基于煤矿井地下水含水系统的矿井涌水量预测方法—释水-断面流法

在非充填式开采矿井,煤层顶板会出现周期性冒裂,形成以裂隙层、空隙层叠置而成的二元结构体为基本特征的矿井地下水含水系统。二元结构体所及含水层的弹性、重力释水,及其边界过水断面的汇(渗)水,共同构成矿井涌水。将采空区概化成四面进水的箱形模型。根据地下水动力学理论,分别给出了弹性释水流量公式、重力释水流量公式及断面流量公式,进而得出矿井新的涌水量预测(计算)方法:"释水-断面流"公式。基于矿井地下水含水系统新的矿井涌水量预测方法,可给出工作面不同推进距离(或不同推进时间段)、不同水文地质条件(水文地质参数分区)的矿井涌水量。     

华北型煤田矿井岩溶水涌(突)出机理与涌(突)水量预测方法探讨

北方岩溶水系统的形成与相关河流的发育贯通相辅相成。不同的岩溶水系统模式表现出不同的地下水动力学特征,岩溶水径流带控制的岩溶水网络系统是北方岩溶水系统的基本特征。天然状态下,华北型煤田煤层顶板砂岩地下水系统与底板岩溶地下水系统有水力联系的区域,是矿井岩溶水涌(突)出的危险区。煤矿采掘工程打破了煤层顶、底板地下水系统水压力平衡,在压差作用下,承压岩溶水的"压裂"作用对构造煤系发育层段的疏通有着重要作用。承压岩溶水的释放或涌(突)出,是岩溶承压含水层弹性贮存量的释放,岩溶水运动属非稳定流。将断层等线形过水断面概化成环状井(孔)过水断面,则可用定降深非稳定流承压井流方程,预测可能的岩溶水涌(突)水流量及其变化规律。对流量函数Q(t)定积分,则可预测任意延续时间段的涌(突)水量。基于承压岩溶水弹性释放的非稳定流矿井岩溶水涌(突)水量预测方法,突破了岩溶水涌(突)水量无法预测的禁锢,对提升矿井岩溶水防治水平,解放华北型煤田下组煤有积极、重要意义。     

宁夏红柳煤矿水文地质特征及首采工作面涌水分析

红柳煤矿属宁夏东部大型国有煤矿,投产仅半年,矿井首采工作面就发生较大规模的涌水4次,最大涌水量达3000m3／h,造成了较大的经济损失。在分析矿区水文地质条件和涌水特征的基础上,对矿井水文地质条件进行了评价,总结了工作面涌水特征。研究发现,直罗组砂岩裂隙孔隙承压含水层地下水是井下突水的主要水源．顶板导水裂隙带是矿井的主要充水通道;工作面突水呈现周期性特征,并与老顶周期性垮塌步距基本一致;涌出水总量与工作面推进距离及开采面积呈正相关;随着工作面开采面积的增大,工作面稳定涌水量也随之增大;顶板的岩性及其组合特征为离层储水空间的形成提供了条件;离层水的形成是矿井涌水量较大的主要原因。研究成果对该矿乃至宁东地区煤矿安全生产和矿井防治水措施的确定具有一定的指导作用。     

徐州东部废弃矿井地下水流场演化模拟初探

以徐州东部废弃矿井为例,太原组灰岩含水层为研究对象,通过建立废弃矿井地区地下水流系统模型,运用数值模拟技术对区域地下水流场演变过程进行研究,揭示矿井废弃地区地下水流场演化的一般规律为:煤矿关闭前,为满足生产生活需要,矿井进行大量排水、抽水工作,矿区形成若干降落漏斗,如位于矿区西部的青山泉煤矿和北部的韩桥煤矿内均存在大面积降落漏斗,中心水位低于-25 m。受水力梯度影响,地下水向低洼的矿坑处汇集,原生地下水流系统遭到破坏。矿井闭坑后,原有排水系统全部停止工作,地下水位缓慢回升,降落漏斗逐渐减小,根据模型模拟结果,发现水位回升速度随矿井关闭时间的增加而减慢:在矿井关闭第1年内,水位回升速度较大,为1.14 m/a;关闭第3年时,水位回升速度减少至0.165 m/a;矿井关闭10年时,地下水最高水位为-16.55 m,从关闭第3年至第10年的7年时间内,水位回升速度仅0.039 m/a,矿区地下水流系统得到恢复,模拟区最终形成自北向南的近似稳定的地下水径流场。     

徐州东部废弃矿井地下水流场演化模拟研究

以徐州东部废弃矿井为例,太原组灰岩含水层为研究对象,通过建立废弃矿井地区地下水流系统模型,运用数值模拟技术对区域地下水流场演变过程进行研究,揭示矿井废弃地区地下水流场演化的一般规律为:煤矿关闭前,为满足生产生活需要,矿井进行大量排水、抽水工作,矿区形成若干降落漏斗,如位于矿区西部的青山泉煤矿和北部的韩桥煤矿内均存在大面积降落漏斗,中心水位低于-25 m。受水力梯度影响,地下水向低洼的矿坑处汇集,原生地下水流系统遭到破坏。矿井闭坑后,原有排水系统全部停止工作,地下水位缓慢回升,降落漏斗逐渐减小,根据模型模拟结果,发现水位回升速度随矿井关闭时间的增加而减慢:在矿井关闭第1年内,水位回升速度较大,为1.14 m/a;关闭第3年时,水位回升速度减少至0.165 m/a;矿井关闭10年时,地下水最高水位为-16.55 m,从关闭第3年至第10年的7年时间内,水位回升速度仅0.039 m/a,矿区地下水流系统得到恢复,模拟区最终形成自北向南的近似稳定的地下水径流场。     

矿井涌水量动态预测非稳定释水-断面流法

我国北方煤田上覆地下水系统含水层以砂岩为主,是矿井主要充水水源。除浅部、露头区外,上覆砂岩地下水系统总体上构成非径流型蓄水构造,弹性贮存是其地下水主要赋存状态,压力传导、局部渗流为地下水动力学模式,矿井涌水主要为承压含水层弹性释放。非充填开采,煤层上覆地层周期性冒裂形成冒裂二元结构体,其自身释水(弹性、重力)与其外侧含水层断面弹性释水叠加形成矿井涌水。冒裂二元结构体释水随冒裂周期发生,时间短暂。外侧含水层断面释水可用非稳定流定降深沟(渠)流方程描述,进而获得外侧含水层断面释水单宽流量。外侧含水层释水断面随冒裂周期性延展累积,迭代更新,矿井涌水流量随之变化。在研究、刻画外侧含水层释水断面延展、迭代时空规律基础上,给出含水层断面释水流量预测方法、公式,与冒裂二元结构体自身周期性释水流量叠加,获新的矿井涌水量预测方法—非稳定释水-断面流法。     

基于全生命周期的矿井水利用技术模式

煤炭是我国重要的基础能源资源,煤炭开采引发诸多的生态环境问题,此外煤矿关闭后还存在矿井水酸化污染河流和地下水水环境等问题。在分析研究煤矿开采技术历史的基础上,针对煤矿生产和后生产周期存在的环境问题,基于煤炭生产全生命周期的理念,提出适用于煤矿全生命周期的矿区周边供水、生态采煤用水两种模式,其中生态采煤用水模式分为矿井水灌溉系统、矿井水生物工厂两种亚模式。进一步将矿井水灌溉系统、矿井水生物工厂划分为煤矿矿井水联合浇灌、煤矿矿井水生态灌溉、煤矿矿井水无土农业栽培和煤矿矿井水生物能源4个系统,并对各个系统的特征及其应用情况进行了介绍,不仅解决了煤炭开采过程中引发的生态环境问题,创造了较好的经济效益和社会效益,而且解决了因煤矿关闭(后生产周期)而引发的生态环境问题。     

榆神矿区煤矿防治水的几点思考

为了科学解释榆神矿区矿井涌水量较大的涌（突）水事件,为煤矿防治水奠定基础,分析了近年来区内发生的突水事件及矿井较大涌水情况,提出矿井较大涌水形成机理、红土层水文地质性质、矿井涌水量预测的准确性等疑问,阐述了突破“井田”范围,从区域上研究地下水系统和突水水源,关注延安组、直罗组、安定组、洛河组等砂岩弱富水含水层,从导水裂隙带中寻找突水水源,科学评价各岩（土）层的水文地质条件,采动岩层（含水层）渗透性演化以及探索矿井水害源头预防和区域治理思路等几点思考,提出应该从区域上认识水文地质条件及对煤矿涌（突）水的“贡献”,揭示矿井较大涌水形成机理,进一步加强水文地质补充勘探,准确识别含水层、隔水层及其空间赋存关系,探测大采高、大采面环境下导水裂隙带发育规律,并提出从区域上识别地下水强径流带和局部富水区的基础上,制定矿井水害防控措施的思路,为榆神矿区煤矿水害防治提供借鉴和帮助。      

蒙陕接壤区煤矿采空区水-岩系统中氟来源及释放规律

采空区是高氟矿井水形成的关键区域,其水-岩系统中氟的来源与溶解释放决定了矿井水中氟的富集或贫化。针对蒙陕接壤区3-1煤采空区矿井水氟来源及释放规律不清晰问题,采用水化学测试、岩石矿物成分分析、矿物扫描电镜与能谱检测,以及室内水-岩作用仿真模拟试验,查明矿井水氟物质来源与赋存载体,揭示岩石中氟释放规律。结果表明：研究区3-1煤矿井水水化学类型主要为HCO₃-Na与SO4-Na型,3-1煤采空区矿井水氟浓度高于3-1煤生产工作面的矿井水浓度,且采空区矿井水pH、Na⁺/Ca²⁺浓度比均大于工作面矿井水。3-1煤采空区矿井水F-的物质来源为泥岩与粉砂岩,2种岩石中氟平均含量分别为741、610 mg/kg,氟在固相中的主要赋存载体为蒙脱石、高岭石、伊利石及绿泥石。采空区水-岩系统中氟的释放受岩性、粒径、pH、温度及Na⁺/Ca²⁺浓度比5个因素影响。其中,泥岩及粉砂岩中的氟比细砂岩中的更容易释放进入水中;无论何种岩性,随着粒径的减小,氟释放F-的浓度增大;此外,碱性、高温及高钠低钙的...     

老公营子煤矿煤层顶板突水机理

为探查内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司老公营子煤矿Ⅰ03(2)工作面突水机理,从工作面涌(突)水量、含水层地下水位、突水点水质3个参数的动态变化判别了突水水源,认为第四系含水层水的参与使矿井涌水量变大而引发突水;从导水裂缝带发育高度、有效隔水层性质、基岩风化带厚度3方面分析了导水通道的形成过程,认为由导水裂缝带、顶板含水层水压作用下的渗流通道和基岩风化带组成的复合导水通道是突水发生的原因。揭示了煤层顶板突水是在特定地质、采矿条件下发生的一个动态变化过程,导水裂缝带是否波及主要充水含水层并非突水是否发生的唯一判据。      

注浆充填保水置换煤炭技术实践

新方矿井位于山东省潍坊市坊子区南部,区内地表水缺乏,地下水严重不足。新方矿井4201下山采区地质构造复杂,回采中断层带及附近易发生底板突水,影响工作面安全生产,需留设较多的断层防水煤柱,煤柱内压煤量大。为充分开采煤炭资源,同时有效保护煤层底板太古界花岗片麻岩水资源,确保矿井可持续发展,采用回采工作面超前注浆充填断层破碎带的措施,封堵底板导水裂隙,实现防止底板大量涌水,达到充分开采置换煤炭资源的目的。以该采区3#工作面为例,介绍了注浆钻孔的布置原则及施工过程,进而对保水效果进行了评价。回采证实,工作面注浆充填后,涌水量大幅降低,可确保工作面安全回采,同时有效保护了地下水资源,对减缓潍坊市"水量性缺水"现状起到了积极的作用。     

铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治

陕西铜川玉华煤矿一盘区1418工作面,回采期间发生多次突水事故,对煤矿的正常生产和人员的生命安全构成严重威胁。从本井田地质和水文地质资料入手,分析了工作面突水的背景、水源、通道等,得出洛河组下段砂岩裂隙含水层水为离层空间充水的主要水源,煤层采动后形成的导水裂隙带为主要的导水通道。通过理论分析和模拟研究覆岩移动破坏规律,分析确定导水裂隙带发育过程和离层空间可能发育的位置,离层水形成、发展及突水过程,从而总结出玉华井田1418工作面顶板离层水突水机理,为矿井后期实现安全高效生产提出切实有效的防治水措施打好基础。      

基于岩相古地理的黄淮平原原生劣质水发育特征分析

黄淮平原水资源严重短缺,原生劣质水非常发育,水资源供需矛盾十分突出,属于我国典型的资源型缺水和水质型缺水区。文章基于对黄淮平原第四纪各个时期岩相古地理演变的详细刻画,分析了原生劣质水的空间发育特征,旨在研究其与沉积相的相关性。结果表明：原生劣质水基本分布在河间带相、河间洼地相、扇间洼地、浅湖相和沼泽洼地相等古地形闭塞、排水不畅、水平径流滞缓的沉积相中,尤其是溶解性总固体含量(TDS)> 3000 mg/L的咸水、氟化物> 2.0 mg/L的高氟水、铁含量11.98 mg/L的高铁水和锰含量6.43 mg/L的高锰水均分布在上述沉积相范围内,据此充分论证岩相古地理演化对水文地质结构场、水化学场和原生劣质水发育特征的决定性影响。通过分析原生劣质水的成因环境,为进一步详细刻画原生劣质水的平面和垂向发育特征提供依据,并在黄河冲积扇及河道带相、冲积-洪积扇相等主流相内,结合地球物理勘探方法进行洁净地下水勘查,初步形成“岩相古地理分析—主流相圈定靶区—物探确定层位—成井供水”的勘查供水模式,为缺水区安全供水提供新的思路和方法。     

祁东煤矿顶板“导裂”高度的分析判别

新建矿井对导裂带高度设计一般采用矿井规范经验公式,祁东矿松散层发生的特大突水事故说明在水文地质条件复杂的矿井使用规范经验公式有误差.该矿采用钻孔探查导裂带高度取得良好效果.对该矿八个“两带”孔导裂高度分析后认为：同一工作面裂高差异明显,与原生裂隙发育程度有关.建议在水文地质条件复杂的矿井应布置专门“两带”孔,为矿井留设安全煤柱提供依据.     

左江中游岩溶峰林区河流交互带水化学特征与控制因素

岩溶交互带是连接岩溶含水层与地表河流的重要通道,对河流和地下水水质具有重要的保护作用。本研究选取左江中游岩溶峰林区河流交互带为研究对象,在丰水期(8月下旬)和平水期(10月下旬)对交互带内机井的水化学进行现场测试分析,并结合地下水流动系统理论探讨左江两侧岩溶交互带空间分布特征和控制因素。研究结果表明:左江水的电导率(EC)较小、Ca^2+、HCO3^-浓度较低,两岸机井中增高;pH、温度、DO的变化则相反,呈现出左江高,两岸机井中降低;交互带内形成了具有DO、pH值梯度、温度梯度、Ca^2+和HCO3^-梯度的混合区。左岸岩溶区补给径流面积大,地下水流动系统范围大,流线密集,岩溶十分发育,形成岩溶管道系统;右岸为左江包围的河间地块,地下水流动系统范围小,补给面积有限,流线稀疏,岩溶发育深度和强度受到限制。左江两岸不同规模的地下水流动系统导致两岸岩溶发育强度明显不同,造成河流交互带范围的巨大差异,左岸的范围大于1000m,而右岸的范围在200m以内,左岸是右岸的5倍以上。本研究有助于左江沿岸地下水的开发利用和水质保护。     

矿区流域不同水体同位素时空特征及水循环指示意义

为了探究平朔矿区所在流域不同水体同位素的时空变化规律,揭示采煤活动下区域水循环规律,于2020年8月和12月对流域内地表水、地下水和矿井水进行采样,测试样品的D和¹⁸O同位素组成,并利用贝叶斯混合模型MixSIAR计算了矿井水不同来源的贡献率。结果表明：(1)地表水和矿井水δD和δ¹⁸O夏季较冬季高;地下水δD和δ¹⁸O季节差异不明显。地表水氢氧同位素值沿程呈增加趋势,但局部受到矿井水的补给,出现贫化;地下水氢氧同位素值沿径流方向呈逐渐增加趋势。(2)采煤区氢氧同位素值较非采煤区明显增加。受季节效应影响,在空间分布上8月浅层地下水氢氧同位素高值区域较12月明显增多。(3)δ¹⁸O与δD关系图表明,地表水在接受大气降水的补给之后受到了蒸发分馏作用的影响;浅层地下水的补给源较复杂,深层地下水由于采煤形成的导水裂隙带受到了浅层地下水和地表水的补给;矿井水受地表水、浅层地下水和深层地下水的补给。(4) MixSIAR模型揭示出深层地下水是矿井水的主要补给来源,占61.60%～67.20%,且补给比例冬季大于...     

关闭/废弃矿井地下空间资源精准开发利用模式研究

随着煤炭绿色资源的不断开采,位于煤炭开发利用全周期末端的矿井关闭\废弃问题逐渐显现,随之而来的关闭/废弃矿井地下空间资源开发利用成为一个亟须解决的问题。在对我国废弃矿井现状统计分析的基础上,以能源开采造成的地下空间方位、形态差异化为依据,将关闭/废弃矿井地下空间资源分为采空区空间资源、巷道空间资源、硐室空间资源;探讨了空间资源作为能源存储场所的单一利用方式和多方向、多领域协同多元开发利用的关闭/废弃矿井地下空间资源利用方式;并由此提出了一种关闭/废弃矿井地下空间分类分级精准利用模式,构建调研分析、工程类比初判、模型构建详估和软件决策系统研发为主干流程的精准开发利用系统,通过精准利用模式与精准开发利用系统模型对单一和多元开发利用方式进一步分析,为关闭/废弃矿井空间资源开发利用的研究和实践提供参考。      

我国关闭/废弃矿井资源综合利用形势分析与对策研究

长期的矿产资源开采形成了数量众多的关闭/废弃矿井(山),包括煤矿、金属和非金属矿等。矿井关闭废弃后仍赋存着方方面面的可利用资源,除了伴生的各种矿产资源外,还拥有巨大的地下空间资源(采空区和巷道),特别是部分井下仍然有多种废弃物(设备、材料等)和空间设施可再利用。通过总结一些关闭/废弃矿井资源综合利用状况,研究其功能定位和综合利用战略,并提出将关闭/废弃矿井资源综合开发利用与国家和区域经济、社会发展统筹部署的思考与建议。     

关闭矿井地上/下资源定量评估与转型路径探讨

随着我国关闭矿井数量逐年增加,对关闭矿井资源进行高效准确评估,实现关闭矿井转型升级,对煤炭行业发展乃至社会稳定具有重要战略意义。以陕西朱家河中型矿井为例,分析了关闭矿井地上/下资源特征及类型,提出了采用现场实测、探地雷达以及低空数据估算关闭矿井地上/下资源方法。研究表明:朱家河矿井井筒、大巷、井底车场及硐室可利用空间约为1.18×10~5 m~3,井下残留煤柱资源量达5 600万t,工业广场办公区、生产区、生活区以及辅助生产区空间容积达8.3×10~8 m~3;通过与现场实测结果对比分析,验证了探地雷达以及低空数据在关闭矿井空间资源评估方面应用的可行性;预估了2030年全国关闭矿井的空间容积。探讨了朱家河关闭矿井地上/下资源转型发展新路径,如构建井下储气站、井下水库和污水处理厂,开发矿区新农业,建立地下空间疗养院以及井下残留煤炭资源流态化开采等,形成的矿井转型发展技术体系可为关闭矿山资源评估及转型发展提供借鉴。     

山西富东煤矿水害类型分析及其防治建议

富东煤矿主采煤层为石炭系上统太原组8、9、12、15上、15下号煤。近年来,随着开采水平的不断延伸,矿井水害日益呈现,对采掘工作面人员及安全生产构成威胁。以涌水水源与导水通道为划分原则,将整合后的富东煤矿面临的水害类型划分为采(古)空区及相邻矿井开采积水水害、含水层突水水害、断层破碎带突水水害、岩溶陷落柱水害以及地表水体突水水害,并分析了各种水害类型特点及其对煤矿安全生产的影响程度,认为在煤层开采过程中,导水裂隙带直接进入第四系松散强含水体或断层破碎带,若支护不当,雨季沟谷中的地表径流、各种含水层中地下水以及上覆煤层采空区积水都会通过断层及陷落柱等导水构造发生水力联系,对矿井造成威胁。指出了矿井水害防治重点,并提出了相应的防治水建议。