生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层合理厚度

为保护生态脆弱矿区的生态潜水位,对采煤保护土层厚度的合理厚度进行研究。基于地下水动力学,分析了采动潜水位越流变化机理,并采用水-电相似模拟技术,模拟了采后不同有效隔水层厚度及其物理特性条件下潜水位变化规律。研究结果表明:煤炭开采,越流水位差越大,采后有效隔水层隔水能力越差,采动潜水位降深越大。研究区典型地质条件下,采后有效隔水层为42.6 m的离石黄土或21.0 m的保德红土时,潜水不会显著漏失。多种软件耦合实现了煤炭开采工作面水-电相似模拟,得到了研究区典型采矿地质条件下不同有效隔水层厚度与潜水位降深的关系,水-电模拟结果与理论研究结果相吻合,并得到了工程实践的初步验证。     

巨厚煤层开采覆岩含水层破坏模拟——以准东大井矿区为例

本文针对准东矿区巨厚煤层典型赋存特征,以大井矿区为研究对象,通过识别覆岩关键层及含水层,采用UDEC数值模拟方法,建立大井矿区巨厚煤层开采覆岩力学模型,对不同开采方法覆岩含水层破坏进行了模拟研究。结果表明:研究区覆岩关键层分为4层、覆岩含水层共2层;开采厚度相同时,大采高开采覆岩下沉量、裂隙带发育高度及开采对含水层的扰动影响均大于放顶煤开采;采高24m,推进长度为300m时,导水裂隙已发育至含水层Ⅱ;主关键层对覆岩位移、裂隙分布及开采对含水层的扰动影响起关键作用。     

煤炭开采对相邻区域生态潜水流场扰动特征

陕北煤炭能源基地高强度开采易影响生态潜水的自然径流条件,针对自然保护区周边煤炭资源开采对地下水流场的扰动问题,以榆神矿区某井田为例,通过构建研究区煤-水空间结构水文地质模型,系统分析研究区生态潜水的赋存特征及其规律;采用物理模拟、数值模拟、现场实测等手段,综合分析煤层覆岩岩性组合结构、煤层与关键层间距、煤层厚度、煤层埋深、工作面长度等因素,利用相关分析方法提出了适合于研究区导水裂隙带高度计算的裂采比公式;根据水文地质条件和煤层采动方式,采用地下水数值分析方法,模拟了煤炭开采后萨拉乌苏组生态潜水流场变化,分析了煤层采动后生态潜水受扰动的特征。研究结果表明:区内萨拉乌苏组生态潜水含水层全区发育,其赋存受基岩面形态控制,生态潜水水位受地形、含水层厚度、地下水分水岭和地表水等影响;下伏关键隔水层(保德组红土)受沉积影响在研究区东南局部缺失,形成"天窗"导水通道;区内覆岩结构以硬-软-硬、硬-硬-软2种组合类型为主,覆岩结构类型对导水裂隙带发育高度及形态有重要作用;统计分析多个导水裂隙带发育高度结果,提出榆神矿区导水裂隙带最大裂采比为28.1倍,该数值对榆神矿区保水采煤及水害防治具有重要指导意义;通过计算发现,煤层开采后,在研究区东南部保德组红土缺失区将造成生态潜水漏失与水位下降,最大降深可达10 m。为保护生态潜水资源,建议开采研究区东南部"天窗"部位的煤层时,必须采取相应的保水采煤技术。     

东部高潜水位厚煤层采煤塌陷地治理措施研究

针对东部高潜水位矿区多煤层开采导致重复塌陷、土源缺乏、易于积水等治理问题,文中在分析东部高潜水位厚煤层矿区采煤塌陷特征的基础上,结合采煤塌陷区的区位优势,提出了土地预治理、矸石充填、湿地景观构建、产业导入等综合治理措施,加快采煤塌陷地土地资源及时恢复利用和矿区生态环境修复,为东部高潜水位厚煤层矿区采煤塌陷地治理提供一点...     

厚煤层巷道矿压显现规律研究

针对厚煤层开采时矿压对巷道的影响的问题，从理论和实践上阐述位于厚煤层内的区段集中巷、采区上（下）山及大巷整个服务期间采动影响过程中的矿压显现规律和围岩变形，以及厚煤层巷道的维护技术。利用FLAC^3D数值模拟软件，分别分析了采动条件下厚煤层区段集中平巷顶板压力规律以及采动条件下厚煤层区段集中平巷顶板位移规律。提出要掌握巷道的围岩性质及其对巷道维护的影响，合理确定护巷煤柱宽度，在邻近煤层开采中，采用上部煤层在厚煤层上方跨采，或者厚煤层巷道开掘之前上部煤层预先开采等卸压措施。从而避免了厚煤层开采过程中矿压对巷道的影响，保证了煤矿的安全高效回采。     

特厚煤层开采坚硬顶板覆岩结构及其演化特征分析

特厚煤层开采形成了大空间采场，坚硬顶板断裂扰动波及范围广，工作面来压具有强矿压特征，尤其当煤层顶板“见方”开采期间，采场矿压作用更加强烈。据此，采用现场实测和物理三维相似模拟方法，探讨了特厚煤层开采覆岩扰动高度及坚硬顶板断裂特征。首先基于现场实测研究分析了覆岩破断失稳规律，实测结果表明，特厚煤层开采过程中，煤层顶板存在超前断裂现象。伴随工作面的推进，顶板初始运动主要是围绕断裂线近区基点旋转下沉，滞后工作面一定距离；地表岩移观测结果表明，特厚煤层顶板分层构成顶板群组并产生组合运动，具有层位运动特点，且伴随工作面推进，层位顶板运动存在阶跃现象。基于地表裂缝形态及钻孔多点岩移观测反演，揭示了特厚煤层开采过程中的顶板断裂及运动特征，认为特厚煤层开采覆岩扰动高度大，坚硬顶板断裂具有转向特征，伴随煤层开采推进，由低位顶板层位的横向“O-X”断裂逐渐向高位硬岩的纵向“O-X”断裂转向；特厚煤层坚硬顶板开始发生断裂转向的临界位置即所谓的煤层开采“见方”区，合理解释了工作面开采的“见方”来压现象；高位顶板纵向断裂尺寸大，扰动影响范围广，是诱发采场强矿压的主要因素，确定了特厚煤层采后覆岩“低-中-高”层位...     

厚煤层开采地表移动变形规律的深厚效应研究

为研究厚煤层开采因采深与采高2个因素均变化影响时的地表变形规律,分别对黄玉川煤矿埋深大、采高大的11401和埋深浅、采高小的216上01两个工作面的地表移动变形规律进行了现场实测与分析。研究结果表明:216上01工作面的地表变形程度远大于11401工作面;2个工作面充分采动后地表下沉量之比近似等于2个工作面基采比之比的倒数;相同地质条件下可采用基采比概念来衡量评价厚煤层开采地表变形破坏程度,即基采比较小时地表变形破坏严重,反之当基采比增大时地表变形相应减弱。最终通过室内物理相似模拟试验模拟了厚煤层开采地表变形规律的深厚效应,验证了结论的合理性,可为厚煤层开采地表变形的预测和评价提供参考。     

沙漠浅滩地表径流保水煤柱留设生态意义及方法

生态脆弱矿区地表径流保护煤柱的留设直接影响流域生态环境演变。以陕北神南矿区为研究背景,通过野外地质调查、取样测试,查明了沙漠浅滩矿区流域生态承载特征,在导水裂隙带发育规律研究的基础上,剖析了传统保安煤柱留设的局限性,从地下水动力学角度,提出了基于采动分水岭的保水煤柱留设方法。结果表明:沙漠浅滩地表径流承载了干旱缺水矿区绝大多数生态、生活、生产用水,而沙漠浅滩地表径流91.33%的流量源自砂层潜水补给,研究区地表流域附近首采煤层导高预计发育为40.4~69.2 m,采动造成采空区上方砂层潜水位消失,而基于分水岭的煤柱留设方法避免了地表径流向采空区反向渗流。实践计算证明研究区内常家沟保水煤柱62 m,大于传统保安煤柱34.8 m。     

大采深厚煤层条带开采覆岩及煤柱移动变形规律研究

分析了大采深厚煤层条带开采的采动覆岩与地表移动变形机制,结合鹤壁九矿二五采区条带开采实例,通过相似材料试验模拟,揭示了大采深厚煤层条带开采上覆岩层的破坏过程及移动变形规律,研究了煤柱压缩量和地表下沉系数的影响因素及其变化规律。     

典型高潜水位矿区采煤塌陷地损毁特征及复垦模式分析

以济宁市为例,在分析采煤塌陷现状及2020、2025年预测数据的基础上,从开采沉陷特点、塌陷区稳定性、土地利用影响等角度对高潜水位矿区采煤塌陷地损毁特征进行深入剖析,提出了适合于济宁市的采煤塌陷地治理边界判定标准,最终确定了适合济宁市的采煤塌陷地复垦模式。结果表明:高潜水位矿区下沉范围大,积水严重;治理过程中需加强基本稳沉区与采动影响区的工作,避免末端治理;高潜水位矿区采煤塌陷形成的季节性积水、常年积水对农田、建筑等影响巨大,破坏方式与程度有别于其他区域。在考虑开采沉陷差异、未来开采以及地域性特点等前提下将济宁市采煤塌陷地划分为4个不同的功能区,并分区进行治理模式分析。     

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。     

近距离煤层群上行开采可行性研究与工程应用

在分析近距离煤层群上行开采机理与主要影响因素的基础上，针对传统煤层群上行开采判别方法的局限性，对上位煤层的覆岩状况与上行开采的关系进行了阐述．给出了平顶山四矿近距离薄煤层群和内蒙古酸剌沟煤矿厚煤层群上行开采的工程实例，并确定了上行开采的关键技术措施．理论分析、数值模拟和工程实践证明，上位煤层覆岩岩性及结构对上行开采有影响．研究成果扩大了近距离煤层群上行开采的应用范围，对衰老矿区遗留煤炭资源的回收和特大型现代化新型矿区的开发规划及西部矿区的生态环境保护都具有重要的意义．图1，表3，参9．     

陕北典型风沙滩地区浅层地下水动态特征及对煤炭开采响应分析

以地下水长期监测数据为基础,综合分析榆林市榆阳区萨拉乌苏组潜水区域水位动态的时空发育特征,运用模糊聚类分析法将研究区的浅层地下水划分为3个动态类型:水位强烈波动区(Ⅰ类)、水位中等波动区(Ⅱ类)、水位弱波动区(Ⅲ类)。研究不同动态类型区水位变化规律以及主要影响因素,开展地下水位动态与煤炭开采量、大气降水量的相关性分析,认为:Ⅰ类区水位动态主要受大气降水影响,水位动态变化较大;Ⅱ类、Ⅲ类区水位动态受大气降和煤炭开采的综合影响,水位动态变化较弱。在现有开采条件下,研究区区域地下水动态的主要影响因素是大气降水,其次是煤矿开采。     

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。     

淮南潘谢矿区土地与水域演变趋势及治理对策

淮南潘谢矿区为高潜水位煤层群开采条件,随着煤炭大规模开发,引起地表大范围的沉陷导致生态环境发生严重变化,在现状调查的基础上,结合矿区生产规划,应用开采沉陷预测技术、地理信息及遥感技术,对淮南矿区土地、水域演变趋势进行研究并提出治理对策。分析结果表明沉陷区土地面积占比整体快速下降,而水体面积占比快速上升,到煤炭资源采毕后,淮南潘谢矿区范围内（不包括留设煤柱保护的建筑用地）积水面积相当于100个西湖,达597.6km2;蓄水容积相当于3个太湖,达143.6亿m3;生态系统结构由陆生生态系统转变为水陆复合生态系统。鉴此提出一套湿地生态系统重构、生态农业构建等多种治理模式相结合的复垦和生态修复体系,充分利用沉陷区并改善生态环境;结合沉陷积水区、天然湖泊洼地及水系相通的条件,将沉陷区开发为蓄水工程,为国家“引江济淮”服务,改善区域水资源短缺现状。     

陕北矿区煤层稳定性及环境治理技术研究

研究陕北矿区煤层稳定性及环境治理技术,为煤矿开采过程中地质因素导致的开采难度提供指导并改善陕北区域生态环境污染情况。以陕北榆林市某煤矿作为研究对象,针对该地区可采煤层使用定性评价方法评价该煤层的稳定性,为提升评价结果客观性,进一步使用定量评价方法分析煤层稳定性。分析结果显示煤层5和煤层3-2属于稳定性煤层,而煤层2属于较稳定煤层,开采前景良好。针对研究区域存在的水污染、生态污染、固体材料污染等情况,提出合理污水处理、生态种植、矸石处理等治理技术,合理治理该研究区域由于煤矿开采造成的环境污染问题。     

陕北尔林兔勘查区煤层特征及开采技术条件

陕北侏罗纪煤田生态环境脆弱,采煤引起的环境问题突出,而煤层埋藏深度较大的尔林兔勘查区煤层赋存条件优越、厚度大、煤层稳定,是实现保水采煤的理想区域。文章论述了尔林兔勘查区煤层特征及变化规律,讨论了该区煤层开采的优越性,提出了优先开发的建议。     

Groundwater Geochemical Variation and Controls in Coal Seams and Overlying Strata in the Shennan Mining Area,Shaanxi, China

Water resource conservation and ecological protection are key coal mining issues in northern Shaanxi Province and the Yellow River Basin. Revealing the characteristics and variation patterns of groundwater quality in the coal series and its overlying aquifers can provide a geological foundation for solving or optimizing these issues. Taking the Zhangjiamao coal mine of the Shennan mining area in northern Shaanxi Province, western China, as an example, water samples were collected for analysis from the: quaternary strata, weathered bedrock, burnt rock, coal series, and coal seam. Test parameters included conventional ion concentrations, total dissolved solids (TDS), and pH. Key water chemistry indicators such as oxidation/reduction index (ORI) and groundwater chemical closure index (GCCI) were used to explain the water quality differences. The Quaternary water, burnt rock water, and weathered bedrock water were dominantly the Ca–HCO₃ type, the coal series water (Yan’an Formation) was dominantly Ca–HCO₃ and Na–Cl types, and the coal seam water was dominantly Na–Cl type. From the shallow groundwater to coal seam water, dissolution and leaching gradually decrease and degree of retention gradually increases. Coal seam water was characterized by high TDS, high GCCI, and low ORI, reflecting a closed hydrogeochemical environment and moderate sulfate reduction. Leaching, salt accumulation, sulfate reduction, and cation exchange jointly control the groundwater chemical characteristics and evolution of the coal series and its overlying aquifers. Salt accumulation and cation exchange reactions of the stagnant coal seam water in the arid and semiarid climates and shallow buried conditions result in increased mineralization; the water quality is vastly different from that of the overlying aquifers, which are dominated by leaching. Groundwater circulation in the coal series and coal seam are of the infiltration–retention type, and the overlying aquifer of the coal series are of the infiltration–runoff type. A comprehensive hydrogeological model was constructed of the Middle Jurassic coal series and its overlying aquifers in the area. The results of this study have implications for the identification of mine water influx sources in the Shennan mining area, and the understanding of controls on the groundwater geochemical variation in Jurassic coal field of western China.