陕北风沙滩地区采煤塌陷裂缝对包气带水分运移的影响:模型建立

陕北风沙滩地区高强度采煤对包气带水分运移产生影响。在区域调查的基础上,以榆树湾煤矿20108工作面开切眼附近裂缝为野外原位监测点,采用野外原位监测与室内数值模拟相结合的方法,建立采煤塌陷裂缝对包气带水分运移影响的水热耦合数学模型。利用野外原位监测数据对所建立的模型进行识别和验证,表明模型计算值与野外监测数据之间拟合较好,从而获取了相关的水热参数。利用此模型可定量回答裂缝对土壤水分运移的影响程度,揭示裂缝对土壤水分运移的影响机理,为陕北风沙滩地区保水采煤和生态恢复提供参考。     

采用HYDRUS模拟采煤沉陷地裂缝区土壤水盐运移规律

煤炭的开采带来经济快速发展的同时也会带来一系列的生态环境问题,其中采煤沉陷产生的地裂缝是最直观的一种,其分布广、对土地破坏性大、对周边植物生长影响严重。西部矿井水矿化度较高,极易产生次生盐碱化,裂缝区的水盐运移对于该区域植物生长具有潜在的影响。为探究采煤沉陷地裂缝对土壤中水盐运移规律的影响,通过室内模拟试验,研究不同土壤盐浓度条件下,裂缝区土壤水盐分布特征,并运用数值模拟方法,建立采煤地裂缝土壤水盐运移模型,采用HYDRUS 2D软件进行模拟,将模拟值与实测值对比,结果表明:HYDRUS模拟数值与实测值呈现出相同的规律,满足精度要求,说明HYDRUS能够较好的模拟裂缝区域内的水盐运移。在56 d的模拟试验中,裂缝区土壤含水量在前3周为快速下降期,4～5周为中速下降期,5周之后为稳定期。越靠近地裂缝处土壤含水量下降越快,对于台阶为20 cm的地裂缝,其水盐含量影响范围约为水平距离裂缝45 cm处,地裂缝区域内土壤盐分运移趋势与水分基本一致,遵循盐随水行的运移规律,裂缝区含盐量有向下迁移的趋势,具有减轻次生盐碱化发生的潜力。     

研究包气带水分运移常用理论方法存在的问题浅议

该文对研究包气带水分运移常用的毛管势理论、土水势理论、层流理论和湿润锋面入渗理论存在的问题进行了综述。指出毛管势理论对土壤孔隙形状的概化严重失实 ,对水驱动力种类考虑的不够全面 ;土水势理论的问题出现在对理论的过分简化上 ;层流理论用于非饱和流既缺乏实验依据 ,也缺乏理论依据 ;湿润锋面入渗理论没有考虑土壤水优势流的影响。     

采煤塌陷裂缝区重构土壤水分特性研究

为了更好地指导塌陷裂缝区土壤重构,研发了一种便于监测塌陷裂缝区重构土壤水分的装置,结合西部地区采煤塌陷裂缝治理的需要,采用不同物料,设计了4种不同类型的土壤重构结构,通过试验模拟,分析不同类型重构土壤的水分入渗及含水量状况。     

西部风沙区采煤塌陷地裂缝影响下的土壤水分运移规律及调控方法

浅埋煤层开采经常诱发一系列的生态环境问题,为研究浅埋煤层开采区地面塌陷影响下的土壤水分运移规律并提出相应的调控方法,以西部风沙区浅埋煤矿为研究对象,将采煤塌陷对包气带结构的影响分为3个阶段:开采前,包气带较薄,土壤颗粒相对均一;开采中,水位明显下降,包气带厚度急剧增加,裂缝发育且土壤颗粒均一性变差;开采后,风沙区大多数地裂缝自然弥合,但土壤中的黏性颗粒减少,砂性颗粒增多,出现明显的粗化现象。以此为物理背景,构建了不同裂缝宽度二维土壤水分运移模型,结果显示:无裂缝时湿润锋平行向下运移,同一深度的土壤含水率基本相同,裂缝存在时湿润锋沿着裂缝快速运移,优势渗流现象明显;土壤含水率随裂缝宽度的增加呈减小趋势,含水率影响范围随裂缝宽度增加呈增大趋势;当包气带厚度大于极限蒸发深度(300 cm)时,入渗补给量和包气带厚度基本无关,仅会延长土壤水分通过包气带运移到潜水面的时间,对地下水的潜在补给量影响较小。现场调查了塌陷区和非塌陷区沙蒿的生长状况:受塌陷区土壤水分匮缺(吸水水源不足,含水率小于0.1 cm³/cm³)和塌陷诱发的植被根系密度降低(吸水通道降...     

风速对瓦斯运移规律影响的数值模拟研究

为了有效掌握采空区瓦斯分布及运移规律,基于理论分析和计算机数值模拟相结合的研究方法,利用FLUENT软件建立了综采面采空区瓦斯渗流的三维数值模型.对不同风速条件情况下的采空区风流场、瓦斯运移规律以及“自燃三带”分布宽度进行了数值模拟研究,对比分析了不同风速条件下综采工作面采空区流场与瓦斯分布规律,为正确认识采空区流场和瓦斯运移规律提供了理论依据,对保证煤矿的安全生产、提高矿井的经济效益有重要指导意义.     

断层对“两带”影响的模拟研究

基于导水裂缝带的实测资料,采用有限元模拟研究和对比分析等方法,研究了工作面推进过程中不同产状的断层对导水裂缝带发育的动态影响规律,回归出了一系列导水裂缝带高度增长率随工作面至断层距离而变化的经验公式,并对断层附近进行水体下采煤提出了一些有益的建议。     

煤粉运移与沉积对支撑裂缝渗透率动态影响规律

煤粉沉积导致的支撑裂缝渗透率的伤害是影响煤层气排采效果的重要因素之一。基于毛细管束模型,结合Carman-Kozeny公式建立了考虑煤粉运移与沉积的支撑裂缝渗透率演化模型,并利用煤岩导流性能测试系统进行了不同条件下的煤粉侵入支撑裂缝实验,验证了模型的正确性,探讨了煤粉沉积特性对支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率时空演化的影响。研究结果表明:沿煤粉运移方向,支撑裂缝内沉积煤粉体积分数逐渐减小,大量煤粉沉积在裂缝入口端,导致裂缝入口端孔隙堵塞程度较大,裂缝内孔隙堵塞程度较小,支撑裂缝渗透率沿煤粉运移方向减小,且随着煤粉运移时间增加,支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度先快速上升到峰值,随后保持不变,沉积煤粉体积分数不断增大,支撑裂缝内孔隙的堵塞程度增大,支撑裂缝的渗透率不断减小。煤粉沉积系数与弥散系数是影响支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率的重要因素,且随着煤粉沉积系数增大,煤粉运移越困难,支撑裂缝入口端沉积煤粉量增大,运移至支撑裂缝内的煤粉量减小,支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度与沉积煤粉体积分数减小,煤粉占据孔隙体积变小,支撑裂缝渗透率增大;而煤粉弥散系数越大,煤粉越容易运移,运移至支撑裂缝内的煤粉量越大,支...     

采煤方法变革对导水裂缝带发育规律的影响

依据大量的现场实测资料，总结了中硬覆岩厚煤层／早工采条件下炮采、综采及综救 开采方法对导水裂缝带发育高度及其分布形态的影响。     

留巷段漏风对采空区瓦斯运移规律影响的数值模拟研究

为了描述留巷段漏风对采空区瓦斯运移规律的影响,运用UDEC离散元模拟分析了采空区碎胀系数分布特征,并以CFD理论建立数值模型,采用Fluent数值模拟软件对留巷段存在漏风情况下的采空区瓦斯运移规律进行了模拟分析,并对比分析了漏风对氧化自燃带分布范围的影响。研究表明:留巷段漏风的存在加大了工作面漏风强度,加快了采空区瓦斯向深部及倾斜方向运移速度,扩大了采空区氧化自燃带宽度,增加了采空区遗煤自燃可能性。     

采矿塌陷作用对地表生态环境的影响──以神木大柳塔矿区为研究区

野外实验研究表明，采矿塌陷作用不仅破坏包气带岩土结构，而且也改变包气带水分量状况和水势能状态；进而导致地表生态环境恶化，甚至出现土地沙化加剧的趋势。     

采煤塌陷对黄土丘陵区土壤物理特性的影响

为了给采煤塌陷区土地复垦治理提供理论依据,以神府-东胜煤田大柳塔煤矿为例,运用土壤学基本理论和方法,对塌陷黄土丘陵区土壤进行了研究,揭示了采煤塌陷对土壤物理性质影响的变化规律.统计学分析结果表明,降雨后土壤的入渗深度在40～50cm,不同坡位土壤含水量由大到小的顺序为坡底、坡中、坡顶;对土壤密度影响较大的因子是坡位及土壤深度,塌陷对土壤密度影响很小;与对照区相比较,塌陷使土壤总孔隙度明显变小,毛管孔隙度变大,非毛管孔隙度变小;塌陷区不同坡位处粉砂粘粒比值Kd值明显高于对照区,土壤物理性砂粒含量增加,有砂化趋势;塌陷对黄土丘陵区土壤含水量影响最大,其次是物理性砂粒含量,再次是土壤密度和孔隙度.     

汪洋煤矿水下采煤防水煤岩柱留设及数值模拟研究

基于岩层变形破坏理论,计算得到汪洋煤矿水下采煤K_7煤层的煤岩柱厚度;结合水文地质条件,分析得到开采K_7煤层后形成的导水裂缝带不会波及到地表水体,不会导致越溪河水直接充入矿井而引发涌水事故。采用FLAC数值模拟方法对K_7煤层水下开采引起的回风巷道变形进行了预测。     

断层对“两带”影响的模拟研究

基于导水裂缝带的实测资料,采用有限元模拟研究和对比分析等方法,研究了工作面推进过程中不同产状的断层对导水裂缝带发育的动态影响规律,回归出了一系列导水裂缝带高度增长率随工作面至断层距离而变化的经验公式,并对断层附近进行水体下采煤提出了一些有益的建议     

神东矿区浅埋煤层覆岩运移与导水裂缝带发育规律研究

以补连塔12511综采工作面为研究对象,采用数值模拟方法研究分析了神东矿区浅埋煤层覆岩运移规律及导水裂缝带发育规律。结果表明,工作面掘进工程中的位移变化趋势整体呈正态分布,覆岩下沉值由工作面开采中心向两帮以先加速后衰减的态势不断增加,最终趋于稳定,其下沉最大值在32～43 mm范围,塑性区控制在煤层及上方覆58.7 m范围内,覆岩垮落表现为“两带”,并未出现弯曲下沉带,对地表影响较小。导水裂缝带高度与采厚、硬岩岩性系数呈较好的线性关系,与工作面斜长呈自然对数函数关系,与采深呈指数函数关系。     

抽出式通风风流运动及粉尘运移规律数值模拟研究

为直观地了解抽出式通风风流运动规律,建立物理模型,设置边界条件对抽出式通风条件下巷道风流运动及粉尘运移规律进行了数值模拟,分别研究了X,Y,Z方向的速度、压力分布规律和不同粒径粉尘运移轨迹,结果表明:巷道内风速0.54m/s,较为稳定,风筒内风速较大,为23m/s左右,这与实际情况非常吻合,在截面X=5.2m处巷道内的风流方向朝向掘进头,风筒内的风流方向则由风筒入口朝向出口。巷道内的风速在整个模拟区段内几乎保持恒定,没有较大变化,而风筒内的风速则变化较大,在入口处最大,达40m/s,之后逐渐减小,然后稳定在23m/s左右。整个巷道均为正压,风筒内是负压,在这两股压力的共同作用下形成稳定的通风风流,风筒入口处负压最大,而后负压逐渐减小,但很快就维持在比较稳定的状态。抽出式通风时粉尘扩散较少,掘进面产生的粉尘全部都被吸入负压风筒,抽出式通风时更有利于控制巷道中特别是司机位的粉尘含量,保护司机等掘进机周围工人的身体健康。     

风沙区采煤沉陷裂缝对不同坡位土壤养分的影响

为探究风积沙区采煤沉陷裂缝在不同坡位下土壤养分的变化特征,以鄂尔多斯李家塔煤矿采煤沉陷坡地为研究对象,分析了采煤沉陷坡地不同坡位裂缝带和非裂缝带土壤养分指标的纵向变化规律。结果表明:采煤沉陷坡地各土壤指标均从坡顶至坡底不断增加,坡顶土壤含水率维持在10.61%,裂缝带较非裂缝带土壤有机质减少了28.61%;坡中和坡底裂缝带的土壤含水率、土壤有机质较非裂缝带分别减少了7.32%、102.59%和21.76%、149.06%;各坡位裂缝带土壤速效养分较非裂缝带增加了0.03%～14.00%。研究表明:煤炭开采引起的采煤沉陷裂缝对土壤养分造成了不同程度的影响,随着坡度下降,沉陷裂缝对土壤养分的影响逐渐增大;沉陷裂缝加快了土壤水分的蒸散量和土壤有机质的分解速度,使土壤速效养分多富集于裂缝表层土壤,为采煤沉陷地土壤改良、实现矿区生态修复奠定了理论和实践基础。     

地下采矿引起地表塌陷离散元PFC2D数值模拟研究

采用离散元PFC^2D建立了地质剖面颗粒流模型,研究了矿体开采过程中上覆岩层裂缝形成与发展过程,揭示上覆岩层逐渐垮塌崩落的机理。结果表明,随着矿体的开采,裂隙不断向上发展,裂隙数增加。开采矿体后形成的采空区造成了上覆岩层的拉裂-剪裂破坏,岩层中不断有新生裂缝产生。上覆岩层主要以拉裂缝发展为主,在拉裂缝发展区域两端产生部分剪破坏裂缝,在空区两端已经出现向上发展的裂缝集聚,是空区顶板逐渐垮塌崩落的征兆。开采第3分层和第4分层矿体后,出现了局部顶板垮塌现象,且垮塌崩落逐渐发展为整个采空区顶板垮塌,最终垮塌崩落至地表,在地表初步形成一个小塌陷坑。塌陷坑发展过程依据裂隙数可细分为平稳发展时期、缓慢发展时期、快速发展时期和结束发展时期,揭示了井下矿体开采致使上覆岩层拉裂-空区两端剪裂-整体垮塌崩落的形成机理。     

采煤沉陷对植被土壤容重和水分入渗规律的影响

为研究采煤沉陷对土壤水资源的影响,针对神东补连塔矿区3种主要植物(沙柳、沙蒿、杨树)群落类型,通过野外调查、实地试验和室内测试,研究了采前、采中、采后及稳定期土壤容重的变化规律及稳定期不同植被类型水分入渗特征.结果表明,随着开采的进行,不同土层之间土壤容重的差异减小,土壤容重分层现象减弱;不同植被覆盖条件下土壤容重在不同时期表现出一定的差异性,开采期间,3种不同植被类型表层土壤容重均减小;在采煤沉陷稳定期,沙柳、沙蒿0～100 cm土层平均土壤容重增大,而杨树则减小.开采后不同植被覆盖条件下稳定入渗率从大到小表现为杨树、沙蒿、沙柳,且与土壤容重有一定相关性.     

大采深厚煤层综放采场导水裂缝带数值模拟研究

巨野井田龙固煤矿被巨厚松散层覆盖,具有埋藏深度大、开采煤层厚等特点,导水裂缝带发育高度高,威胁矿井的高效生产。结合工作面实际,综合采用FLAC和UDEC数值模拟软件得到导水裂缝带发育高度,以减少数值模拟中人为赋值误差影响;结合研发的多段封堵同步测漏系统对模拟结果进行了检验,并进行了误差分析与讨论。