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。     

Predicting the Height of the Water-Conducting Fractured Zone in Fully Mechanized Top Coal Caving Longwall Mining of Very Thick Jurassic Coal Seams in Western China Based on the NNBR Model

The focus of China’s coal mining in recent years has shifted to western China, which has a fragile ecological environment. The Jurassic coal in this area is buried at shallow depths and is very thick. Currently, the two main issues are the inrush of underground water and the disruption to shallow surface water supplies brought on by mining. Accurately predicting the height of the water-conducting fractured zone (WCFZ) is the key to preventing roof water damage and attaining water conservation in this mining area. A nearest neighbor bootstrap regression (NNBR) model was established to predict the height of the WCFZ for working face 117 of the Jinjitan coal mine in western China, which uses fully mechanized top coal caving longwall mining. The model was verified based on the measured heights of the WCFZ (30 groups of measured data) using the actual mining thickness (> 8 m) and working face width as predictive factors. The mean error of the model’s prediction was 1.5 m and the mean absolute percentage error was 13.6%, which was better than the result predicted using the established conventional empirical formula. The model was improved by applying a safety factor of 1.3, which met the 96.7% reliability requirements. The height of the WCFZ of working face 117 was predicted using this model, and the predicted value was compared with values measured by optical fiber monitoring and simple hydrological observations. The height of the WCFZ measured by optical fiber was 184.8 m, the predicted value was 196.0 m, and the relative error of that prediction was 6.0%. The hydrologically observed value was 221.0 m, the predicted value for that location was 225.7 m, and the relative error was 2.1%. Thus, the NNBR model is capable of reliably predicting the height of the WCFZ and it appears that it can be used to compute the safe water control height above mechanized top coal caving mines in western China’s very thick Jurassic coal seams.

     

煤矿厚煤层高强度开采技术特征及指标研究

在分析煤矿高强度开采现状与定义的基础上,从地质采矿条件、工作面尺寸、技术装备、推进速度、产量效率高、深厚比、覆岩与地表破坏等方面系统研究了厚煤层高强度开采的主要技术特征。基于绿色开采理念,从地质采矿技术和采动影响破坏方面研究建立了高强度开采的主要技术指标和评价体系,并采用层次分析法对采动影响破坏指标进行了分析研究。研究表明,地质采矿技术因素和采动影响破坏因素均是描述厚煤层高强度开采的重要组成部分,采动影响破坏因素是厚煤层高强度开采不可忽略的特征。研究成果可为煤矿安全高效绿色生产、采动损害与保护等提供借鉴。     

浅埋高强度开采矿区生态损伤特征与减损实践

为解决浅埋高强度开采损害与生态保护间的矛盾问题，基于神东矿区地质开采条件、生态本底特征，总结了高强度开采的损伤特征。神东矿区采用大工作面快速推进降低非均匀沉降面积、开采初期工作面注浆减沉、建造地下水库保水及生态利用、填埋地表裂缝持水保墒、植物接菌微生物抗逆性提升、驯化筛选适生植物等技术，有效降低了煤炭开采引起的生态损伤。遥感监测表明，神东矿区2011—2015年技术应用初期，植被覆盖度50%左右，处在中高植被覆盖度级别，2018年植被覆盖度提高到62.4%，达到了高覆盖度水平。结合开采实践与理论研究，提出从开采源头设计着手、传导过程调控、末端修复治理采动损伤的全过程控制技术。     

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。     

绿色开采定量分析与深部仿生绿色开采模式

绿色开采是煤炭规模化开采向现代生态文明开采的技术跨越，绿色开采水平的科学评价则是建立适用绿色开采模式与实践效果检验的重要方法。研究基于前人成果分析，试图从生态学视角将传统的采矿系统与生态系统相融合构建采矿生态系统，采用物理模型构建、数学模型分析和实例验证方法，分析开采扰动时系统受损状态和生态损伤程度，构建生态损伤和绿色开采分析模型，定量评价绿色开采水平和效果，参考西部深部开采环境特点和采动生态响应特征，建立适用的绿色开采模式，为西部矿区探索适用的绿色开采解决方案提供有效途径。研究基于采矿生态系统，提出描述开采“激励”作用下生态损伤的4个因子和16个主要参数，系统内3类要素组(采动覆岩、地下水系统、地表生态)的4种耦合关系(应力耦合、水-岩耦合、水-土耦合、辐射耦合)和生态损伤的系统外传导效应，提出描述生态系统原态与受损状态相对变化关系的“生态损伤系数”;绿色开采本质是通过控制开采激励的生态响应水平实现“减损”和近零排放的先进开采方式，参照生态系统原态提出开采“绿度”指标度量开采扰动下自然稳定的生态系统原态保持水平，基于生态损伤系数建立了绿度定量分析模型和绿色开采水平比较模型;建立了绿色开采模型，分析了开采工艺参数、地下水系统保护和地表生态修复方法的绿度贡献水平，发现控制导水裂隙带高度、矿井水涌出量和含水层保护、近零排放等途径对开采绿度贡献相对较大;采用“递进式”优化的绿色开采方法与安全高效开采模式对比，地下水系统减损对提升绿色开采水平相对贡献更大;处于西部生态脆弱区的神东矿区分析显示，大柳塔矿、上湾矿、榆家梁矿等优于全区平均绿色开采水平，地下水系统减损是提升绿色开采水平的瓶颈;按照“源头减损与过程控制”思路，着力“降高、减失、快治、零排”，建立以“仿生”开采工艺为核心、非连续开采充填、含水层渗流隔离、煤矿地下水库储水、地表生态分区治理技术协同且精准控制开采过程的深部仿生绿色开采模式。     

近距煤层高效保水开采理论与方法

地下煤炭资源开采极易导致珍贵的浅表水资源流失,从而造成地表植被死亡和生态系统失衡。为保护维系西部矿区生态环境的浅表层水(河流湖泊水和第四系砂层潜水),尤其是为保护地下潜水(生态)水位,基于前期已取得的浅埋单一煤层保水开采理论成果和岩层控制工程经验,提出保(生态)水位和突水防治一体化的近距煤层水资源保护性采煤构想。以"高效保水采煤"为目标,针对近距煤层与极近距浅表水下开采条件,研究解决反复开采扰动区区域覆岩导水裂隙协同控制、极薄阻隔层低损伤控制,以及采掘面涌(突)水灾害监测预警等技术难题。提出长壁保水采煤方法、壁式连采连充保水采煤方法和采掘面突水红外监测辐射预警方法,实现近距煤层安全高效保水采煤,具体包括近距煤层岩层控制、采动覆岩导水裂隙带高度计算、隔水层变形计算和承载煤岩红外辐射响应等理论和特征,以及反复开采扰动区域导水裂隙控制、充填体主动接顶和"采-支-运"快速作业等技术。最终确定了保水开采薄弱区,形成基于水资源保护的浅埋近距煤层工作面优化布置、采煤方法配置与水资源运移监测的高效采煤理论与方法体系。研究成果已在陕北与华北等矿区进行了保水采煤实践,为实现我国煤炭资源的绿色化开采提供支撑。     

杭来湾煤矿301盘区分层限高开采对松散层潜水的影响

杭来湾煤矿位于陕北生态脆弱的保水采煤区。通过对比和分析杭来湾煤矿301盘区采空区与未采区松散层潜水水位、采空区典型植物的长势以及地表水体等因素的变化特征。研究表明,采用分层限高开采采空区地表有明显的下沉和裂缝,但对矿区生态水位的影响程度较小,农田的耕种条件未受到显著影响,地表生态环境未受到严重破坏;工作面回采后松散层潜水水位虽出现了一定幅度的下降,但开采过后一段时间松散层潜水水位逐渐稳定,实现了煤炭资源开发与生态环境保护协调发展的目标,达到了保水采煤的目的。研究对矿区类似条件的矿井保水采煤具有借鉴意义。     

对我国煤炭主体能源地位与绿色开采的思考

针对我国存在的缺油、少气、相对富煤的能源资源国情,指出我国在相当长的时期内,虽然煤炭的比重将逐步降低,但煤炭主体能源地位短期内难以改变。同时指出,生态环境对煤炭开采和加工利用约束日益增大,绿色开采、清洁高效利用与开发西部煤炭是支撑煤炭主体地位、保障国家能源安全的重大需求。从生态环境脆弱、采动损害严重等方面分析出西部煤炭开发和环境保护矛盾尖锐,通过对地表生态与地下水埋深关系、植被适生水位、采动隔水性变化与隔水岩组的深入分析,揭示了维系地表生态系统的地质条件与采动损害机理,对支撑西部煤炭高质量发展的绿色开采技术进行了具体阐述。     

曹家滩煤矿顶板富水性分析及防治措施研究

为了避免西部高强度开采矿区发生工作面顶板溃水溃沙灾害，以地表生态脆弱的榆神矿区曹家滩矿井的首采工作面为研究背景，分析了首采工作面煤层的地质概况，确定了影响工作面发生水害事故的充水因素，将物理探测和“三图”法相结合对首采工作面煤层顶板富水性特征及分区进行了综合论证分析。结果表明：大气降水和地表水是矿井的间接充水水源，煤层顶板导水裂隙带波及范围内的延安组、直罗组和基岩风化带含水层的水为直接充水水源|导水裂缝带是矿井发生水害事故的主要充水通道|矿井风化基岩含水层富水性较强，延安组为弱含水层。通过FLAC 3D研究了覆岩裂隙运动破坏规律，工作面推进至180m后，导水裂隙带发育速度增加，推进至240m后达到最大值约159m，覆岩的裂采比为26.5。结合上述分析，提出了以完善矿井水害监测系统和建设防排水系统、合理确定回采参数和培训防治水专业人员相结合的防治水技术改进措施。     

煤炭技术工业区保水方案设计

我国煤炭资源非常丰富,但发展不平衡,有的地区生态环境脆弱,控制地下水位是生态脆弱煤矿区科学开采的核心。以控制地下水位为目标,以地质基础研究为基础,分区分类进行开发,对不同区划提出相应的保水开采方法,是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采的新思路,为煤矿区保水采煤的宏观决策提供了参考和依据。     

榆神府矿区含水层富水特征及保水采煤途径

榆神府矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带,生态环境脆弱,水资源匮乏,区内各主要含水层分布与富水性不均,含水层富水性及矿井涌水对煤矿生产影响差异较大,因此矿井水资源的综合利用与含水层的有效保护对煤矿生产与地区生态建设意义重大。通过分析萨拉乌苏组、烧变岩、风化基岩层等各主要含水层的形成、分布及富水特征,结合矿井首采煤层上覆基岩厚度与矿井目前涌水量情况,将区内生产矿井及待规划区域从"水资源保护与矿井水利用"角度划分为水量贫乏型、水量较丰富型、水量丰富型及地表水体型4种类型,并根据不同类型的分布特征进行了分区。在此基础上,针对不同的水资源保护与矿井水利用类型,分别提出了采空区存储净化、工业利用、农业灌溉、湿地建设和人工湖泊等具体的水资源保护与矿井水利用途径和措施。讨论了"保水采煤"的科学内涵,认为"保水采煤"的基本措施应当包括保护浅部主要含水层和矿井水资源利用两部分,即将"保水"与"用水"相结合,拓展了"保水采煤"的科学含义;建议在矿井规划时,应综合考虑开采损害影响与环境自身修复能力,在满足能源开采经济利益的同时,保证生态环境不发生质的破坏;提出了利用经济效益"反哺"当地生态和"绿色经济"建设的一点猜想,为矿区未来的规划建设提供了一定的参考意义。     

“条采留巷充填法”绿色协调开采技术

为减轻高强度开采对我国西北地区地表及生态环境的破坏,结合条带开采与充填开采的优势,提出了一种“条采留巷充填法”部分充填的协调开采方法。采用理论分析与相似模拟相结合的研究方法,给出了条带开采的采留宽、沿空留巷的巷旁充填宽度和充填率的确定原则,分析了巷旁充填体提升条带煤柱稳定性的作用原理及置换煤柱开采的覆岩稳定性。以哈拉沟煤矿22407工作面地质条件为工程背景,确定了合理的工艺参数并进行了数值模拟研究。结果表明:在开采尺寸达到充分采动后,覆岩中的亚关键层4最大下沉量为12 mm,可推知地表基本不出现下沉,取得了良好的地表沉陷控制效果。该技术为降低充填成本,保护地表生态环境提供借鉴。     

地表水体下工作面开采安全性分析

为了避免大采高工作面重复开采沟通至地表水体,发生水害事故,采用关键层理论及相似材料模拟对工作面覆岩破坏规律进行了研究。基于关键层理论,确定了红石湾煤矿五煤及八煤覆岩中的关键层,并计算了导水裂隙带发育高度;根据煤层覆岩物理力学参数及地质条件,建立了相似材料物理模型,分别模拟了五煤开采、五煤和八煤开采条件下覆岩破坏高度。结合研究区构造发育条件及隔水层的隔水性能,核算了水体下防隔水煤(岩)柱的留设,明确了五煤和八煤开采不受地表水体的威胁。研究结果表明:对于大采高工作面重复开采条件下的覆岩破坏高度,经验公式并不适用,可以采用关键层理论及相似材料模拟来确定导水裂隙带发育高度。通过实例验证,对地表水体下工作面开采的安全性评价是科学合理的。     

超大采高工作面过沟回采精准防治水技术

超大采高工作面开采造成上覆岩层剧烈运动，导致覆岩裂隙发育，为地表及含水层水体提供流动通道，成为了矿井安全生产的隐患。以上湾煤矿12402超大采高工作面为背景工程实践，进行离散元数值模拟，揭示了工作面回采过程中上覆岩层导水裂隙带高度发育规律，结果表明导水裂隙带能够贯通地表，沿工作面倾向上覆岩层导水裂隙形态呈现“马鞍形”分布，由于采空区中部区域压实作用，工作面斜巷对应上覆区域成为防治水重点区域|同时该工作面上方为石灰沟，沟内积水量约10万m3，且地表下沉变形量达7.19m，在降雨量较大季节时易造成地面积水，对井下防治水工作提出了挑战。针对此，提出了井上下一体化精准防治水技术，包括地面采用提前疏放和塌陷坑回填措施、设置地面水文观测孔自动监测水位、井下调整工作面开采参数、精准探放水、优化设置排水设施安装地点和管路参数，制定防治水应急预案。工程实践表明，应用上述技术措施，能够有效降低大采高工作面涌水量，确保井下安全生产。     

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。     

基于保水采煤理念的地质环境承载力研究

我国西部生态脆弱区采煤引起的水资源破坏和地质环境变化,已经严重制约了矿区经济、社会、环境的可持续发展。通过梳理保水采煤、煤矿区地质环境承载力的研究进展,结合目前西部富煤缺水地区的地质环境现状,提出了基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路。分析认为:基于保水采煤理念的地质环境承载力研究,应将保水采煤理念与地质环境承载力理论有机融合,系统分析"采煤活动—水资源破坏—地质环境效应"作用机理,从寻求煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解中阐述内涵。地质环境承载力评价方法研究,可采用属性分析、生态需求分析、数值分析、突变理论等方法,重点研究评价指标的量化方法、综合评价方法、承载能力及承载状态等级划分方法。对于承载能力的计算,可采用模拟实验,取得典型煤矿区承载能力下地质环境与开采强度临界值的关系数据,进而提取出控制和减轻煤矿区地质环境问题的保水采煤技术方法,确定合理的开采强度和规模。在承载力评价和计算的基础上,提出地质环境承载力影响因素的协同监测技术方法,并给出了承载力预警等级判定标准。所提出的基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路,以期丰富和发展保水采煤及地质环境承载力的科学内涵,为西部生态环境脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。     

典型高强度开采矿区保水采煤关键技术与实践

神东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,矿区高强度煤炭生产与生态环境的协调发展是该区的重要研究课题。针对神东矿区干旱半干旱地区水资源贫乏、生态环境脆弱等特点,通过研究矿区水文地质结构特征、煤层覆岩结构类型等,提出了矿区的水文地质结构分区和保水采煤分区;以此为基础,针对不同的水文地质结构类型,提出了神东矿区的保水采煤的基本原则,以及矿区重要水源地、厚基岩含水层、烧变岩含水层、水资源转移存贮、矿井水资源化利用等保水采煤的关键技术;最后,结合典型矿井,开展了上述关键技术的现场工程实践,并取得了良好的应用效果。     

上湾煤矿8.8 m综采工作面煤壁稳定性分析

随着大采高开采技术、综采设备研发制造水平的不断提高,综采工作面开采高度不断突破,向8 m及以上超大采高发展。大采高开采技术实现了采煤工作面高产高效,提高了煤炭回采率,但是随着开采高度的不断增加,煤壁片帮问题愈发凸显,大采高综采工作面煤壁稳定性已严重制约煤矿安全高效生产。针对上湾煤矿8.8 m工作面开采后的煤壁片帮情况,采用煤壁稳定性分析软件及FLAC^3D软件对影响工作面煤壁稳定性因素进行类比分析、理论分析及数值模拟分析,得出该工作面煤壁较为稳定,但仍需在合理选择支架支护强度的前提下,尽量保证液压支架护帮范围达到5 m,以适应8.8 m超大采高工作面的护壁要求。     

生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究

研究发现,沙漠区植被对地下水水位埋深具有很强的依赖性,揭示了陕北榆神府矿区内合理生态地下水位埋深为1.5~5.0 m,煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降,表生生态退化,控制地下水水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。室内模拟实验和开采实践表明,当煤层上覆隔水岩组厚度≥33~35倍采高时,煤层开采不会导致地下水位下降;煤层上覆隔水岩组厚度≤18倍采高时,煤层开采会破坏隔水层,导致水位下降;18~35倍采高时,可采取"限制采高"等措施实现保水开采。剖析了煤层、含水层的空间关系,划分了保水开采条件分区,提出了区域采煤方法规划方案,指出以控制地下水水位为目标,以采动隔水层稳定性分区为基础,以采煤方法规划为手段的开采方法是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采的有效途径。