洛河组含水层垂向差异性研究及保水采煤意义

为查明彬长矿区白垩系洛河组地层的水文地质条件,从保水采煤角度提出了洛河组精细化勘探概念,给出了可用于承压含水层垂向富水性评价的综合富水性指数法,依据垂向富水性变化规律对洛河组进行分层,并研究洛河组垂向水文地质条件与特征、自然状态和采煤扰动时洛河组垂向各含水层段之间的水力联系、以及洛河组下段存在的保水采煤意义等。给出了富水性指数计算方法:对地层岩性、厚度、孔隙度3个指标分别赋值、分别赋权重为0.3,0.4,0.3,之后将赋值与权重累积得到单个含水层段的富水性指数(f_i),利用F_i=0.5f_i+0.15f_(i-1)+0.1f_(i-2)+0.15f_(i+1)+0.1f_(i+2)计算各地层的综合富水性指数。给出了洛河组含水层垂向富水性分级标准:F0.003 289为隔水层,0.003 289≤F0.012 339为弱富水,0.012 339≤F0.015 504为中等富水,F≥0.015 504为强富水。依据综合富水性指数将高家堡井田T1,T2钻孔洛河组垂向上划分为上、中、下3段。研究结果表明:(1)采用综合富水性指数法可以对承压含水层垂向富水性进行精细化评价,可操作性强;(2)局部地区洛河组内部发育有泥岩地层,但尚未构成区域上的隔水层;(3)洛河组下段地层既可以减缓和阻止煤层顶板导水裂隙带继续向上发育防止对具有供水意义的中上段地层结构的破坏,又可以阻隔中上段含水层水进入矿井,对保水采煤有利;(4)高家堡矿井首采面回采期间洛河组中上段地下水位下降26.71～43.06 m。通过含水层水量、水位、水质等指标分析,采用控制煤层采高等技术实现了对洛河组含水层结构保护条件下的深埋煤层开采。     

彬长矿区巨厚洛河组垂向差异性研究

彬长矿区白垩系洛河组砂岩含水层是威胁矿井安全的主要充水含水层。为了查明其水文地质条件,采用地面与井下钻探、水文测井、抽(放)水试验、水化学测试、岩样测试及水文长观等手段进行探查与研究。结果表明洛河组含水层可分为上、下两段。洛河组含水层上、下段在地层厚度、岩性、富水性、水文地质参数、水质、水温等方面存在显著差异。     

中深埋厚煤层开采地下水位动态变化规律及形成机制

煤炭开采对风化基岩含水层和潜水含水层的影响是榆神矿区"保水采煤"研究的重点。为揭示榆神矿区风沙滩地区中深埋厚煤层开采条件下地下水动态变化规律和机理,以榆神矿区中部某矿首采工作面(01工作面)为研究区,采用钻探、地下水位观测、野外实地探查和综合分析等方法,研究了采动地下水动态变化规律及其与覆岩损害和地表下沉之间的耦合关系。结果表明:(1)风化基岩含水层水位随回采表现出"先下降后回升"并恢复至初始水位的动态变化过程,中间可分为"快速下降"、"回升恢复"和"稳定波动"3个阶段,平均持续时间为102 d。在水位快速下降阶段,水位最大降深、平均下降速率均呈正态分布,且与距工作面中心距离呈指数函数关系;水位回升恢复阶段,持续时间和平均回升速率与距工作面中心距离呈负相关关系;(2)当潜水含水层分布局限、侧向补给缺乏时,潜水含水层水位出现"先下降后回升"和"持续下降"至稳定2种动态变化规律,且均未恢复至初始水位;(3)面内风化基岩含水层水位动态变化过程与风化基岩层的剧烈下沉密切相关,风化基岩层下沉速度的增大和减小过程分别对应水位的下降和回升过程,水位下降则与其下沉、临时性裂隙和离层发育有关,水位回升则是下沉减缓、临时性裂隙和离层的闭合以及含水层侧向补给因素有关;面外风化基岩含水层水位的动态变化则与其侧向补给有关;(4)面内潜水位的动态变化过程与地表下沉密切相关,其水位下降与地表活跃阶段早期剧烈下沉具有同时性和一致性,地表下沉造成的潜水水头差和潜水的渗流出露是造成水位下降的主要原因;水位回升则是地表进入活跃阶段后期和衰退阶段,高位潜水侧向补给和大气降水补给造成的;面外潜水位持续下降则是潜水侧向渗流和补给不足造成的;(5)中深埋煤层开采条件下,导水裂隙带一般不会导通至风化基岩层,风化基岩含水层水和潜水含水层水不会因采动导水裂隙而漏失,风化基岩水位可恢复,潜水含水层水位会因采动地表移动发生变化。     

永陇-彬长矿区保水采煤及地下水资源开发利用

针对永陇-彬长矿区煤炭高强度开采下白垩系地下水资源保护问题,开展了矿区水资源保护性采煤的水文地质基础研究,论证了矿区实施保水采煤的可行性,提出了保水采煤技术措施,最后探讨了白垩系地下水资源的开发利用方案。研究结果表明:本区对矿井安全开采构成威胁的主要含水层为白垩系洛河-宜君组砂砾岩含水层;综合分析煤系含(隔)水层结构、煤层上覆岩性组合特征和导水裂隙带高度等的基础上,认为本区具备实施保水采煤的地质基础,安定组泥岩是保水采煤的隔水关键层;以此为基础,提出了白垩系地下水保水采煤的有效技术措施,主要包括控制采高、采用分层开采方式及选择合理的工作面推进速度等。     

基于标准差修正主观权重的洛河组含水层富水性评价

侏罗系煤田顶板复合含水层具有厚度大、富水性不均一的特点,煤层开采驱动下导水裂隙带发育至不同含水层构成的水害威胁程度不同。彬长矿区位于鄂尔多斯盆地侏罗系煤田南缘,顶板白垩系洛河组砂岩含水层富水性差异较大,对其富水性进行精确评价成为矿区防治水工作开展的重要前提。以矿区内某矿井为例,选取对含水层富水性影响较大的含水层厚度、冲洗液消耗量、岩心采取率、砂泥岩层比率、含水层埋深、矿化度6个主控因素作为评价指标,采用模糊层次分析法确定各主控因素的主观权重,利用标准差对主观权重进行修正,建立含水层富水性评价指数模型,对研究区洛河组砂岩含水层富水性进行评价,并通过勘探钻孔抽水试验成果对富水性评价结果进行验证。结果表明,研究区内洛河组强富水区集中在西北侧,中等富水区分布在研究区中部,弱富水区分布在东南侧,富水性自西北向东南逐步递减,基于标准差修正主观权重的洛河组含水层富水性评价方法提高了预测结果的可靠性和准确性,分区结果可为该区洛河组含水层防治水工作提供指导。     

黄陵矿区主要含水层特征对煤矿采掘的影响

黄陵矿区位于黄陇侏罗纪煤田北部,主要开采2#煤层,矿井生产中对各含水层特征认识不一,严重影响了煤矿的安全生产。针对此问题,收集整理黄陵矿区历年来的勘查数据,对各地层含水性特征进行客观分析与研究,并对主要含水层的富水性进行详细论述。研究结果表明,影响矿区煤层采掘的主要含水层为白垩系下统洛河组含水层和侏罗系中统直罗组含水层,其中,洛河组含水层对矿井采掘的影响较为突出。洛河组含水层富水性属于弱-中等,弱富水性区域位于矿区的东部,中等富水性区域位于矿区的中西部。今后矿井防治水工作中需高度重视矿区中西部洛河组含水层对煤矿采掘的影响。     

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。     

毛乌素沙漠区广域适应型保水安全厚度计算及开采影响分区评价

毛乌素沙漠区多个近地表含水层支撑着区域生态环境、生产和生活,开展保水采煤研究势在必行。而"保水安全厚度"计算作为保水采煤研究的核心内容,由于各近地含水层的性质以及所处垂向位置的差异,导致了针对毛乌素沙漠区的保水安全厚度计算方法适用范围有限、缺乏统一性。通过分析毛乌素沙漠区内含隔水层在垂向和平面上的展布特征、水文地质性质,结合不同区域内的工程地质条件和开采方法,探讨了保水安全厚度的定义。将煤层之上地层划分为目标保护层、预测导水段(导水裂隙带发育段)和等效保水段(由有效黏土隔水层和基岩层组成的保水段)。利用水均衡法分析了黏土隔水层与基岩层间的保水性能关系,通过"保水比例系数"形成了黏土隔水层与基岩层间统一的等效保水段计算方法。建立了具有能够适用毛乌素沙漠区内"沙-基(岩)型开采区"、"沙-土-基(岩)型开采区"、"沙-土-洛(洛河组含水层)-基型开采区"、"烧变岩型开采区"等主要不同地质条件的保水安全厚度计算模型。根据导水裂隙带的发育高度与黏土隔水层、基岩层间的导通特征以及煤水间距与保水安全厚度的大小关系,制定了煤层开采影响的自然保水区、一般失水区和严重失水区的分区标准。并以榆神矿区小保当煤矿为例,应用建立的统一模型确定了小保当井田内砂-基型和砂-土-基型开采区内的保水安全厚度,并据此评价了煤层开采对潜水含水层的影响。所建立的保水安全开采厚度计算模型以及开采分区评价标准具有良好的适应性,也为保水采煤研究中有关保水安全厚度的计算和煤层开采对上覆含水层的影响评价提供了新思路。     

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。     

煤层开采对第四系松散含水层影响的研究

为了分析煤层开采对第四系松散含水层的影响,选择潞安矿区漳村矿为试验现场,通过浅部至深部煤层开采项板导水裂隙发育高度的理论分析、数值模拟和实际观测资料对比,研究采高6m,采动导水裂隙发育规律及对松散含水层的影响.结果表明:煤层埋深小于110 m区段,导水裂隙可突破第四系底部黏土隔水层而发育至第四系松散含水层,并对该含水层造成破坏;煤层埋深介于110～190 m区段,导水裂隙仅发育至基岩风氧化带,风化裂隙水可进入采场,对第四系底部松散含水层水影响较小;煤层埋深大于190 m区段,采动导水裂隙发育限制在完整基岩内,仅将顶板砂岩裂隙水引入采场.据此分析,漳村矿对采高6m、埋深大于190 m的中深部煤层的开采对第四系松散含水层几乎无影响.     

侏罗系弱胶结砂岩孔隙介质特征及其保水采煤意义

我国新疆哈密矿区降雨量少、蒸发强烈,属于严重干旱地区,研究区高强度的煤炭资源开采对主要储水含水层的保护极为重要。由于特殊的成岩环境及地下水赋存运移条件,侏罗系弱胶结砂岩为复杂的非常规含水岩系,给研究区煤矿防治水带来了诸多水文地质问题。本文以新疆哈密矿区侏罗系弱胶结砂岩为研究对象,通过渗流实验、实验室测试、理论分析研究弱胶结砂岩微观孔隙结构演变规律。研究表明,弱胶结砂岩属高孔隙度岩石,具有大孔孔喉及中孔孔喉分布频率高的结构特征和强富水性,渗流实验过程中有大量乳白色悬浮物渗出。水相渗流作用下的弱胶结砂岩样出现渗透性突变增大的现象,其孔隙度有明显增大的趋势。通过水质分析及岩矿鉴定分析手段得出可溶盐溶出对渗流实验前后的孔隙度增加贡献率为45.80%～82.28%,悬浮物渗出量计算对孔隙度增大贡献率为14.78%～54.20%,可溶盐及高岭石的溶(渗)出是砂岩渗透性增强的主要因素。鉴于此,提出了有关孔隙结构储水空间变异性以及渗透突变性的保水采煤理念,弱胶结砂岩含水层水体下保水采煤应当遵循"保护性开采、避免大规模扰动"的思路。研究成果对西部地区弱胶结砂岩含水层的开发利用与保护有重要意义,同时可为西部地区受侏罗系弱胶结砂岩水害影响的矿井保水采煤技术的研究提供借鉴。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Impact of coal mining on groundwater of Luohe Formation in Binchang mining area

Groundwater of Luohe Formation is the main water source for industrial and agricultural and residential use in Binchang mining area,which is one of the key elem...