西北内陆盆地降水入渗补给季节性变化——以新疆昌吉地下水均衡试验场为例

西北内陆盆地降水稀少，一年中有较长时间的冻结期，了解其降水入渗补给规律的季节性变化对于准确评估其地下水资源量和解释气候变化对其地下水补给的影响非常重要。采用新疆昌吉地下水均衡试验站27套地中蒸渗仪1992—2015年试验资料，应用拉依达法则筛选出长系列观测资料中的异常值，结合昌吉试验场相关气象要素观测资料划分西北内陆盆地冻结期、冻融期和非冻结期的时间区间，分析不同时期影响降水入渗补给地下水的主要因素；计算不同时期多年平均降水入渗补给量占多年平均年降水入渗补给量的百分比，确定不同季节对年降水入渗补给的重要性；依据多年平均降水入渗补给量随潜水埋深的变化规律，确定冻融期、非冻结期不同土质降水入渗的最佳潜水埋深。结果表明:在试验条件下，砂卵砾石和细砂非冻结期最佳潜水埋深为0.5 m，轻黏土非冻结期最佳潜水埋深0.1 m；细砂冻融期最佳潜水埋深为1.0 m，砂卵砾石冻融期最佳潜水埋深为0.5 m，轻黏土冻融期最佳潜水埋深为0.1 m；冻结期地下水位埋深对土壤入渗能力的影响十分明显，潜水埋深和降水入渗补给量之间没有显著的线性关系；冻融期是西北内陆盆地浅埋型地下水降水入渗补给的重要时期，冻结期是西北内陆盆地深埋型地下水降水入渗补给的重要时期。     

缓倾斜煤层走向长壁式工作面地表沉陷盆地模型

为准确描述地表沉陷盆地分布形态，基于幂指数函数模型，结合缓倾斜煤层走向长壁式工作面地表沉陷盆地的特征，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，建立适用于缓倾斜煤层走向长壁式工作面的沉陷盆地模型，分析模型参数的影响因素及参数的变化规律，并验证模型的适用性和预计精度。研究表明:模型参数n反映下沉盆地底部范围大小，主要与采动程度有关，取值范围为1~3，其取值精度取决于观测点个数；参数k反映下沉盆地边缘的收敛速度和下沉影响范围，主要与采煤方法、顶板管理方法及松散层厚度有关，其值可通过地表最大下沉值或煤厚进行确定；在对常村煤矿地表沉陷进行预计时，预计值与实测值的差值平方和为3.08×106，中误差为267.59 mm，为最大下沉值的6.47%。研究缓倾斜煤层走向长壁式工作面地表沉陷盆地模型旨在对常村煤矿地表沉陷的预测和预防工作提供理论基础。      

气煤叠置区埋地管道的保护煤柱优化设计及多参量演化规律研究

为了优化采煤沉陷区内浅埋管道保护煤柱的宽度，以鄂尔多斯盆地气煤重叠区为工程背景，通过概率积分法提出了管道拉伸应变的理论算法。结合拉伸应变极限建立了沉陷区内管道保护煤柱宽度的预测方法模型，并采用数值分析和工程应用等方法进行对比验证，分析了工作面推进过程中邻近埋地管道的拉伸应变、体积应变和剪切应变等参量的分布演化规律。结果表明：预测方法在确保管道安全的前提下，缩短了管道保护煤柱的宽度，提高了煤炭资源的采出率。随着工作面与管道间水平距离的减小，管道整体的拉伸量、拉伸应变呈指数函数增长；拉伸增量呈现先增大后减小的趋势。工作面向管道靠近过程中，管道轴向上的体积应变分布呈现“V”形、环向上呈现“M”形。管道轴向上的剪切应变分布呈现“W”形、环向上大致呈现“一”形。工作面推进过程中，管道的体积应变和剪切应变均与工作面及管道间的距离呈指数函数关系。管道最易发生破坏的位置处于沉陷区中心和边缘，类似工况需要重点关注。预测方法的应用有利于实现油气煤资源的精准协调开采，而多参量的力学规律研究则有助于对管道的预防性维护和预测结果的修正提供决策支持。     

杭来湾井田煤炭开采地表移动变形预测

陕北煤炭开采引起大面积的地表变形破坏,不但严重破坏着生态环境,更威胁着人们的生命财产安全。研究煤炭开采区地表移动与变形的机理,预测地表移动变形规律和趋势,更好地保护地质环境和生态环境,减少人们生命和财产损失。以杭来湾井田30101工作面为例,运用概率积分法对采煤引起的地表移动变形进行预测,得出结果：地表变形的理论边界角为68.9°,移动角为70.4°,裂缝角为89°,移动盆地的沉陷范围面积是2.193km2。通过野外实测数据证明运用概率积分法对该井田地表移动变形的预测结果精度较高,该方法为其它井田煤炭开采地表移动变形预测提供一定的参考价值。     

ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究

以典型矿井山东华丰矿、阜新五龙矿和北京大台井为例,利用ANSYS有限元软件,对煤矿开采引起的地表沉陷、冲击地压危险区域确定和俯伪斜采煤法参数优化进行了数值模拟分析.分别针对所处的地质条件和赋煤状况,建立了二维或三维有限元模型,模拟计算了地表沉陷曲线和最大沉陷位置,指出山东华丰矿随开采推进沉陷位移和影响范围将逐渐扩大,最大沉陷位移逐步向开采方向前移的规律,当开采800 m时出现最大下沉速度3.5 mm/d,最大沉陷位移为3.7 m.五龙矿311面当开采100m和400 m时分别由于火成岩墙和应力集中区贯通导致顶板易断裂而极易发生冲击地压事故;大台井俯伪斜采煤法煤层倾角只有在60°～67° 时,推采距离才对煤层顶板法向最大压应力具有明显影响,且顶底板法向最大位移规律为上部位移大于中部位移,西中部位移又大于下部位移,在煤层倾角70°时,工作面超前支撑压力作用范围最小为30 m,而下巷道支撑压力作用范围最大为25 m,巷道数为3时,顶板下巷道超前支撑压力峰值位置为5.3 m.ANSYS计算结果表明,该数值模拟是合理的,与实际情况基本吻合,说明ANSYS在煤矿开采领域是一种有效的数值模拟工具.     

宁夏羊场湾煤矿浅埋煤层开采地面塌陷发育规律及形成机理

以宁夏羊场湾煤矿Y110207工作面为研究对象,采用无人机遥感技术、野外调查与有限差分软件模拟方法研究浅埋煤层开采的地面塌陷类型、发育规律及其形成机理。(1)浅埋煤层开采地面塌陷以地表裂缝发育为主,地表破坏严重。(2)平行切眼裂缝间隔性出现,展布于整个工作面内,间隔距离为10～120m,局部裂缝形成错台高度约为15cm。平行顺槽裂缝为拉张型裂缝,发育在顺槽至外围一定范围。(3)采煤活动导致地下形成采空区,上覆岩层发生移动破坏,破坏区分为剪切破坏区、拉张破坏区及剪-拉破坏区,分别对压应力区、拉应力区和压-拉转化区。(4)当应力扰动传递至地表,应力值超过覆盖层抗拉强度时地表产生裂缝。随着工作面推进,覆岩内部裂缝带上行裂缝与地表下行裂缝贯通,形成错台。研究成果丰富了该区浅埋煤层的地面塌陷理论知识,为地面塌陷防治提供了理论依据。     

Duxseal隔振性能数值分析与现场试验研究

将一种称为Duxseal的工业填料用于自由场主动隔振，发展了一种带孔波阻板（WIB）填充Duxseal的隔振方法，即Duxseal-WIB隔振系统。采用薄层法基本解答作为格林函数的三维半解析边界元法，分析了Duxseal的隔振效果及性能，并对提出的Duxseal-WIB隔振系统进行了现场试验。结果表明，采用Duxseal作为主动隔振屏障可以有效起到振动隔振作用，对距离振源较远处地表位移的隔振效果优于距离振源较近处；土质参数的变化对Duxseal的隔振效果具有显著的影响；在一定范围内增加Duxseal直径、厚度或埋深均可有效提高其隔振效果，其中Duxseal顶面距地表埋深的影响尤为显著；此外，与传统WIB对比，Duxseal-WIB隔振效果较高且相对平稳，在列车运行250 km/h条件下，距离振源中心12 m处测振点X、Y、Z向的地表隔振可分别达到40%、39%和51%。     

运用溴离子示踪法评价玛纳斯河流域平原区潜水蒸发

潜水蒸发是干旱内陆盆地区地下水的主要排泄方式，但其定量评价存在很大的不确定性，是水均衡分析和水资源评价的难点.在新疆玛纳斯河流域平原区，以溴离子为示踪剂于2017年5月在不同土地利用类型区试验点投溴化钠，分别于2017年8月和2018年8月采样测定溴离子垂向分布，根据溴离子垂向运移速率确定潜水蒸发速率.试验点溴离子的浓度在垂向剖面上的分布呈现单峰形态且峰值上移，根据其峰值上移距离计算得出非沙漠区年平均潜水蒸发量为33.59 mm；不同土地利用类型潜水蒸发由强至弱依次为棉田、荒地、林地和沙漠，年平均蒸发量分别为41.71 mm、34.01 mm、11.28 mm、8.58 mm.溴离子示踪法评价潜水蒸发量的结果与前人相符；潜水蒸发速率与土地利用类型、包气带岩性、土壤体积含水量和潜水埋深有关，岩层粘粒含量越高、含水量越高、越靠近细土平原低地势区，潜水蒸发作用越强.      

基于FLAC3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析

宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域,其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发,对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征,以宁夏石嘴山矿区为对象,基于FLAC3D数值模拟软件,建立缓斜煤层开采三维数值模型,计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律,并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化,与数值模拟结果进行相互验证。结果表明:地下开采引起应力重分布,采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象,最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势;越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大,随着远离采空区逐渐减少,开采完成后地表垂直位移最大值约12 m;随着采空区面积的不断增大,采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大,且以剪切破坏为主;地面沉陷盆地不对称,2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向,下山方向比上山方向影响范围更大;数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致,研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据,为地表沉降监测提供新方法。      

“开敞系统”下单向冻融试验装置的研制与应用

季节冻土区的冻胀和融沉作用显著，对该地区构筑物造成了不同程度的冻害破坏，尤其对地下水埋深较浅区域尤为严重，故开展可对大尺寸模型进行不同地下水水位下单向冻融过程模拟的系统装置的研制，具有重要的科研意义和工程价值。研制的该冻融系统装置，主要包括箱体结构、制冷/热系统、边界温控系统、供电系统、地下水补给系统、保温隔热系统和量测系统等组成。箱体结构由6 mm厚钢板材料制作而成；制冷/热系统主要由基于帕尔贴效应的半导体制冷片组成实现制冷/热；边界温控系统主要依靠电子温控器进行控温；地下水补给系统主要利用改进型的马里奥特瓶进行地下水的补给；保温隔热系统主要采用V0级橡塑保温板；量测系统可根据试验目进行自由搭配组合。使用该试验装置对大尺寸新疆粉质黏土土样进行了在地下水埋深分别为80 cm和40 cm下的单向冻融过程试验研究，试验结果表明:在冻结和融沉过程中，温度的变化速率与土层距制冷/热板的距离成反比；冻结锋面的迁移可分为2个阶段；冻结过程中含水率变化分为快速和缓慢变化2个阶段；冻胀量的变化可分为2个阶段；融沉量的变化可分为3个阶段。温度、含水率、冻结锋面和冻融量变化等试验结果均证明了此试验装置的可靠性，此装置可为研制能对大尺寸模型进行开放条件下单向冻融模拟的设备提供借鉴。     

淮南采煤沉陷区积水来源的氢氧稳定同位素证据

淮南是我国东部重要的能源基地,由于长期地下采煤,地表形成大面积的采煤沉陷区并积水,造成严重地质灾害。针对于此,部分学者提出利用采煤沉陷区建立"平原水库"解决周边地区干旱年份农田缺水问题的设想。然而,一方面,由于煤层上覆几百米厚的新生代沉积,采煤塌陷形成的沉陷裂隙是否沟通了不同含水层之间的水力联系,并因此改变了这个地区的地下水系统,成为区域水资源评价需要了解的一个重要科学问题;另一方面,建立"平原水库"需要有稳定的补给水源,采煤形成的沉陷裂隙如果沟通了地下不同深度含水层的水力联系,是否使地下水成为塌陷区除降雨外的重要补给来源,这就成为评价"平原水库"水资源潜力的重要参考依据。氢氧稳定同位素是示踪天然水体水来源的重要手段,笔者在淮南矿区采集了旱季和雨季的浅层地下水、河水、雨水、沉陷区的积水等不同水体的水样23件,分析了其氢氧稳定同位素组成并与深层地下水进行对比。结果表明:雨季和旱季,该地区采煤沉陷区积水的氢氧稳定同位素组成都非常接近大气降水的氢氧稳定同位素组成,而与深层地下水的氢氧稳定同位素组成相差较大,说明采煤沉陷区的积水来源主要是大气降水补给。采煤沉陷区的沉陷裂隙贯穿了整个新生代地层,使地表水发生下渗与在深部与深层地下水发生不同程度的混合,而深层地下水尚不是"平原水库"的稳定补给源。     

基于Landsat时序数据的高潜水位煤矿区植被扰动分析

我国东部矿区是重要的煤粮生产复合区,由于境内地势平坦,地下潜水位高,采空区形成的沉陷大多常年积水或季节性积水,所引起的土地、生态、环境问题尤为严重。植被作为矿区生态环境的重要组成部分,因外界干扰和环境要素的变化而具有动态特征。归一化差值植被指数(NDVI)是植被生长状况遥感监测的常用指示因子,基于NDVI时间序列数据的分析可以有效揭示植被的扰动效应。以安徽淮南顾桥矿为研究对象,基于2007—2018年Landsat NDVI时间序列数据的分级统计,以及热点分析、聚类与异常值分析和剖面线分析,研究NDVI值的时空变化特征,探讨煤矿开采沉陷对周围植被的扰动效应。研究表明:2007—2018年间顾桥矿植被生长状况整体良好,但植被覆盖离散程度在增大;NDVI分布具有明显的空间聚集特征,均为“高–高”聚类和“低–低”聚类,无异常出现;受煤炭开采影响,热点区减少,冷点区增加,热点向冷点的转化主要发生在沉陷积水区、德上高速和永幸河附近;沉陷积水区周围一定范围内存在明显的植被扰动,开采初期扰动较小,随着积水区范围的增长和时间的推移,扰动范围逐渐增大,最后趋于稳定,具有时序滞后性和时空累积性。研究成果为采煤沉陷区生态影响范围的确定及生态环境的恢复治理提供了参考。      

厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律

为了研究厚松散层下多煤层重复开采对地表移动的影响,结合淮南矿区地质采矿条件,在分析顾桥煤矿重复开采地表移动规律的基础上,运用FLAC3D软件建立数值模拟模型,研究了重复开采地表变形规律,并建立了地表变形参数与采动次数之间的关系模型。研究表明:厚松散层下首次开采时地表下沉系数大于1,随着采动次数的增加,松散层逐渐被压实,地表下沉系数呈现线性增大的趋势,但3次开采后松散层已经压实,下沉系数趋于稳定,不再随采动次数增加而增大;达充分采动后,地表移动盆地范围不再增大,但受到采深增大的影响,主要影响角正切、边界角与采动次数之间均呈线性增大关系。该成果为研究厚松散层重复开采地表移动规律提供了理论依据和技术参考。      

薄冲积层下开采地表动态移动规律与特征

位于采煤影响区的高压线、输气输油管道、河道等设施对地表动态移动极为敏感。以甘肃某煤矿在金沙河下开采为背景,通过现场地表移动监测,获得薄冲积层条件下综放开采地表动态移动变形规律。研究表明：薄冲积层下综放开采地表具有下沉移动起始期很短、活跃期较长等特点。地表移动活跃期位于工作面前方110 m至工作面后方400 m范围内,历时185 d,期间地表点下沉量可达到该点总下沉量的90.7%;地表移动剧烈期在工作面后方50 m至150 m范围内,但剧烈扰动时间相对较短,历时约60 d。基于测点下沉曲线为S型分布、下沉速度曲线类似为正态分布特点,建立了考虑开采时间和工作面推进速度因素的地表下沉及下沉速度动态模型,并追踪刻画出地表测点往复式下沉与水平运动的轨迹。薄冲积层下开采,地表裂缝更易平行于工作面走向方向发育,并且随工作面的推进,地表裂缝具有前移和密集区向工作面外侧小范围扩大的时空特征。     

马坪岭煤矿地面岩溶塌陷分析

与马坪岭煤矿毗邻的某军工企业厂区附近发生地面塌陷,严重影响了企业的正常生产。为此需对马坪岭煤矿地面岩溶塌陷进行分析。通过收集资料与实地调查,认为地面塌陷是由于附近煤矿、老窑开采引发突水,长期疏干排水以及大量的抽取地下水造成的。为了以后能安全顺利开采,以-50m标高为界,根据老窑分布、地层岩性、未来采空区的涌水量,将开采区划分为水文地质条件复杂区和中等区。其中预测复杂区最大涌水量为1 792m3/h,易引发地面塌陷,目前不宜开采;中等区最大涌水量253m3/h,不易引发地面塌陷。并根据矿区构造特点,提出了在断层附近采取帷幕注浆方式,以减少断层导水性的预防措施。     

蒙陕深埋矿区工作面涌水量全生命周期演化规律

蒙陕深埋矿区属于新开发矿区,煤炭开采扰动下水文地质特征仍不清楚,基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题,其中工作面回采过程中和回采结束后的涌水变化特征研究处于空白,给井下排水系统设置和防治水工作开展增加了难度。为查清工作面回采前后的全生命周期涌水量演化规律,开展顶板含水层分布、导水裂隙带发育、涌水量变化等方面的实测研究。结果表明:煤层顶板地层均属于河流/河湖相沉积,空间上呈含隔水层互层状展布,隔水层的主要岩性为泥岩、砂质泥岩;受控于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的单斜构造,含煤地层高程在蒙陕接壤区最低,其顶板侏罗纪煤系含水层属于区域性地下水滞流区。煤层顶板地层在中生代沉积旋回作用下,发育了3层直接充水含水层,其中直罗组七里镇砂岩(Ⅰ号含水层)距离3-1煤层顶板77.4~109.4 m,呈富水强、水压高的特点;导水裂隙带实测高度为103.4 m,裂采比18.8,工作面回采过程中导水裂隙带将发育至Ⅰ号含水层。工作面回采前期,随着导水裂隙带向上发育沟通不同含水层,采空区涌水量呈阶段性增加,工作面回采至300 m左右,采空区涌水出现第一个峰值;工作面回采中后期,导水裂隙带持续周期性发育,导致顶板含水层破坏范围不断扩大,采空区涌水量仍呈台阶式增加;工作面回采结束前后,采空区范围内顶板导水裂隙带发育最强烈、范围最大,出现采空区涌水量最高值;工作面回采结束后,在其顶板隔水层中泥质组分的自弥合作用下,隔水层逐渐再造,导水裂隙宽度变窄、数量变少,采空区涌水量“缓坡式”衰减(每小时几十立方米以内)。对工作面涌水量实现全生命周期演化规律掌握,可以为蒙陕深埋矿区井下工作面防治水工作提供科学依据。      

蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中矿井涌水量变化特征

蒙陕接壤区侏罗系深埋煤层开采过程中,掌握不同阶段矿井涌水量变化规律,是保障煤矿安全的关键。从含水层发育特征、巷道掘进进尺、采空区半径等方面开展了相关研究,结果表明:蒙陕接壤区煤层顶板导水裂缝带范围内的3层复合含水层,富水性差异较大,分别对巷道掘进阶段和工作面回采阶段涌水量影响较大。煤矿建井阶段,矿井涌水量随着巷道掘进进尺增加而增加,但单位进尺涌水量变化不大,平均涌水量为0.008 32 m3/（h·m）。工作面回采前将钻孔水量降至5.0 m3/h以下,水压降至1.0 MPa左右,实现了顶板含水层静储量充分疏放目标。首采面和接续面回采阶段,矿井涌水量呈"阶梯式"平稳增加,矿井涌水量与采空区半径呈线性正相关关系。通过对侏罗系深埋煤层开采过程中矿井涌水量变化规律和影响因素的研究,可以为其他矿井建设和工作面回采提供安全保障和科学依据。      

厚松散层下开采地表动态移动变形规律实测及预测研究

为了掌握厚松散层覆盖地区地表在采动过程中的动态移动变形情况,以地表移动观测站实测数据为基础,获得厚松散层开采地表动态移动参数在开采过程中的变化规律,以及走向主断面方向上任意时刻、任意点的下沉速度预计公式。结果表明：当工作面推过最大下沉点170 m左右时,该点的下沉速度达到最大值,其值为22.85 mm/d;地表点最大下沉速度值及其滞后距随工作面开采距离的增大而增加,当工作面推进距离达到600 m左右后,两者增加的幅度逐渐减小,并分别达到稳定值22.00 mm/d和150 m,认为此后的采动过程是地表点下沉速度曲线以固定形状与工作面保持一定的滞后距随开采不断向前移动;参考国内松散层下开采案例,通过多元线性回归分析得到地表动态移动变形参数与地质及开采技术参数之间的关系式;最后根据动态移动参数在采动过程中的变化规律,建立了走向断面上任意时刻、任意点的下沉速度预测公式,通过预测值与实测值的对比,认为预测结果能够满足工程实践需要。     

Model Establishment for Ponding in Coal Mining Subsidence Areas and its Prediction: Case Study of Northern Jining,China

Mining in areas with a high phreatic water surface leads to groundwater exposure and the accumulation of the water in the subsidence basin. The calculation of the volume of water is of high importance. This paper analyzes the seasonal or perennial ponding caused by mining in areas with high phreatic water surfaces. With the help of digital elevation model, the estimated groundwater elevation, and the basis of a mining subsidence prediction model, a model of ponding in subsidence areas has been established. Using this model, the amount of mining subsidence ponding in northern Jining has been calculated. Furthermore, the evolution of ponding has been forecasted. Our experimental results indicate that the average depth of the ponding area is projected to be about 3 m after mine closure. The volume of the new perennial ponding is 0.2–2 million m³ per year and it is negligible to the river confluence in Jining. This model helps in the calculation of the amount of water in the subsidence area and the evaluation of the impact of mining subsidence area on the catchment, which would provide a certain basis for the reclamation and protection of water resources in the locality.