神东矿区地下水变化观测与分析研究

针对西部大规模高强度煤炭开采对地下水的影响,利用神东矿区约1 500 km2区域的200余个钻孔的长期观测结果,研究了超大综采工作面开采工艺对地下水系统的影响规律,地下水流场变化与基岩和含水层空间分布的关系。研究表明,超大综采工作面开采形成了地下水"汇聚带",开采对基岩和含水层厚度较薄区的地下水系统影响较大,研究区采后含水介质厚度稳定且较厚区域含水层含水厚度损失大部分在30%左右,且逐步趋于稳定。      

青东煤业1034工作面开采安全性评价

为了防止和减少水害事故,安全开采1034工作面,采用井下钻探的方法,设计施工了防治水工程。通过分析、总结防治水工程,查明了工作面区域"四含"不发育,富水性弱,浅部缺失,对工作面回采无影响;10煤层顶板砂岩裂隙含水层的富水性弱,在构造和裂隙区域砂岩水较为富水,对生产影响不大,但需注意工作面周期来压期间,动态顶板裂隙水的影响;10煤下-太原组第一层石灰岩间隔水层较为稳定;太原组石灰岩岩溶裂隙含水层富水性中等,需合理疏放;BF43断层不含水、不导水,对工作面回采无影响。综合分析认为,1034工作面可以安全开采。     

厚风积沙薄基岩浅埋煤层保水开采研究

厚风积沙薄基岩浅埋煤层实现保水开采,关键是煤层开采后在上覆岩层中形成的导水裂隙带是否破坏了含水层底部隔水层的稳定性。在分析含、隔水层的分布特征以及基岩层的物理力学特性的基础上,结合采动岩层内部移动变形规律,推导了岩层层向拉伸变形的计算公式,给出了一种预计导水裂隙带高度的预测方法,并结合相似模拟实验确定了厚风积沙薄基岩浅埋煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度,研究成果为保水开采提供了理论指导。     

浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制

我国西部神府东胜煤田主要赋存浅埋近距煤层,煤层埋藏浅,覆岩上部厚松散层大范围分布,近距煤层开采导致覆岩与地表裂缝发育严重,加剧了原本脆弱的生态环境进一步恶化。为探究浅埋近距煤层开采覆岩与地表采动裂缝发育规律,掌握其控制方法,以柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采为背景,结合实测统计分析、物理模拟和分形理论,掌握浅埋顶部单一煤层开采和重复采动下覆岩与地表裂缝发育特征,揭示煤柱布置对裂缝发育的控制作用。研究表明,煤层开采导致的地表裂缝可分为平行于工作面的动态裂缝和工作面开采边界地表裂缝(切眼边界侧地表裂缝和区段煤柱侧地表裂缝),动态裂缝在开采后能够实现自修复,工作面开采边界的地表裂缝不能自修复。下煤层开采区段煤柱侧覆岩与地表采动裂缝发育严重,其与区段煤柱错距密切相关。1-2煤层开采后,基岩垮落角为60°,土层垮落角为65°,边界煤柱侧地表裂缝的宽度为0.26 m。下部2-2煤层开采,煤柱叠置、错距20、40 m时,区段煤柱侧覆岩采动裂缝宽度分别为0.81、0.45和0.22 m,地表裂缝宽度分别为0.65、0.30和0.12 m。通过确定合理煤柱布置方式,能够有效控制覆岩和地表采动裂缝的发育程度,据此确定柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采的合理煤柱错距应大于40 m。      

浅埋煤层覆岩切落裂缝破坏及控制方法分析

陕北神东矿区厚风积沙松散层、薄基岩条件下浅埋煤层开采引起的地表沉陷,呈非连续切落式裂缝破坏。大量研究表明,这种裂缝损害受覆岩中关键层的控制。因此,研究浅埋煤层关键层的破断规律和失稳条件是解决这种条件下采动损害控制的关键技术。以神东矿区大柳塔1203综采工作面为例,应用理论分析和数值模拟方法研究覆岩中关键结构层稳定条件与采动损害之间的关系,为神东矿区生态环境保护,确定合理、经济的保水控制开采方法提供理论依据。      

采动作用下上硬下软型缓倾岩质高边坡变形机理试验研究

我国西南岩溶山区地质环境复杂,地下开采活动频繁,大型崩滑灾害频发。为了了解上硬下软缓倾岩质边坡下覆矿层开采时坡体的沉降与地裂缝发育规律,以贵州普洒崩塌为例,通过相似模型试验,研究采动作用下,坡体的地表沉降、内部位移、层间压力变化规律、以及采动诱发的地裂缝发育情况。研究表明:在地下开采情况下,坡体地表沉降和内部位移随开采宽度增加呈线性增大;当开采宽度约为采高的16倍时,地表沉降突增,并伴随裂缝出现;测点越靠近地裂缝,沉降变化率越大,地裂缝发生位置与地表沉降变化率最大的测点大致出现在同一区域;掘进工作面推进时,采空区上方顶板岩层出现卸荷区域,压应力减小,而采动工作面煤层上方岩体出现层间挤压区域,压应力增加;采空区上方大于20倍采高范围以外,岩体层间压力受地下开采活动的扰动影响微弱。本研究为西南岩溶山区在地下采动作用下,对山体崩滑的早期识别与破坏机制分析具有一定的参考意义。      

山西阳泉矿区刘村采煤塌陷机理及数值模拟

选取山西阳泉矿区单煤层开采引发的强烈地面塌陷作为研究对象,在详细介绍刘村采煤塌陷所处地质环境背景及其发育变形特征的基础上,根据区域岩体工程地质特征,将其划分为12层岩组;运用关键层、复合关键层理论对采煤塌陷机理进行了分析,获取Hoek-Brown岩体力学参数;采用Flac5.0 Extrusion对刘村采煤塌陷坑进行了反演模拟。数值模拟反映各阶段采动裂缝在地表的发育分布情况并计算了最终沉降量,覆盖层裂缝自然修复周期为2个月,基岩裂缝自然修复周期为3个月;采动裂缝最终在平面上呈“θ”形,塌陷中心1和塌陷中心2最终沉降量分别达到4.5 m和4 m,塌陷面积是工作面面积的1.85倍。模拟结果与调查监测数据高度吻合,客观地反映了地表变形和深部覆岩塌陷的发展变化过程,为塌陷机理分析起到了帮助作用。该套岩体力学参数与模拟方法适用于阳泉矿区采煤塌陷精准预测。     

神东矿区地表移动参数变化规律及影响机制

我国西部矿区普遍具有资源储量大、埋藏浅、覆岩结构简单等特点,采矿活动对地表影响明显。为研究神东矿区地表移动参数变化规律,首先基于大柳塔矿22201工作面实测数据分析其地表动态变形规律,再采用神东矿区18个工作面的实测数据,获得地表移动参数与地质采矿条件之间的对应关系,并分析地质采矿条件对地表移动参数的影响机理。研究表明:神东矿区煤层开采地表沉陷速度快、衰退期短,最大下沉速度达643.3 mm/d,活跃期下沉量占总下沉量的99.05%;下沉系数与松散层采深比呈先增大后减小的二次函数关系,水平移动系数、主要影响角正切分别与（采高×开采速度）/（宽深比×基岩厚度）、基岩厚度×开采速度/（采深×采高）呈先减小后增大的二次函数关系;边界角、裂缝角与松散层采深比呈正线性关系,移动角与基岩采深比成正比,与采高、开采速度成反比;基岩承载松散层荷载及松散层拱效应的变化是导致地表移动参数变化的根本原因。研究成果对西部矿区地表破坏控制与治理、矿井生产安全保障及生态环境修复具有工程实用价值。      

采动影响区被保护煤层渗透率分布规律

为了更好地进行采动影响区被保护煤层瓦斯抽采工作,以淮南矿区某矿某工作面为例,使用物理相似模拟、FLAC3D数值模拟、采动区渗透率历史拟合等方法,探讨上部被保护煤层采动影响范围及渗透率变化规律。结果表明:被保护煤层有着明确的区域划分,走向剖面工作面前方卸压区长约20 m,工作面后方卸压区长约30 m,裂隙张开区长约30 m,裂隙张开区之后为重新压实区;明确了各区域的渗透率变化范围,工作面前、后方卸压区渗透率为（150~250）×10-3 μm2,裂隙张开区渗透率为（400~800）×10-3 μm2,重新压实区渗透率为（15~100）×10-3 μm2,采动区被保护煤层渗透率在采动过后,较原始渗透率增大32~1 600倍。      

宁东煤炭基地煤炭开采对地下水的影响预测

宁东煤炭基地生态环境脆弱,水资源匮乏,煤炭开采过程中的水资源保护备受关注。采用公式法及现有3个工作面实测数据研究,确定了首采煤层开采导水裂缝带发育的最大高度,对比首采煤层至主要含水层之间的距离与导水裂缝带发育的高度差值,预测首采煤层开采对含水层结构的影响程度。研究结果表明,宁东煤炭基地首采煤层开采的导水裂缝带发育高度一般为20～80m,其中大于180m的区域面积约5.9km2,集中于西北部灵武矿区;石炭纪—二叠纪煤矿区横城矿区7个钻孔导水裂缝带突破石盒子组达主要含水层(新生界含水层)底部,侏罗纪煤矿区灵武矿区9个钻孔的导水裂缝带已经沟通地表。将首采煤层开采影响含水层的程度划分为影响大、影响较大、影响一般、影响微弱4种类型,各种类型所占比例分别为14.7%、40.31%、18.65%、26.34%。     

地下水位下降对采矿覆岩下沉影响探析

地下采煤会导致地表下沉盆地的形成。然而地下水尤其是承压水的流失即水位降低对地表下沉盆地的形成存在不可忽视的影响，而对两者之间的关系及其过程的力学机理是岩移领域亟待研究的课题之一。矿区地下水位降低的主要原因为承压水通过采动裂隙向下渗流、煤层开采前顶板岩溶含水岩层的疏干以及地面人为钻井取水。根据对一具体矿区地下水位下降对地表沉陷影响实测数据的分析得出，在以采煤为主导条件导致地表下沉的过程中，几乎全部的开采沉陷量中均包含有由于含水层释水而造成的沉陷量。通过对上覆岩层力学机理分析，指出水位降低对覆岩移动、地表下沉的影响是由于一定地质条件下可渗水性岩石的物理力学特性、渗水对其它岩石的软化、释水后原冲积层的压密固结以及水渗透过程中的水岩耦合作用等因素综合作用所致。同时，在以上理论的基础上还探讨性地建立了地下水位下降对地表下沉贡献模型，在此模型基础上可以建立2个或2个以上影响因素对地表下沉的贡献模型。最后以框图形式概括了地下水位下降及其对地表下沉影响的综合过程。     

采煤区地表拉张裂缝演化及其控制因素物理模拟试验

基于自制装置室内模拟试验和现场试验,研究了黏土体含水量变化及应力环境改变对采煤区地表拉张裂隙发育的影响,研究结果表明:在30%、35%、40%三种含水量情况下,随着黏土体含水量增高,土样表面拉张裂隙发育宽度和深度均明显降低,且拉张裂隙发育呈现时间上的滞后;当含水量增至40%时,土样表面不会产生拉张裂隙;在土样表面人为形成应力薄弱区,可以有效改变拉张裂隙发育位置;在孙疃煤矿1047工作面通过增湿试验地表“切眼裂隙”发育得到有效抑制;应力引导对地表“风机裂隙”的发育方向造成一定影响。     

松藻矿区地下水动力场特征及其对煤层气富集的影响

松藻矿区是我国煤层气资源富集区之一。为揭示松藻矿区地下水对煤层气富集影响,利用煤田勘查获取的水文地质资料,基于含水层结构、水化学特征、抽水资料的系统分析,阐明了含煤地层上覆和下伏含水层地下水的空间展布特征,建立了地下水的分布模式,探讨了地下水动力场对煤层气富集的影响。研究表明:松藻矿区含水层和隔水层相互叠置,随着埋深的增加含水性减弱;含煤岩系与上覆、下伏含水层缺乏水力联系,为相互独立的含水系统;上覆长兴组和下伏茅口组地下水动力场呈南高北低展布;地下水动力场有近河流岩溶裂隙渗入型、断层沟通岩溶裂隙补给型、稳定承压弱含水型三种类型,以稳定承压弱含水型为主;含煤岩系的极弱含水性及其与上覆、下伏含水地层缺乏水力联系构成了区内水文地质控气基础,是研究区煤层含气性高的重要控制因素。      

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。      

生态脆弱露天矿区截水帷幕下松散层水位演化规律

我国蒙东地区生态环境脆弱,水资源匮乏,露天煤矿高强度开采引起地下水系统的补、径、排条件发生剧烈变化,导致松散层水位大幅下降、地表河流流量衰减、生态环境破坏。为揭示生态脆弱露天矿区在截水帷幕下的松散层水位演化规律,分析生态脆弱露天矿区地下水分布特征和采动对松散层水位的影响,开展截水帷幕下的松散层水位理论计算和物理模拟试验,结合现场监测数据分析截水帷幕下内蒙古扎尼河露天煤矿、元宝山露天煤矿松散层水位演化规律。结果表明:生态脆弱露天矿区松散层渗透系数大、水位埋藏浅;露天开采对矿区松散层水位影响巨大,矿区周边数千米范围内的松散层水位下降数米到数十米;理论计算和物理模拟发现,截水帷幕外侧松散层水位抬升幅度与帷幕长度呈正相关关系;远离帷幕的水位变化速率较为平稳,靠近帷幕附近的水位变化相对剧烈;扎尼河和元宝山露天煤矿现场监测结果显示,帷幕外侧松散层水位升高3.43~9.12 m,帷幕内侧水位降低3.21~10.15 m,外侧水位抬升幅度与截水帷幕完成率成正比。截水帷幕作用下的松散层水位理论计算和物理模拟结果可指导现场工程应用,截水帷幕能够显著抬升生态脆弱露天矿区周边松散层水位,保护矿区松散层水资源。      

鄂尔多斯盆地白垩系含水层系统分析

从地下水含水层系统的角度对鄂尔多斯盆地白垩系地下水系统进行了划分和分析。由于下白垩系统保安群为一套陆相碎屑岩建造,岩性复杂,由砂岩、粉砂岩和泥岩组成的频繁交替、重复叠置的多层层状结构,决定了鄂尔多斯白垩系自流水盆地是多层结构的地下水系统。这种重复叠置的多层层状地质结构,决定了地下水含水层系统的多层性、承压性及层与层之间的相对封闭性。根据沉积旋回和含水介质的性质,在全盆地范围内把白垩系地下水系统从上向下划分为：罗汉洞含水岩组、环河含水岩组和洛河含水岩组。通过对这3大含水岩组分别进行了分析认为,洛河含水岩组和环河含水岩组分布范围广、,含水层厚度大、天然资源丰富,是盆地区具供水意义的主要含水岩组。罗汉洞含水岩组因分布面积小,含水层厚度差异大、水质变化大,除陇东地区外,大部分地区供水价值较小。     

几内亚某超大型铝土矿含水地层钻探取样技术

[摘 要] 为解决在几内亚某特大型铝土矿矿区部分含水区域中钻探施工中出现的取样困难的问题,通过对含水钻孔地层的地质特征分析,将其分为三种类型,并据此研制和试验了两种不同的取样钻具:护带型螺旋钻具和可启闭防抽吸钻具。经过现场实验证明,护带型螺旋钻具适宜于第一种地质特征的钻孔,可启闭防抽吸钻具适宜于第二、三类地质特征的钻孔。在施工应用中,解决了在该矿区这类地层中钻探取样问题。     

高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律

为了研究高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律，以安徽淮北五沟煤矿1031工作面为研究区域，基于Landsat-8遥感数据解译结果，总结了2013-2017年1031工作面上方地表积水范围演化规律，分析净降水量、地下水埋深、工作面推进距离等因素对积水范围演化的影响，并提出积水边界角的概念，建立了积水边界角随采动时间变化的函数关系式。研究发现:高潜水位采煤沉陷区地表积水演化分为4个阶段:未形成期、同步增长期、残余增长期、相对稳定期；在同步增长期和残余增长期，工作面推进距离、净降水量与积水面积日增长量呈正相关，地下水埋深与积水面积日增长量呈负相关；工作面推进距离是积水范围演化的关键影响因素，在工作面推进距离为476 m左右时，地表产生积水，工作面停采后5个月左右，积水面积趋于稳定；积水边界角先呈减小趋势，再趋于稳定，在同步增长期和残余增长期，积水边界角总体呈减小趋势，但受气象、地下水埋深等因素影响而波动；相对稳定期，积水边界角整体趋于90°。本研究为高潜水位采煤沉陷积水区土地利用规划、土地复垦、水陆复合生态系统建立等提供理论依据。