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如何科学地保水采煤

来源：煤炭学报

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。

行业视野: 环境保护
类别; 80个
关键词; 84位
专家; 20篇
论文; 28326IP
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采动覆岩导水裂隙主通道分布模型及其水流动特性

作者(Author)：曹志国, 鞠金峰, 许家林

摘要：含水层受采动破坏后其赋存水体并非均匀地由覆岩各区域漏失至采空区，其在导水裂隙带范围内应存在水体流动的主要通道;研究揭示导水裂隙主通道的分布规律及其水流动特性对于科学指导井下涌水量预计、顶板水害防治、保水采煤等具有重要意义。基于导水裂隙类型划分及其渗流/管流力学分析，就采动漏失水体的流动主通道分布模型进行了研究。结果表明:开采边界外侧岩体受超前支承压力作用易产生峰后压剪裂隙，裂隙导水属非达西渗流流态;而由岩层破断回转运动产生的拉剪裂隙，由于裂隙导水雷诺数相对偏大，其导水流态一般属于管流范畴，且受岩层破断位置相对开采区域的不同，又可将其划分为采区边界附近的上端张拉裂隙和下端张拉裂隙、以及中部压实区的贴合裂隙这3种。据此利用Forcheimer公式和伯努利方程对比揭示了上述2类4种裂隙导水流动特性的差异。研究得出开采边界附近的上端张拉裂隙在进流口开度、导水流量、出口流速等特征参数上均领先于其他裂隙;且由于其出口水压较小，其水流还会受到两侧邻近的压剪裂隙和下端张拉裂隙出口水流的水平径流补给。因而，含水层采动漏失水体多由上端张拉裂隙导流而来。由此基于岩层控制的关键层理论，构建形成了以关键层在开采边界处的破断尺寸参数为依据的导水裂隙带主通道分布模型。

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煤炭学报

2019年第12期

1260

529
东部草原区露天煤矿开采对地下水系统影响与帷幕保护分析

作者(Author)：赵春虎, 王强民, 王皓, 杨建, 刘基, 张雁

摘要：我国东部呼伦贝尔草原地区是以露天开采为主的重要煤电基地，但是针对草原区露天煤矿开采对地下水系统影响及其水资源保护等问题研究较为不足。以呼伦贝尔草原宝日希勒露天矿区为研究对象，根据矿区煤炭资源开发与疏排水特征，将矿区露天矿开采历史划分为初期、剧增期与稳定期3个阶段。应用地下水系统数值仿真技术，系统分析了露天矿区疏排水对地下水系统的影响规律。结果显示:第1阶段(初期)，由于宝日希勒露天煤矿首采区疏排水影响(疏排水强度2.3×104 m3/d)，矿区范围内平均水位降深小于5 m;第2阶段(剧增期)，宝日希勒露天矿西侧的东明露天矿相继开发，由于东明露天井田富水性好的松散含水层(渗透系数大于35 m/d)接受莫日格勒河地表水体补给充分，导致矿区疏排水强度增加至19.47×104 m3/d，矿区范围内平均水位降深大于10 m;第3阶段(稳定期)，宝日希勒露天矿首采区闭坑后2采区相继开采，矿区疏排水量趋于稳定(14.93×104 m3/d)，莫日格勒河地表水体渗漏补给松散层地下水强度约为11.02×104 m3/d，约占东明露天矿疏排水量的80%，平均水位降深大于15 m。最后，根据矿区水文地质条件、帷幕减渗条件下地下水流场以及露天矿剥离开采条件下含水层涌水特征，构建了受强富水强补给露天矿在帷幕墙减渗条件下地下水系统仿真模型，评价了帷幕墙构建对疏排水的影响程度，模拟得出帷幕墙长度为4 km的条件下，疏排水量减少至6.65×104 m3/d，降幅约为51.81%，总结提出帷幕墙阻水减渗方案是矿区针对强富水、强补给含水层地下水保护性开采与露天矿减少疏排水量的有效手段。

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煤炭学报

2019年第12期

1268

560
榆神矿区中深煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水模型构建

作者(Author)：赵春虎, 靳德武, 王皓, 王强民, 王世东, 刘洋

摘要：煤层开采覆岩变形损伤是含水层失水主要原因，针对榆神矿区中深煤层开采影响下含水层失水规律研究程度不高问题，根据矿区主采煤层覆岩的地质与水文地质结构特征，总结提出中深煤层开采覆岩损伤变形影响下含水层“侧向直接与垂向渗漏”复合失水模式，以COMSOL多物理场耦合数值分析软件为平台，提出了中深煤层开采覆岩变形损伤与含水层失水数值分析模型的构建方法:①利用岩石力学模块，通过建立煤层开采条件下覆岩采动应力、孔隙率与渗透率耦合关系，模拟输出弯曲带覆岩各剖分节点的位移变形量，计算采动渗透系数变化;利用Mohr-Coulomb塑性破坏准则识别出采掘扰动下导水裂隙带的发育范围;②利用COMSOL软件平台中大变形几何体自动重新剖分计算模块，重新进行网格剖分，形成采动变形二次剖分网格;③在达西渗流模块中，根据含水层与导水裂隙带间的地下水运动状态的转化特征，把采动导水裂隙范围数值处理成达西渗流边界，重新输入采动渗透系数参数，以建立含水层地下水失水分析模型。最后以榆神矿区曹家滩煤矿为分析案例，建立工作面尺度上煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水分析模型，模拟得出工作面2-2煤层分层开采(5m采高)条件下导水裂隙最大高度为128m，发育至直罗与延安组基岩含水层内部，含水层失水总量35.84m3/h，其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为23.17,12.67m3/h，煤层开采对近地表松散含水层影响小;一次采全高(10m采高)条件下导水裂隙最大高度为202m，发育至富水性好的风化基岩含水层内部，失水总量增加至130.31m3/h，其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为92.65,37.66 m3/h，煤层开采对松散含水层影响较大。

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煤炭学报

2019年第07期

1508

525
侏罗系弱胶结砂岩孔隙介质特征及其保水采煤意义

作者(Author)：刘钦, 孙亚军, 徐智敏, 等

摘要：我国新疆哈密矿区降雨量少、蒸发强烈，属于严重干旱地区，研究区高强度的煤炭资源开采对主要储水含水层的保护极为重要。由于特殊的成岩环境及地下水赋存运移条件，侏罗系弱胶结砂岩为复杂的非常规含水岩系，给研究区煤矿防治水带来了诸多水文地质问题。本文以新疆哈密矿区侏罗系弱胶结砂岩为研究对象，通过渗流实验、实验室测试、理论分析研究弱胶结砂岩微观孔隙结构演变规律。研究表明，弱胶结砂岩属高孔隙度岩石，具有大孔孔喉及中孔孔喉分布频率高的结构特征和强富水性，渗流实验过程中有大量乳白色悬浮物渗出。水相渗流作用下的弱胶结砂岩样出现渗透性突变增大的现象，其孔隙度有明显增大的趋势。通过水质分析及岩矿鉴定分析手段得出可溶盐溶出对渗流实验前后的孔隙度增加贡献率为45.80%～82.28%，悬浮物渗出量计算对孔隙度增大贡献率为14.78%～54.20%，可溶盐及高岭石的溶(渗)出是砂岩渗透性增强的主要因素。鉴于此，提出了有关孔隙结构储水空间变异性以及渗透突变性的保水采煤理念，弱胶结砂岩含水层水体下保水采煤应当遵循“保护性开采、避免大规模扰动”的思路。研究成果对西部地区弱胶结砂岩含水层的开发利用与保护有重要意义，同时可为西部地区受侏罗系弱胶结砂岩水害影响的矿井保水采煤技术的研究提供借鉴。

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煤炭学报

2019年第03期

1611

406
洛河组含水层垂向差异性研究及其保水采煤意义

作者(Author)：李超峰, 虎维岳, 刘英锋

摘要：为查明彬长矿区白垩系洛河组地层的水文地质条件，从保水采煤角度提出了洛河组精细化勘探概念，给出了可用于承压含水层垂向富水性评价的综合富水性指数法，依据垂向富水性变化规律对洛河组进行分层，并研究洛河组垂向水文地质条件与特征、自然状态和采煤扰动时洛河组垂向各含水层段之间的水力联系、以及洛河组下段存在的保水采煤意义等。给出了富水性指数计算方法:对地层岩性、厚度、孔隙度3个指标分别赋值、分别赋权重为0.3，0.4，0.3，之后将赋值与权重累积得到单个含水层段的富水性指数(fi)，利用Fi=0.5fi+0.15fi－1+0.1fi－2+0.15fi+1+0.1fi+2计算各地层的综合富水性指数。给出了洛河组含水层垂向富水性分级标准:F<0.003 289为隔水层，0.003 289≤F<0.012 339为弱富水，0.012 339≤F<0.015 504为中等富水，F≥0.015 504为强富水。依据综合富水性指数将高家堡井田T1，T2钻孔洛河组垂向上划分为上、中、下3段。研究结果表明:① 采用综合富水性指数法可以对承压含水层垂向富水性进行精细化评价，可操作性强;② 局部地区洛河组内部发育有泥岩地层，但尚未构成区域上的隔水层;③ 洛河组下段地层既可以减缓和阻止煤层顶板导水裂隙带继续向上发育防止对具有供水意义的中上段地层结构的破坏，又可以阻隔中上段含水层水进入矿井，对保水采煤有利;④ 高家堡矿井首采面回采期间洛河组中上段地下水位下降26.71~43.06 m。通过含水层水量、水位、水质等指标分析，采用控制煤层采高等技术实现了对洛河组含水层结构保护条件下的深埋煤层开采。

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煤炭学报

2019年第03期

1771

622
基于保水采煤理念的地质环境承载力研究

作者(Author)：孙魁, 范立民, 夏玉成, 李成, 陈建平, 仵拨云, 彭捷

摘要：我国西部生态脆弱区采煤引起的水资源破坏和地质环境变化，已经严重制约了矿区经济、社会、环境的可持续发展。通过梳理保水采煤、煤矿区地质环境承载力的研究进展，结合目前西部富煤缺水地区的地质环境现状，提出了基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路和框架。分析认为:基于保水采煤理念的地质环境承载力研究，应将保水采煤理念与地质环境承载力理论有机融合，系统分析“采煤活动—水资源破坏—地质环境效应”作用机理，从寻求煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解中阐述内涵。地质环境承载力评价方法研究，可采用属性分析、生态需求分析、数值分析、突变理论等方法，重点研究评价指标的量化方法、综合评价方法、承载能力及承载状态等级划分方法。对于承载能力的计算，可采用模拟实验，取得典型煤矿区承载能力下地质环境与开采强度临界值的关系数据，进而提取出控制和减轻煤矿区地质环境问题的保水采煤技术方法，确定合理的开采强度和规模。在承载力评价和计算的基础上，提出地质环境承载力影响因素的协同监测技术方法，并给出了承载力预警等级判定标准。所提出的基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路，以期丰富和发展保水采煤及地质环境承载力的科学内涵，为西部生态环境脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。

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煤炭学报

2019年第03期

1419

508
榆神府矿区含水层富水特征及保水采煤途径

作者(Author)：侯恩科, 车晓阳, 冯洁, 段中会, 高利军, 李军

摘要：榆神府矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带，生态环境脆弱，水资源匮乏，区内各主要含水层分布与富水性不均，含水层富水性及矿井涌水对煤矿生产影响差异较大，因此矿井水资源的综合利用与含水层的有效保护对煤矿生产与地区生态建设意义重大。通过分析萨拉乌苏组、烧变岩、风化基岩层等各主要含水层的形成、分布及富水特征，结合矿井首采煤层上覆基岩厚度与矿井目前涌水量情况，将区内生产矿井及待规划区域从“水资源保护与矿井水利用”角度划分为水量贫乏型、水量较丰富型、水量丰富型及地表水体型4种类型，并根据不同类型的分布特征进行了分区。在此基础上，针对不同的水资源保护与矿井水利用类型，分别提出了采空区存储净化、工业利用、农业灌溉、湿地建设和人工湖泊等具体的水资源保护与矿井水利用途径和措施。讨论了“保水采煤”的科学内涵，认为“保水采煤”的基本措施应当包括保护浅部主要含水层和矿井水资源利用两部分，即将“保水”与“用水”相结合，拓展了“保水采煤”的科学含义;建议在矿井规划时，应综合考虑开采损害影响与环境自身修复能力，在满足能源开采经济利益的同时，保证生态环境不发生质的破坏;提出了利用经济效益“反哺”当地生态和“绿色经济”建设的一点猜想，为矿区未来的规划建设提供了一定的参考意义。

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煤炭学报

2019年第03期

1533

578
深埋煤层开采顶板基岩含水层渗流规律及保水技术

作者(Author)：郭小铭, 董书宁

摘要：我国西部黄陇煤田降雨量少、蒸发强烈，属于干旱半干旱地区，做好煤炭开采过程中对含水层的保护工作极为重要。为研究适用于黄陇煤田深埋煤层开采顶板洛河组砂岩含水层的保水技术，以彬长矿区为研究区，采用砂岩孔隙度测试，结合非线性回归分析方法，研究洛河组地层不同深度砂岩渗透性变化;开展水化学测试，分析非均质洛河组含水层垂向水化学场特征;结合地面和井下水文地质探查，进一步定量化研究洛河组含水介质的非均质性。在查明洛河组含水地层非均质性的基础上，建立含水层下段受裂隙带波及条件下地下水渗流数值模型，研究基岩含水层局部受裂隙带影响条件下的渗流规律。根据渗流规律研究深埋煤层开采顶板基岩含水层保水开采技术，结合彬长矿区工作面开采实际揭露水位变化情况对其进行验证。研究表明，洛河组含水层渗透性随地层深度的增加而呈负指数降低，随着埋深增大含水层水化学类型由HCO3-Ca型转化为SO4-Na型，同时上段的单位涌水量约为下段的7倍，可知洛河组含水层上、下段地下水渗流条件不同，垂向非均质性较强。工作面开采裂隙带仅波及含水层下部时，含水层仅受波及层和相邻层的水位下降明显，上部未受到波及段水位降深有限，整个含水层不会出现水位统一下降的现象，而是呈现出不同层位水位降深差不同的差异性渗流规律。鉴于此，提出利用含水层非均质性特征，以控制含水层上段水位降深为核心，允许导高适当波及含水层下段的“控水开采”技术，有助于缓解深埋煤层采煤与保水的矛盾。通过彬长矿区胡家河煤矿现场应用表明，洛河组含水层实际渗流特征符合本次研究成果，控水开采技术可实现洛河组砂岩含水层保水开采的目的。

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煤炭学报

2019年第03期

1293

502