Visual MODFLOW在煤矿建设地下水环境影响评价中的应用 ——以甘肃省灵台县安家庄煤矿为例

结合甘肃省灵台县安家庄煤矿地下水环境影响评价实例,建立了评价区水文地质概念模型,并基于Visual MODFLOW对评价区地下水进行了数值模拟计算和验证;预报了设计开采条件下研究区不同含水层的地下水水位。预报结果表明:矿坑排水使得煤层所在含水层出现疏干现象,并且疏干范围随着开采范围的增加而不断扩大;在煤矿开采作用下,随着模拟时间的延续,煤系层上覆白垩系洛河组—宜君组含水层地下水位降落漏斗的范围及地下水位下降幅度不断增大,但降落漏斗的范围基本上不超过采空区范围;煤矿开采对白垩系环河组含水层无影响,至矿区开采期结束,未引起含水层水位下降;对上部孔隙、裂隙潜水含水层也无影响,至矿区开采期结束未引起含水层水位下降。     

矿山开发中的含水层破坏评估方法初探——以白山市恒基煤矿为例

本文以白山市恒基煤矿为例,在阐述矿区地质环境基础上,探讨了矿山开采中的含水层结构破坏评估方法,含水层水位、水量变化、和采矿活动对含水层水质造成的污染。最后提出了防治措施,为矿山地质环境恢复治理提供科学依据,也为其他矿山开采提供参考。     

湖南康家湾矿区地下水位的潮汐变化特征

康家湾铅锌矿区存在两个主要含水层,即上部含水层（Ｉ）和下部含水层（Ⅱ）,上部含水层富水性相对较弱,下部富水性较强,上下两层之间无水力联系。通过安装自记水位仪,发现下部含水层水位历时曲线具有日周期和月周期变化规律。通过介绍水位微动变化及其形成条件、产生原因等,试图从另一侧面认识和研究矿区水文地质条件,矿床开采技术条件等。     

地下水位下降对井壁破坏的影响分析

在用“２Ｄ σ”软件对所建模型进行数值计算的基础上, 分析了因采煤引起淮北矿区下部含水层水位下降而对井壁产生的影响。其表现为： 下部含水层水位下降将引起地层压缩沉降; 地层与井壁间产生附加应力, 并在基岩下部产生应力为零的中性点; 轴向应力由小变大; 当第一含水层和下部含水层同时有水位下降时, 也有类似的规律。计算结果与淮北诸矿井壁变形位置及变化状况基本相符, 因此在此基础上进行的井筒优化设计具有实际指导意义     

开采沉陷土体变形与孔隙水压相互作用研究进展

本文通过实验、实测和理论分析研究了开采沉陷土体变形与孔隙水压力之间的相互作用,结果表明,随着开采的进行,土体的应力变形发生变化造成了超静孔隙水压力的产生和消散,反映在土体变形上出现随开采时间延续而发展的附加压缩和膨胀变形,这种压缩或膨胀在土体的不同部位相互叠加,有时还叠加了底部含水层水位下降引起的地面下沉。这些结果揭示了厚松散含水层地区开采沉陷特殊性的机理,对开采沉陷预测及水体下采煤具有重要意义。     

工作面回采期间地下承压水位变化规律分析

根据煤矿开采岩层移动与覆岩破坏理论,运用地下水动力学基本原理,阐述了采动裂隙导水与采动变形压力作用使采动承压含水层水位变化的力学机制,并依此建立了采动承压含水层水位变化数学模型。结合铁煤(集团)公司大平矿三台子水库下N1S2综放开采工作面水文地质条件,通过编程计算得出工作面回采过程中白垩系下部承压含水层水位变化曲线,经与矿井水文监测系统实测数据对比,结果较为理想。     

榆神矿区最上可采煤层赋存规律及开采危害程度

为研究榆神矿区最上可采煤层赋存及开采对萨拉乌苏组含水层危害程度,依次分析了榆神矿区最上可采煤层赋存特征、最上可采煤层与上覆主要含（隔）水层空间分布规律及组合类型,基于基载比和采高的最上可采煤层覆岩导水裂隙带发育规律、煤层开采对萨拉乌苏组含水层危害程度,将榆神矿区开采受危害程度分为4类:自然保水区、保水采煤区（影响大区和影响小区）、采煤失水区及采煤无水区。结果表明:受构造及剥蚀作用影响,榆神矿区最上可采煤层及上覆基岩呈差异剥蚀,煤露头线从SE向NW呈阶梯状分布,最上可采煤层上覆基岩由NW到SE方向逐渐变薄。榆神矿区西部（三、四期）最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层危害程度小或没影响;榆神矿区东部（一、二期）最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层危害程度大。      

淮南市朱集东矿井新生界松散层地下水开采保证程度评价

利用淮南市朱集东矿井新生界松散层供水水文地质勘探成果和抽水试验资料,查明了区内新生界松散层供水含水层的供水水文地质条件,认为第一含水层埋藏浅,易受污染,水量随季节变化大,不宜作为生活饮用水供水水源,第三含水层水质较差,亦不作为生活饮用水供水水源,确定了第二含水层为矿区主要供水层位。采用解析法对第二含水层的水量进行了计算,并设计了布井方案,计算了井群水量;水位预报结果表明,开采50a后,3#、4#井中的水位最大降深为35.229m,小于其顶板埋深,说明拟建井群布置是合适的。评价结果为矿井供水设计提供了依据。     

地下水位下降对井壁破坏的影响

淮北某些矿区井筒变形、破坏严重,其主要诱发因素是下含水层水位下降而产生的附加应力。运用[2D-σ]软件进行了数值模拟认为:由于地下水位下降,地层与井筒发生相对位移而产生剪应力,其大小与水位降深和相对位移成正比;轴向应力随深度变化小,而随下含水层水位下降而增大;井壁破坏首先发生在其内缘,并逐渐向外扩展,破坏度沿深度方向增大;一含和下含同时有水位降时,轴向应力和剪应力的变化与单一含水层水位下降时相似,但轴向应力变化幅度明显增大,剪应力在上部含水层处增加。模拟计算分析结果与淮北地区井壁变形、破坏情况大体一致。      

基于Cosserat力学理论的地面沉降研究

近年来上海及苏锡常地区的地面沉降出现了含水层砂土持续变形的新特征,现有的地面沉降理论无法完全解释与预测此现象。地下水长期开采会在含水层中形成水力漏斗,如果抽水井在一定范围内密集分布,就将在含水层中较长距离内形成水力梯度,从而产生无法忽视的剪应力,剪应力不断累积将导致含水层变形及地面沉降。含水层水位下降引起的土层中剪应力累积是造成含水层变形问题的重要原因,传统的Cauchy力学理论因为模拟单元较小,存在剪应力互等的假设而无法计算此部分剪应力;而Cosserat力学理论考虑了介质尺度的影响,可以计算连续体中的非对称剪应力分布,因而能够考虑由水位变化产生的剪应力引起的含水层变形。     

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。     

我国首例离层注浆减沉试验的再思考

20a前在抚顺老虎台煤矿512采区进行的我国首例离层注浆减沉试验为探索煤矿可持续开采技术提供了宝贵经验。试验采区地表下沉比预计小的真正原因是采空区密实水砂充填(充满率为70%~85%),覆岩中巨厚绿色页岩层遇水碎胀(碎胀率为185%)和大采深极不充分采动(采动程度系数为0.14)。离层注浆主要起到了使绿色页岩层碎胀的作用,而留在覆岩离层中的粉煤灰量极少(只占煤炭采出体积的3%)难以起到减沉作用。试验结果说明该技术在缓沉方面比减沉更有效。     

基于Weibull时间序列函数的动态沉陷曲线模型

研究开采沉陷灾害发生及发展的动态过程具有重要的理论意义和工程应用价值。因采场上覆岩层及采矿过程的复杂性,全面研究采矿过程中上覆岩层的移动及地表的沉陷具有很大的难度,以研究地表沉陷区观测点下沉变化过程的时间序列为切入点,对开采沉陷的动态过程进行了研究。通过研究地表沉陷区观测点下沉量的时间序列发现,Weibull（韦布尔）函数可较准确地拟合和描述地表观测点的下沉过程曲线。煤层开采地表移动过程的FLAC3D模拟研究发现,同一沉陷区内各观测点的下沉过程在时间和空间上具有独立性。在该基础上,将概率积分沉陷曲线模型与Weibull时间序列函数相结合,给出沉陷区主剖面的动态下沉、倾斜和曲率曲线的唯象学模型,经实例证明建模思路是可行的。     

急倾斜煤层开采地表沉陷的渐近灰色预测

煤层开采所引起的地表沉陷是一种严重的矿区地质灾害。煤层的倾角、厚度等物理条件是地表沉陷的主要影响因素。在水平煤层或缓倾斜煤的开采过程中，由于地层倾角小，地表沉陷具有较完整的规律性，其预测效果也比较理想。但是，在急倾斜煤层的开采中，由于地层倾角较大，赋存条件和地质体物理力学性质的差异，增强了地表下沉的非线性特征，使地表沉陷具有不确定的表现规律。文章对重庆市南桐矿区东林矿的地表沉陷非线性特征进行了探讨，得到了东林煤矿地表下沉曲线的分形维数是1．07。在岩层移动这个系统当中，既含有已知的又含有未知的或非确定的信息，可以作为一个灰色系统来研究。岩层控制系统的状态、结构和边界条件难以精确描述，属本征性灰色系统。文章针对东林煤矿地表下沉曲线非线性较弱的性质，提出用一种基于GM(1，1)的渐近预测模型对东林煤矿42个月的地表下沉量时间序列进行探讨。结果表明，这种模型对急倾斜层开采地表沉陷的预测是一种行之有效的方法。通过对其他工程实例的应用分析，进一步证明这种渐近的灰色预测方法具有相对较高的精度，是一种比较实用的地表沉陷预测方法，具有广泛的工程实用空间。     

常州市地面沉降以及用水化学标志研究的探讨

常州市过量开采第Ⅱ承压含水层的水使水位大幅度下降,造成含水砂层压密和粘性土层固结而导致地面沉降。试验资料表明该区粘性土层的压缩性较低,它们的压密主要是由主固结阶段完成的。视压榨液,浸提液成分和含水层多年水质的变化,以及抽水时水质与氚量资料说明粘性土层释水在造成本区地面沉降中起着相当重要的作用。这种条件下,用对含水层水化学成分的检测来监视地面沉降的发生、发展是一个经济可靠的方法。     

岩层及地表移动与冲击地压相关性研究

对岩层及地表移动规律的观测、室内试验和数值计算分析表明,采动覆岩层沉陷运动的不协调性造成裂隙带上部弯曲带岩体中产生大范围的离层空隙。随着工作面的推采,离层空隙周期性悬露垮断构成了上覆岩层及地表移动变形运动的不同特征。根据现场观测,砾岩层运动是矿井冲击地压发生的主要力源,地表下沉速度发生剧烈变化,冲击地压发生的频率较高,地表产生反弹时更为危险,且随着砾岩层的运动,冲击地压发生周期性变化。     

In situ investigation into fracture and subsidence of overburden strata for solid backfill mining

Controlling the subsidence of overburden strata is the main objective for backfill mining technology. In order to understand the controlling effect of filling body, a detection scheme with three direction boreholes was designed in the tailgate of T₃290 mining face in Tangshan Coal Mine to monitor the fracture developing process of overburden strata. In addition, a few displacement and stress sensors used for monitoring the roof subsidence and filling body stress were arranged behind the longwall face to monitor and record the force and deformation of gangue. The field investigation shows that the solid backfill mining technology can effectively reduce the fracture of overburden strata, i.e., the fracture height and the damage degree. The subsidence of overburden strata is mainly caused by the subsidence of roof which is divided into four stages: roof subsidence stage of mining face, rapid subsidence stage of gob roof, relatively stable stage, and long-term rheological stage. The gauge plays an essential role in slowing down the subsidence in each stage of the overburden subsidence, especially the relatively stable stage.     

影响覆岩离层注浆减沉效果的地质因素

煤层开采后,采空区上覆岩层内产生离层现象,注浆充填离层可以减小地面沉陷。覆岩离层注浆减沉效果受离层带地层条件、离层围岩透水性和工程地质特性的影响,表现为离层的形成、宜于注浆的离层带的位置、注浆液的保存与支承力的维持。      

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。     

天津市地下水流-地面沉降耦合模型

天津市平原区地面沉降主要由地下水大量开采引起,影响范围广、危害大,已成为天津市主要的环境地质问题。分析了研究区的水文地质条件,结合地下水开发利用状况,将研究区概化为6个含水层组,地下水流考虑三维非稳定流,地面沉降选用一维固结压缩模型,运用地下水流模型Modflow 2005和地面沉降模拟模块 Sub,建立了天津市平原区地下水流-地面沉降数值耦合模型,模型面积为1.1×10⁴ km²,利用1998-2008年地下水位等值线、过程线、地面沉降过程线等资料对模型进行了识别。模拟期的地下水均衡分析表明,在多年开采条件下,越流补给、压缩释水、侧向边界流入分别占深层含水层补给量的41.84％、32.15％和24.17％。将调试后的模型应用于南水北调实施后地下水控采条件下的地面沉降趋势预测,显示出停采或减少地下水的开采,有利于减缓地面沉降下降速度,且表现出开采层位越往下,地面沉降恢复难度越大的变化趋势。