影响的数值模拟研究。结果表明:在模拟期间,松散含水层地下水位下降幅度随着弱透水层厚度增大逐渐减小。研究成果为煤矿区松散含水层地下水保护提供了依据。     

复杂水文地质条件下大型帷幕截流工程效果数值仿真分析

朱仙庄煤矿水文地质条件复杂,其8煤开采受到奥灰和太灰强富水含水层的补给影响,严重威胁煤矿的安全开采。提出了建造大型帷幕截流墙、切断它们之间的水力联系、进行疏水降压的水害治理方法。针对前人单点局部检验帷幕效果的不足,为预测大型帷幕墙的整体截流效果,在井下开展了三阶段放水试验,以此为基础,开展了朱仙庄煤矿多层、复杂接触、复合边界的水文地质条件下大型帷幕截流工程数值仿真分析。结果表明:放水试验期间,帷幕墙内"五含"水位呈现"平盘式"下降现象,墙内外水位差明显,放水试验末期墙内外水位差约200 m,"四含"水位变化出现"滞后"现象,判断了它们之间水力联系微弱,确定了"五含"和"四含"的参数分别为4个和2个分区。针对朱仙庄煤矿复杂的水文地质模型,通过将第2和第3层赋值为相同参数概化了"四含"和"五含"的高角度不整合接触关系,奥灰与"四含"的接触带概化为变水头边界,同时将太灰与"四含",奥灰、太灰与"五含"的接触带概化为源汇补给项,建立了420行×260列×3层的大型帷幕截流工程的大型数值模型,运用MODFLOW软件的WHS求解器进行模型计算。由于研究区复杂的地层接触关系,数值模型在计算中容易出现不收敛现象,通过动态调整算法的阻尼系数在0.8～0.5可以很好地控制模型的收敛性。帷幕截流墙的数值仿真分析发现,帷幕截流墙整体渗透性能较差,整体渗透系数为0.6 Lu(折合渗透系数为0.005 m/d)。预测了"五含"水位疏降至安全水头-350 m时的残余水量为91 m~3/h,截流率达95%以上,综合分析帷幕墙截流效果非常明显。本次计算方法和技术可为类似的复杂水文地质条件下大型数值模型的构建、计算及快速收敛提供参考,同时丰富了煤炭精准开采背景下的矿井地质保障技术。     

神府矿区大型水库旁烧变岩保水开采技术研究

神府矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区,同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区,烧变岩水是区内的主要地下水资源之一。为研究区内烧变岩水对采煤的影响和烧变岩水的保护问题,以张家峁井田首采区首采地段5-2煤开采为例,通过对水文地质结构系统和5-2煤顶板导水裂隙带的分析,查明了研究区的水资源类型和特征,确立了5-2煤保水开采对象,划分了5-2煤保水开采分区,提出了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术。研究结果表明:研究区的水资源类型主要有6类,其中仅有4-2煤烧变岩水具有保水开采意义,5-2煤开采划分为4-2煤烧变岩水无水开采区和保水限采区。5-2煤保水限采区设计的帷幕墙空间形态、帷幕线位置及数量、注浆钻孔排间距及结构合理,制定的钻探和注浆施工工序和工艺科学,实施的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等注浆帷幕关键技术可行。保水限采区5-2煤工作面采前上覆4-2煤烧变岩水预疏放和采后工作面涌水量实测结果表明,保水限采区内4-2煤烧变岩水静储量约20 000 m3,动态补给量不足5 m3/h,注浆帷幕截流实现了帷幕内外4-2煤烧变岩水的有效隔离,大幅减少了4-2煤烧变岩水及与其有直接水力联系的常家沟水库水的排放,水资源保护性开采效果显著。     

地面顺层孔注浆技术在帷幕截流工程中的应用

为了解决朱仙庄煤矿8煤顶板五含水害问题，提出了“帷幕截流，疏干开采”的治理思路，基于地面顺层孔注浆技术研究了大埋深、巨厚层、极强富水岩溶含水层帷幕截流技术，提出了双排平行错位布孔、内外交叉检验的钻孔方式以及前进式控压、多回次控量注浆的注浆控制工艺，运用 “分序孔注浆指标对比分析—地面钻孔检查—井下放水验证”的三阶段质量检验方法验证了帷幕截流效果。结果表明：地面定向顺层孔注浆可实现煤矿大埋深、巨厚层、极强富水溶隙裂隙含水层的帷幕经济高效建造|注浆改造后的岩石抗压强度提高1.6MPa，孔隙率降低77.5%，弹性模量、密度也略有提高，透水率小于1Lu，注浆效果良好|放水验证帷幕过水量小于40m3/h，截流率大于98%，内外水位差大于350m，帷幕截流效果良好且运行稳定。     

西部生态脆弱矿区地下水对高强度采煤的响应

为研究榆神府矿区高强度煤层开采对地下水的影响,分析潜水位下降与煤层开采强度的关系,通过资料收集和实地调查两种方法,获取了矿区煤炭资源大规模开采前(1995年)地下水位和煤炭开采后(2014年)地下水位,2者叠加后求取了地下水位变化幅度,并与开采强度分区进行耦合,分析地下水位变化与开采强度的关系。研究区73.0%的区域地下水位未发生明显变化,但有7.3%区域地下水位下降幅度超过8 m,尽管比例小,但面积达758.9 km2,对区域地下水均衡产生了较大影响;高开采强度开采是矿区地下水位下降的主要驱动因素,71.5%的水位明显下降区(8 m)是由高强煤层开采导致的。导水裂隙带和含水层特征是煤层开采过程中控制地下水位变化幅度和范围的关键所在。高强度煤层开采区必须推行保水采煤技术才能达到资源与环境和谐发展的目的。     

榆神矿区煤炭开采的地下水动态演化规律

榆神矿区浅表层水资源短缺,生态脆弱,在划分主采煤层上覆含、隔水层组合类型的基础上,采用Visual Modflow软件构建煤层开采的地下水流数值模型,研究地下水流场演化规律,统计区内地下水位观测网(56个水文观测孔)近3年的有效观测数据,掌握首采煤层开采地下水位动态变化。结果表明:2020年第四系萨拉乌苏组潜水流场与2005年统测地下水流场形态基本一致,地下水位降深值在西南部达10 m;近3年的地下水位未发生明显变化,仅YS22钻孔处受村民井取水引起水位下降。研究成果对榆神矿区地下水资源保护与利用具有重要的指导意义。     

复杂富水环境下帷幕注浆工程布设及工艺优化

帷幕注浆工程可以有效截断开采区域的地下水补给,为安全开采复杂富水环境下的矿体创造条件。在对矿区水文地质环境详细勘察的基础上,通过现场工业试验,以堵水率为评价指标,分析注浆工程在不同帷幕线路和注浆参数下的堵水效果。通过优化帷幕注浆线路和布设参数,采用分区不等距大孔距布设注浆孔的方式,降低了36.01%的钻探工程量;遴选了改性黏土固化浆(90%)和粉煤灰固化浆(10%)作为注浆材料,降低了帷幕工程成本。研究结果表明:注浆帷幕两侧的水位差最高达40.6 m,堵水率达77.96%,帷幕注浆工程达到了预期堵水效果。     

露天边坡地下水渗流模拟及降水坡降研究

以伊敏露天矿三采区设计采矿为工程研究背景,采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,分析地下水渗流规律、边坡采动渗流变形规律、及降水对边坡渗流规律影响。基于相似模拟研究了露天开采过程中地下水位渗流动态过程、坡面出水位置、渗流水力坡降特征及地下水通过断层后出现水位跃变;通过数值模拟研究了7种不同降水工况中边坡中浸润线的变化特征、地下水在断层处跃变规律、及地下水的水力坡降特征。最终,确定了矿区合理的降水位及水力坡降。     

面向生态的矿区地下水位阈限研究

分布在干旱半干旱地区的植被,由于降水不足以维持其长期生存,需要地下水提供部分或全部水源,因而对地下水有一定的依赖性。煤层开采破坏含水层后地下水位会大幅降落,这在一定程度上会给依赖地下水植被造成水分胁迫,进而控制生态系统演化过程。针对榆神矿区煤层开采引起地下水位变化的基本特征,提出了生态安全约束下矿区地下水位控制阈值的确定方法。研究表明,植物根系与地下水毛细上升带保持接触时,植物就可以吸收利用地下水,因此本文将最大毛细上升高度与根系长度之和作为植被利用地下水的最大临界埋深。在毛管流理论指导下,以颗粒排列方式与孔隙直径大小的关系建立了最大毛细上升高度计算公式,并给出了通过颗粒级配曲线确定最大毛细上升高度的方法。据此计算的毛乌素风积沙最大毛细上升高度的取值区间为0.7～2.0 m,进一步确定了榆神矿区生态安全约束下的矿区水位控制下限为4.0 m。在此基础上,以2016年地下水流场基准,以水位埋深4.0 m为界将榆神矿区划分为生态约束区和无约束区。水位埋深小于4.0 m的区域植被对地下水依赖程度高,属于生态约束区,煤层开采造成地下水位下降极易使植被遭受水分胁迫,因而是矿区生态环境保护的重点。研究成果阐明了榆神矿区生态环境及地下水位对煤层开发的限制条件,为进一步推进保水采煤技术的发展奠定了理论基础。     

巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术

陕北侏罗纪煤田榆横矿区(北区)是我国重要的煤炭生产基地,区内大型矿井分布较多,煤层埋藏相对较深,在采掘过程中发现有富水煤层问题。为研究区内煤层富水机理及采掘过程中的水害问题,以巴拉素煤矿2号富水煤层注浆堵水治理工程为例,通过对水文地质条件和地下含水层之间水力联系情况分析,查明了区内各含水层水文地质特征及类型,确定了2号煤层水为立井井筒过煤层段的主要充水水源,并提出了富水煤层注浆治理保障新技术。通过抽水试验、水化学测试,发现区内地下水含水层主要为第四系松散层潜水含水层、白垩系下统洛河组孔隙-裂隙含水层、侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤顶板延安组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤层含水层等。第四系松散潜水含水层和白垩系洛河组孔隙裂隙含水层之间水力联系密切,其他含水层之间均未发现水力联系。根据现场实际及多次实践,确定以"引流注浆、帷幕封堵"为总体思路,运用"井下打钻,地面拌浆,管道输送,高压灌注"的方法,完成2号煤层富水区段的封堵。研究及实践结果表明:通过多种材料结合、钻探注浆等组合工艺实施后,在副立井井筒马头门煤层揭露区段及待掘巷道周围形成了有效的止水帷幕,将掘进巷道与富水煤层隔开,最大程度地减小井筒涌水量,超出预期目标完成注浆堵水任务,副立井井筒总涌水量由最初的150 m~3/h(最高200 m~3/h)衰减至竣工时的11 m~3/h,注浆堵水率约为93%,实现了对富水煤层大量出水有效封堵的目的。     

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。