榆横矿区十六台勘查区保水采煤分析

为了分析十六台勘查区的保水采煤条件,通过对其含水层富水特征分析,研究了煤层与覆岩的含(隔)水层空间特征,并计算了导水裂隙带的发育高度。研究表明,研究区生态环境脆弱,萨拉乌苏组潜水含水层是主要的含水层和供水水源,也是保水采煤的目标含水层;主要隔水层第四系离石组黏土结构致密,渗水条件差,发育连续稳定,是萨拉乌苏组潜水赋存储集的重要条件;煤层与覆岩的空间组合具有较好的保水条件,煤层开采时冒落带和导水裂隙带发育高度不会波及到萨拉乌苏组潜水含水层,煤炭开采时采取适当措施可实现保水采煤。     

基于相关性分析的导水裂隙带发育高度预测

以榆神矿区小保当煤矿为研究对象,采用地质比拟方法对 2^-2煤层开采导水裂隙带发育高度进行预测分析。 根据榆神矿区煤层覆岩典型组合结构,确定 2^-2煤层覆岩类型为软岩类、较软岩类和较坚硬岩,并将其划分为硬-软-硬和硬-硬-软组合结构;筛选了覆岩采动裂隙发育的影响因素,以榆神矿区导水裂隙带发育高度实测为例,分析了煤层覆岩结构类型、采高、埋深、工作面跨度与导水裂隙带发育高度的相关性,采用回归分析方法拟合确定了不同主控因素条件下的导水裂隙带发育高度预测公式。 研究成果对小保当煤矿保水采煤、顶板水害防治提供了一定的理论依据。     

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。     

保水采煤方法及其适用性分区 ——以榆神矿区为例

为解决我国西北地区脆弱的生态环境与高强度煤炭开采之间的矛盾,以陕北榆神矿区典型水资源保护性采煤条件为例,研究西北浅埋煤层保水开采技术及其适用性分区。针对榆神矿区地质条件,确定出浅埋煤层采动覆岩导水裂隙带发育高度与保护层有效厚度,得到保水采煤的临界采高,即最大理论允许采高分布状况。系统分析限高开采、(局部)充填开采、窄条带开采等保水采煤条件下的岩层控制理论,及其保水机理与适用条件。在此基础上,进行榆神矿区保水采煤技术的适用性分区。     

榆神矿区煤矿突水及防治

论述了榆神矿区某煤矿发生的突水灾害实例,分析了矿井突水的地质、水文地质条件,认为,榆神矿区萨拉鸟苏组含水层厚度大,富水性强,煤层埋藏浅,煤层开采后产生的冒落带、裂隙带发育到萨拉乌苏组含水层底部,从而引起突水灾害,提出了矿井突水预测的思路和方法.     

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。     

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。     

榆神府矿区保水采煤受保护萨拉乌苏组含水层研究

针对我国西部榆神府矿区大规模煤炭开采与脆弱生态环境保护的矛盾,对榆神府矿区尤其是重点煤矿的保水采煤受保护含水层进行了研究。研究表明,萨拉乌苏组是该区的主要含水层,是矿区保水采煤的目标保护层,同时还是煤矿水害的主要水源。萨拉乌苏组含水层适合沙生植被生长发育,是生态潜水。萨拉乌苏组含水层接受大气降水补给,以下降泉的形式排泄。这些泉是窟野河、秃尾河、榆溪河(无定河)的主要补给来源,并是黄河中游约18%的补给来源。受高强度采煤影响,部分萨拉乌苏组的自然排泄受到干扰,如泉流量衰减甚至干涸、河流断流等,影响了区域生态环境。应采取保水采煤技术,确保开采后生态水位在15 m以内。     

小壕兔二号井田导水裂隙带发育高度预计与数值模拟

采用经验公式计算和数值模拟试验两种方法对榆神矿区小壕兔二号井田2#煤层导水裂隙带发育规律及最大高度进行研究。结果表明经验公式计算值和数值模拟试验结果都显示2#煤层开采产生的导水裂隙带不会对矿区萨拉乌苏组含水层产生影响,都与现场实测值具有良好的一致性;数值模拟试验预测结果与现场实测结果更为接近,说明数值模拟试验相较于经验公式在导水裂隙带最大高度预计方面具有更高的精度和可靠性。     

基于协调开采原理的裂隙带发育高度模拟

陕北榆神矿区薄基岩、浅埋煤层条件下开采引起的萨拉乌苏组含水层大量破坏并导致生态环境失衡。理论和实践证明,这种裂隙损害在一定程度上受到了开采方法的影响。因此,基于协调减损原理研究浅埋煤层不同开采方法对裂隙发育的影响是解决这一问题的又一途径。以陕北榆神矿区王家沟煤矿1301、1302、1303综采工作面为例,应用协调开采方法有效的降低了导水裂隙的发育高度。     

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。     

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。     

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。     

干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义

随着我国煤炭资源开发重心的逐步西移,西部地区目前已成为我国煤炭的主产区。总体上,我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈,形成了该区极度干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以新疆哈密煤田大南湖矿区为例,针对该区侏罗系含煤地层具有成岩时间晚、物理力学强度低、遇水易泥化崩解等特征,采用相似材料模拟、数值模拟等手段,结合邻矿现场实测对比,全面研究了该区顶板采动导水裂隙的发育与演化过程、发育高度与形态特征、渗透性演化规律以及在该区进行水资源保护性开采(保水采煤)的可行性。研究结果表明:研究区侏罗系含煤地层采动导水裂隙的发育裂采比一般在13.09～15.67,整体形态呈"梯台型"特征;采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现"稳定增加-波动变化-恢复稳定"变化特征,导高影响范围内含水层的渗透系数明显增大,一般达到3～5倍;研究区主采煤层顶板具有"多含水结构下的高位隔水层"结构特征,具备了保水的基本水文地质前提条件;结合保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤可行性的综合评价,探讨了在干旱矿区水资源保护性开采的重要意义。     

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。     

生态脆弱区保水采煤矿井(区)等级类型

水资源保护性采煤是生态脆弱矿区可持续发展的必然选择,如何深化保水采煤研究,使之更好的付诸工程实践,是西北煤炭开发规划和建设生产亟需解决的问题。以陕北榆神矿区为例,结合浅表层水资源(保水采煤目的层)量分布和煤矿开采对浅表层水资源的影响程度两方面,研究了保水采煤矿井(区)类型。首先,分析了研究区生态-水-煤系地层空间赋存结构特征,提出了以保水采煤为目的的生态地质环境类型,将其划分为潜水沙漠滩地绿洲型、地表水沟谷河流绿洲型、地表径流(黄土)沟壑型和区域性(深埋)地下水富集型;其次,计算确定了浅表层水资源单位面积总储存量分布;然后,基于煤层开采对生态层及浅表层水的影响程度,提出了4种保水采煤环境工程地质模式(环境友好型、环境渐变恢复型、环境渐变恶化型及环境灾变型),在分析影响其分区的导水断裂带高度、残余隔水层釆动隔水性等关键指标的基础上,建立了不同环境工程地质模式分区阈值和确定方法;最后,基于浅表层水资源量和保水采煤环境工程地质模式分布特征,提出了保水采煤矿井等级类型划分方法,将其划分为:正常开采矿井、保水采煤一级矿井、保水采煤二级矿井和保水采煤三级矿井,总结了各级保水采煤矿井适用的开采方法与水资源保护、利用方法。     

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。     

哈密煤田生态脆弱区保水采煤的水文地质基础与实践

由于我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈,形成了该区干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以位于吐哈盆地的哈密煤田大南湖矿区为研究区,开展该生态脆弱区水资源保护性采煤(即"保水采煤")的水文地质基础研究,以及顶板水害防治与保水采煤相结合的可行性探索。在系统评价研究区主要煤层顶板含隔水层结构、隔水保护层的稳定性以及受保含水层开发潜力的基础上,以大南湖五号井1801首采工作面为例,开展了研究区顶板水害防治与保水采煤相结合的实践,提出了矿区高矿化度受保含水层水开发利用的初步方案,通过该工作面的成功试采初步取得了吐哈盆地生态脆弱区水资源保护性采煤的实践经验。提出并实践了吐哈盆地典型生态脆弱区顶板水害防治与保水采煤相结合工程,为指导作为新疆四大煤炭基地之一的哈密煤炭基地煤炭资源的绿色开采具有一定的理论及实际参考。     

保水采煤面临的科学问题

保水采煤理念是基于榆神府矿区开发初期采煤引起的潜水位下降、植被退化而提出的。经过多年理论研究和工程实践,已初步建立了保水采煤技术体系,有效指导了生态脆弱矿区煤炭资源开采和生态环境保护。在国家关于生态文明建设标准日益提高的格局下,我国西部干旱半干旱地区煤水资源共生区生态环境保护面临历史考验。首先综述了保水采煤技术取得的成果,认为地质条件探查、岩层移动、保水采煤方法等方面的研究基本解决了单煤层开采中存在的突出问题,而生态脆弱矿区水与生态约束和生态修复与重构方面的研究滞后。其次探讨了保水采煤领域中5个紧密相关的科学问题,包括矿区依赖地下水的植被对煤层开采的约束程度的识别、量化及监测,大采高和重复采动条件下导水裂隙带高度探测与预测方法,有效隔水层厚度的量化与评价,大采高和重复采动条件下采动岩层(覆岩)控制及矿山生态环境影响机制、矿山生态损害监测与评价、矿山土地复垦与生态重建技术、生态修复策略及效果评价等。在新形势下,矿区生态环境保护的责任和任务重大,有待于投入更多研究来支撑我国西部矿山保水采煤理论与技术的突破,促进绿色矿区建设。     

特厚煤层分层综放开采覆岩破坏规律数值模拟

 以华亭陈家沟煤矿综放采场实测导水裂隙带发育高度成果数据为基础,应用FLAC3D反演计算模拟分层综放开采引起的煤层覆岩破坏规律,并与实测数据进行了对比分析得出：分层综放开采后覆岩移动破坏形成“拱”式承载结构,拱脚压应力高度集中;导水裂隙带发育形态也近似为“拱形”,与实际探测高度拟合度较好;分析了开采过程中覆岩的位移场、应力场和塑性破坏区分布规律。研究结果可为深入研究分层综放开采覆岩破坏规律提供借鉴。