论保水采煤技术体系

保水采煤研究是我国西北部生态脆弱矿区水资源保护与煤炭高质量开发的理论基础和依据。针对西北部生态脆弱矿区高强度开采对含水层及生态系统的影响和损害问题,阐述了保水采煤的发展历程和科学内涵,保水采煤研究经历了萌芽期、形成期、发展期和成熟期4个阶段,目前已经形成较为完善的技术体系,主要表现在保水采煤理念被广泛接受,保水采煤技术广泛推广应用,保水采煤的效果监测体系已经建成,保水采煤的标准规范体系初步形成。研究认为保水采煤的核心目标是保护具有供水或生态意义的目标含水层结构基本稳定。通过研究分析采煤对含水层扰动评价技术、保水采煤地质条件分区技术和导水裂隙带发育高度预测技术等8项综合保水采煤技术的技术原理、适用条件及工程应用效果,构建了保水采煤的技术体系研究基本框架,为我国西部大型煤炭基地绿色开采、科学开采提供理论与技术支撑。     

西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展

我国蒙陕接壤深部矿区主采煤层赋存地质与水文地质特征较之浅部矿区差异较大。文章通过系统分析呼吉尔特、台格庙、新街等蒙陕深部矿区主采煤层地质、水文地质特征以及采动导水裂隙等相关研究成果,总结出巨厚白垩系孔隙−裂隙含水层作为矿区保水目标层,在侏罗系安定组砂质泥岩弱隔水关键层间隔保护下,在煤层开采驱动下易形成典型的间接涌(失)水模式。并以研究区案例矿井为分析对象,数值模拟深部煤层开采过程中地下水流场变化规律。结果显示,煤层回采扰动下地下水流场以采掘空间为中心形成降落漏斗,并随着回采进尺的增加,降落漏斗影响范围与工作面总涌水量均增加,上部白垩系含水层越流失水量增加幅度小于总涌水量增加幅度,模拟结果与案例实测结果基本一致。最后,针对深部煤炭资源开采与研究区水源地保护“煤−水矛盾”问题,以保护白垩系含水层地下水水位为目标,提出以白垩系为回灌层、安定组顶部为终孔层位、注水井尽量远离煤矿区为基本原则的白垩系含水层地下水水位钻孔注水帷幕保护思路。并模拟分析案例矿井在正常开采与注水帷幕墙体建设条件下白垩系含水层地下水流场的变化规律,结果显示“钻孔注水帷幕”在低渗透性含水层水位保护具有较好的可行性,对于深部矿区煤层开采顶板水资源保护具有借鉴意义。

     

小庄矿井采煤对地下水的影响及保水采煤措施

针对煤炭开采易造成地表塌陷及含水层破坏等问题,采用类比法计算了彬长矿区规划新建的矿井——小庄矿井开采导水裂缝带高度,在此基础上分析了采煤对地下水的影响,并提出保水采煤的措施。经计算,采用分层开采时产生的导水裂隙带最大高度为147.84 m,在三盘区将导通安定组隔水层,造成宜君组、洛河组承压含水层破坏,导通区域面积为0.773 6 km²。因此,在可能导通的区域应进行保水采煤以保证安定组隔水层的稳定,从而达到保护具有供水意义的含水层和保障矿井生产安全的双重目的。     

我国露天煤矿水害特征与防治水技术

露天开采是我国煤矿开采的两大方式之一。与地下开采煤矿类似,露天煤矿在开采过程中同样面临防治水问题,由于我国露天煤矿水害类型相对单一,国内学者鲜有对露天煤矿的水害特征和防治水技术进行深入研究。以我国露天煤矿分布范围为出发点,从充水水源、充水通道、充水强度3方面分析露天煤矿水害特征,得出大气降水、地表水和浅层地下水是主要充水水源;人为开挖形成的直通式通道、强渗透含水层或透水层、垂向导水钻孔、滑坡形成的地表裂缝等是主要充水通道;季节性变化明显、疏排水周期长、排水量大是露天煤矿疏排水主要水害特征的结论。归纳目前我国露天煤矿常用的7种防治水技术,提出露天煤矿由远及近、由上而下、由面至点的立体防治水技术体系。从地下水资源保护和生态环保角度出发,为实现露天煤矿绿色开采和可持续发展,提出以切断补给通道、减小矿坑疏排水量为目的的帷幕截流技术是今后露天煤矿防治水的主要技术方法。     

含水系统概念与保水采煤思路探讨以神南矿区为例

中国煤炭资源开采的重心正逐渐向中西部转移,然而干旱半干旱的气候条件,脆弱的生态环境,特别是煤炭开采将对本就不丰富的水资源产生重要的影响,严重制约了这一地区的煤炭生产。本文以位于陕北地区的神南矿区为例,探讨了在该地区进行水资源保护性开采,即保水采煤的科学问题。在分析中,将矿区含水系统的概念引入到保水采煤思想中,并讨论了这一系统应具有整体性、相关性、动态性、变异性的特点,认为应将矿区内水资源作为一个系统来统筹考虑。对于这样一个含水系统,在输入（降雨和基岩裂隙水）增加、输出（地表水系排泄）减少的情况下,滞留在系统内的总水资源量是增加的。在此基础上认为,由于采矿而引起的含水层适当的渗漏是有利于保水采煤的。     

露天煤矿开采侧向帷幕控水原理与截水效果数值分析

露天煤矿开采过程中的矿坑疏排水是引起地下水资源流失的重要原因,寻求新的控水方法势在必行。以内蒙古赤峰市元宝山露天煤矿为研究对象,根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征,分析了露天开采驱动下帷幕墙体建设对地下水系统控制的基本原理,得出帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大、与补给水体距离越近是帷幕墙减少露天采坑涌水的基本思路。将露天采矿疏排水与地下水系统数值仿真研究结合,对露天煤矿开采与帷幕墙建设对矿坑疏排水强度影响程度进行预测分析,模拟结果显示,采用针对主要涌水段的局部帷幕工程方案,地下水仍然以露天矿采坑为降落漏斗中心,区域流场形态基本未发生重大变化,在未帷幕区段地下水发生了强烈的侧向绕流现象,初期(300 d)矿坑残余涌水量较之现有矿坑排水量最大减幅 37.16%,而残余涌水量随时间增大趋势明显。按准全封闭型帷幕方案建墙后,地下水基本未发生绕流现象,矿井残余涌水量为先减小后增大的趋势,最大减幅达85.79%,且后期涌水量增加幅度不大,可见准封闭型帷幕建设方案较之局部帷幕方案对矿坑整体涌水量的减排作用显著。通过分析露天煤矿开采侧向帷幕控水规律,构建帷幕阻水条件下地下水系统仿真模型,评价帷幕截水减排效果,以期为露天矿区煤–水资源协调开发提供科学依据。      

陕北生态脆弱区保水采煤地质条件分区类型研究

生态脆弱区如何实施水资源保护性采煤是一项重大的研究课题,开展相关水文地质工程地质条件勘探测试,进行地质条件分区的研究,是实施保水采煤的重要基础和前提。以陕北典型矿井为例,在勘探测试的基础上,进采前、采后现场压水试验及室内模拟开采覆岩变形破坏过程渗透性变化试验测试等,结果表明煤层采动对上覆岩土体渗透性有不同程度影响。基岩中粉砂岩、泥岩开采前渗透性较小,可作为弱隔水层;煤层开采后,整体移动带内基岩的渗透性出现不同程度的增大,渗透系数提高了约1个数量级,而红黏土渗透性变异不明显,表明红黏土为采后的关键隔水层。按照采动后潜水漏失量、补给量和水位变化关系,将生态脆弱区保水采煤条件划分为不失水区、轻微失水区、一般失水区和严重失水区4种类型,依据水均衡原理推导出4种类型的条件分区确定公式,并给出了应用实例。     

悬挂式阻水帷幕地下水控制方法探讨——以北京地铁8号线永定门外站为例

以北京地铁8号线永定门外站为例,提出悬挂式帷幕阻水条件下基坑排水量计算方法以及悬挂式帷幕阻水中存在的问题。介绍了3种结合悬挂式帷幕采取的封底阻水措施,即水下灌注混凝土封底,深孔注浆封底以及超高压旋喷桩封底,并分别探讨了其优缺点。提出了悬挂式帷幕阻水结合基坑底部封底阻水的最佳建议方案,以达到有效节约地下水资源、降低工程施工难度和工程造价之目的。     

我国露天煤矿截水帷幕关键技术进展

我国露天煤矿普遍采用抽排方式进行地下水控制以满足煤炭资源安全开采要求,这种方式对水资源造成极大破坏,严重影响煤矿周边的生态环境。近年来,随着我国社会经济的全面发展,国家对生态环境保护、生态文明建设提出了更高要求,如何优化、转变露天煤矿地下水控制方式,减少矿坑疏排水量是露天煤矿防治水工作普遍面临的崭新课题。采用截水帷幕技术取代疏排降水技术,由被动疏水变为主动截水,是解决露天煤矿因疏排水带来诸多问题的根本措施。以内蒙古扎尼河露天煤矿、元宝山露天煤矿截水帷幕实施过程为例,介绍我国露天煤矿截水帷幕设计理念、施工工艺和截水帷幕材料,在实践过程中,突破了防渗膜大深度垂向隐蔽铺设与连接技术瓶颈;研发了超长槽段连续开挖及浇筑工艺,大幅减少接头数量;研制粉煤灰?水泥混合浆体与HDPE防渗膜的复合帷幕材料,提高帷幕抗渗与抗变形性能;构建帷幕质量与截水效果综合检验体系,掌握了露天煤矿截水帷幕建造关键技术。截水帷幕技术在我国露天煤矿的成功应用,丰富了露天煤矿防治水与水资源保护技术理论,促进了行业技术进步,为露天煤矿地下水控制及安全绿色开采提供了新思路、新技术、新工艺,对其他非煤矿山及水利水电、交通等更高防渗等级要求的工程具有重要借鉴意义。      

生态脆弱露天矿区截水帷幕下松散层水位演化规律

我国蒙东地区生态环境脆弱,水资源匮乏,露天煤矿高强度开采引起地下水系统的补、径、排条件发生剧烈变化,导致松散层水位大幅下降、地表河流流量衰减、生态环境破坏。为揭示生态脆弱露天矿区在截水帷幕下的松散层水位演化规律,分析生态脆弱露天矿区地下水分布特征和采动对松散层水位的影响,开展截水帷幕下的松散层水位理论计算和物理模拟试验,结合现场监测数据分析截水帷幕下内蒙古扎尼河露天煤矿、元宝山露天煤矿松散层水位演化规律。结果表明:生态脆弱露天矿区松散层渗透系数大、水位埋藏浅;露天开采对矿区松散层水位影响巨大,矿区周边数千米范围内的松散层水位下降数米到数十米;理论计算和物理模拟发现,截水帷幕外侧松散层水位抬升幅度与帷幕长度呈正相关关系;远离帷幕的水位变化速率较为平稳,靠近帷幕附近的水位变化相对剧烈;扎尼河和元宝山露天煤矿现场监测结果显示,帷幕外侧松散层水位升高3.43~9.12 m,帷幕内侧水位降低3.21~10.15 m,外侧水位抬升幅度与截水帷幕完成率成正比。截水帷幕作用下的松散层水位理论计算和物理模拟结果可指导现场工程应用,截水帷幕能够显著抬升生态脆弱露天矿区周边松散层水位,保护矿区松散层水资源。      

露天煤矿截水帷幕效果检验方法及截水效果分析

某露天煤矿为减少矿坑疏排水量,通过施工截水帷幕切断矿坑北侧河流补给通道。根据现场施工条件,采用低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆、咬合桩4种工艺构建截水帷幕。为检验施工过程中露天煤矿截水帷幕的效果,针对低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆等3种截水帷幕工艺,进行了4次围井试验。试验结果表明,在露天煤矿深厚砂卵石层动水、低温条件下,低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆帷幕均具有良好的截水效果,渗透系数分别达到8.34×10^-7、6.28×10^-7、7.85×10^-7 cm/s,与原材料室内实验得出的渗透系数基本吻合。在4种帷幕工艺的共同作用下,露天煤矿矿坑疏排水量显著减少,围井试验在截水帷幕施工过程中具有良好的效果检验作用。     

截水帷幕技术在元宝山露天煤矿的应用与效果评价

内蒙古元宝山露天煤矿是国内外罕见的特大富水型露天煤矿,为解决多年疏干排水造成的生产成本高和环保风险大等问题,拟采用截水帷幕技术对矿坑渗流补给通道进行帷幕截流。通过分析矿坑水文地质和工程地质条件,提出弧形半封闭落底式帷幕与群井疏干水力帷幕相结合的地下水控制方式,采用防渗膜垂向隐蔽叠覆铺设与抗渗混凝土充填工艺,在矿坑高程+452 m平盘开展帷幕试验研究,建造一座平面长度1 369 m、平均深度29 m、有效厚度大于0.8 m、底部嵌入基岩面3 m的截水帷幕。试验研究过程中,确定了元宝山露天矿的截水帷幕工艺,获得其单幅槽段开挖长度(14 m)、护壁泥浆密度(1.05~1.25 g/cm3)和防渗膜叠覆宽度(1 m)等主要技术参数,提出防渗膜水下磁吸式连接技术,通过加装磁条,利用阴阳磁吸原理实现防渗膜叠覆处的水下自粘连。试验工程结束后,通过取心验证、流场分析和流量变化等方法检验帷幕墙的质量和截水效果。结果表明:混凝土浇筑充填连续、密实;墙体内外水位差已达15 m以上;盲沟补给流量消失,截水效果显著。试验研究证实截水帷幕技术适用于元宝山露天煤矿,为后续工程开展提供了关键技术参数,完善了我国露天煤矿截水帷幕技术体系。      

露天煤矿截水帷幕防渗膜垂向隐蔽铺设施工工艺

防渗膜（HDPE土工膜）目前广泛应用于防污染、防渗漏、防扩散为主的防渗工程中,且铺设形式复杂多样。在我国某露天煤矿地下截水帷幕工程中,将防渗膜进行大深度垂向隐蔽铺设,深度可突破50 m,作为帷幕墙防渗主体;利用接头箱技术,实现了不同槽段间的防渗膜叠覆连接;通过注浆回填工艺,在压紧防渗膜的同时,提高了帷幕墙的抗渗性;最后采用围井抽水试验验证了墙体的防渗性,结果表明,防渗膜帷幕墙渗透系数仅为8.6×10^-7 cm/s,达到设计要求。防渗膜帷幕墙具有施工效率高、成本低、绿色环保等优点,其成功应用对其他类似项目具有推广借鉴意义。     

黄河流域陕北煤炭开采区厚砂岩对覆岩采动裂隙发育的影响及采煤保水建议

煤炭开采活动导致的煤层顶板覆岩地质条件变化及采动裂隙发育是损害地下关键含水层的直接原因,也是造成矿区生态环境退化的根源。煤层顶板覆岩结构中发育的厚砂岩作为一种典型的地质条件,其对覆岩采动裂隙的发育规律具有重要的影响。为此,在分析研究区主采煤层赋存地质条件及其分布规律的基础上,选择陕北煤炭开采区曹家滩煤矿主采2?2煤层顶板覆岩为地质原型,采用FLAC3D数值模拟平台模拟分析了厚砂岩不同厚度和位置对覆岩采动裂隙发育形态和发育高度的影响,并以此提出了相应的“采煤保水”建议。结果表明:研究区2?2煤层顶板覆岩中厚砂岩平均厚度25 m,距2?2煤层平均间距76 m;厚砂岩距煤层30 m时,覆岩采动裂隙表现为“矩形—L形—马鞍形”的动态变化特征,距煤层70 m时表现为“L形—倒梯形—马鞍形”变化特征,距煤层大于95 m时全程表现为“马鞍形”特征;覆岩采动裂隙最大发育高度随厚砂岩层位的升高而先减小后增大;厚砂岩厚度H≥30 m、距煤层间距L>95 m,或H≥60 m、L>60 m时,可有效阻挡采动裂隙向上发育贯穿厚砂岩;在充分考虑厚砂岩对覆岩采动裂隙发育规律的影响,选择合适的空间位置和开采阶段进行合理的覆岩减损和保水防治,实现“边采边治、边采边护”的绿色开采模式。该研究成果可为黄河流域中游陕北煤矿区煤炭开采与生态环境保护协调发展提供理论指导。      

Controls on pit lake water quality at sixteen open-pit mines in Nevada

Thirty-five mines in Nevada currently have, or will likely have, a pit lake. The large bulk mineable deposits in Nevada mined below the water table are of several types, including Carlin-type Au, quartz-adularia precious metal, quartz-alunite precious metal and porphyry-Cu (-Mo) deposits. Of the 16 past or existing pit lakes at 12 different Nevada mines, most had near neutral pH and low metal concentrations, yet most had at least one constituent (e.g., SO₄) which exceeded drinking water standards for at least one sampling event. Water quality data indicate that, in general, poor water quality will not develop in Carlin-type Au deposits. Wall rocks in the geologic environment typical of these deposits, and in the specific pits sampled, contain substantial amounts of carbonate, which buffers the pH at slightly basic conditions and thereby limits the solubility of most metals. Similarly, the quartz-adularia precious metal deposits generally have geologic conditions that buffer pH and naturally prevent the development of poor water quality. In both of these deposit types, certain elements such as As and Se that are mobile in neutral to basic waters may accumulate to levels near or exceeding drinking water standards. Pit lakes forming in quartz-alunite precious metal deposits hosted in volcanic rocks or in porphyry-Cu (-Mo) deposits in plutonic rocks are of greatest environmental concern in Nevada, as both deposit types have relatively high acid-generating potential and low buffering capacity. However, the sampled Nevada pits in these deposit types indicate that the water may not be of poor quality. In addition, water quality in some pits may actually improve with time due to the increased water-rock ratio as the pit fills with water, as suggested by pit waters at one mine in a Carlin-type deposit (Getchell) that improved between 1968 and 1982. Although water quality in pits in each deposit type is generally good, local, site specific conditions (e.g., surface water inflow) and variations (e.g., evaporation rates) result in some pit lakes (e.g., Boss) in the quartz-adularia deposit type being of substantially poorer water quality than other lakes (e.g., Tuscarora) in the same deposit type. Despite underlying geologic controls based on deposit type, site specific variations in hydrogeologic conditions and surface geologic features can result in differing water quality in pit lakes in the same deposit types, and these factors may, in some cases, provide an overriding control on the geochemical evolution of specific pit lakes.     

基于低强度抗渗混凝土的露天煤矿帷幕截水技术

混凝土地下连续墙具有施工方便、质量可靠、抗渗性好等优点,在水利水电、基坑支护、地铁等防渗工程中广泛应用,所用材料既有塑性混凝土,也有刚性混凝土。在内蒙古某露天煤矿截水帷幕工程中,针对其工程地质与水文地质特征,研发一种低强度（8~10 MPa）抗渗（P6级）混凝土作为墙体浇筑材料,该混凝土水胶比值为0.68,砂率为45%,1 m³混凝土中各原材料质量分别为：水泥180 kg,粉煤灰200 kg,膨润土20 kg,砂720 kg,石子880 kg。分析了其渗透与抗渗机理,并通过钻孔取心和围井抽水试验对其效果进行了验证。试验结果表明：混凝土墙体浇筑完整、连续,抗压强度达8.3 MPa,渗透系数达8.67×10^-7 cm/s。工程实施后矿坑疏排水量显著减少,该措施为矿区水资源及矿坑周边草原植被等生态环境保护奠定了基础。     

河北省主要矿区关闭煤矿资源再利用模式探讨

关闭煤矿资源评价与利用,具有资源、环境双重效益,可为煤矿企业提供一条转型发展路径。在河北省主要矿区关闭煤矿资源调查工作的基础上,通过对国内外关闭煤矿资源再利用典型案例的总结,重点归纳了河北省关闭煤矿农林用地、建设用地、塌陷水域综合利用、矿山公园模式、关闭煤矿资源综合利用、矸石山利用、井下空间利用等7类19种资源再利用推荐模式,分析了推荐模式选择因素,划分了资源类型。依据矿山地质环境影响程度、问题类型及矿山区位差异,按照推荐模式选择原则,提出适合不同关闭煤矿山资源利用模式。综合考虑关闭煤矿背景条件和资源开发利用条件,对河北省主要矿区118个关闭煤矿提出了资源再利用途径。在相关研究基础上,针对河北省主要矿区关闭煤矿资源再利用存在的支撑条件不足、安全评价、支撑政策和管理办法欠缺、资源调查评价与利用技术指南欠缺等现实问题,提出了资源利用典型项目建设、及时掌握关闭煤矿综合信息、构建关闭煤矿资源调查与评价技术指南、开展相关治理工程做好资源利用统筹工作、加强科技投入和关键技术研发、树立矿井全生命周期理念并重视矿业资产的后周期管理及完善闭坑管理等建议,以期选择生态敏感性较弱、资源丰富、区位条件优越、符合当地经济社会发展需求、便于协调开发利用的关闭煤矿作为重点研究对象,开展资源综合利用工业性试验和示范工程,系统构建关闭煤矿资源评价体系,实现关闭煤矿资源利用与生态保护协同发展。