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“矿井水害防治”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“矿井水害防治”主题论文。

行业视野: 安全
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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
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
高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征

作者(Author)：杨达明, 郭文兵, 谭毅, 王玉喜, 马晓川, 李壮

摘要：为分析高强度开采工作面覆岩岩性及其裂隙特征，以高家梁煤矿20313工作面为研究对象，分析了工作面顶板含水层赋存情况，通过试验获取了砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质，采用相似模拟试验、理论分析、CAN-II大地电磁探测仪和现场调查综合分析了工作面开采后的覆岩破坏情况。结果表明:工作面顶板砂质泥岩随着与煤层距离的增大，颗粒间接触逐渐由点-点、点-面接触转变为线-面、面-面接触，且颗粒体积有增大趋势;由煤层至地表，抗拉(压)强度减小，断裂后接触面积更大，且遇水后颗粒体积膨胀，挤压颗粒间的孔隙，孔隙通道减小，降低宏观通水性;覆岩及地表裂缝以张开、闭合、压实的过程重复向前发展，虽然覆岩含水层及隔水层产生了破坏，但裂隙宽度较小，地表没有出现明显的塌陷裂隙;工作面开采后覆岩内会形成稳定的压力拱结构，覆岩破坏不会与地表裂隙贯通，地表潜水不会直接与井下工作面贯通。采动后工作面断层上盘侧岩层整体上破坏更严重;在断层下盘侧，虽然采动后CAN型综合值云图内出现了较多环状闭合曲线，但仍有平滑层状曲线包裹，说明采动覆岩的连续性分布较好，岩层内裂隙发育程度低;20313工作面开采后地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主，裂缝数量较少，基本上所有裂缝经历了“张开-扩展-闭合”完整发育过程，裂缝发育周期最长的为15d，最短为7d;裂缝宽度最大为6.3cm，台阶落差最大为8.7cm，地表植被生长及分布情况与开采前基本一样，说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响。高强度开采覆岩裂隙发育特征得到了大量理论与试验研究，物探法是开展覆岩裂隙现场探测最方便、快捷的手段，提高物探仪器对覆岩裂隙探测的敏感度及物探结果解释的准确度是物探法探测覆岩破坏得以推广的技术前提。

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煤炭学报

2019年第03期

1621

480
干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义

作者(Author)：徐智敏, 孙亚军, 高尚, 张成行, 毕煜, 陈忠胜, 吴江峰

摘要：随着我国煤炭资源开发重心的逐步西移，西部地区目前已成为我国煤炭的主产区。总体上，我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈，形成了该区极度干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以新疆哈密煤田大南湖矿区为例，针对该区侏罗系含煤地层具有成岩时间晚、物理力学强度低、遇水易泥化崩解等特征，采用相似材料模拟、数值模拟等手段，结合邻矿现场实测对比，全面研究了该区顶板采动导水裂隙的发育与演化过程、发育高度与形态特征、渗透性演化规律以及在该区进行水资源保护性开采(保水采煤)的可行性。研究结果表明:研究区侏罗系含煤地层采动导水裂隙的发育裂采比一般在13.09~15.67，整体形态呈“梯台型”特征;采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现“稳定增加-波动变化-恢复稳定”变化特征，导高影响范围内含水层的渗透系数明显增大，一般达到3~5倍;研究区主采煤层顶板具有“多含水结构下的高位隔水层”结构特征，具备了保水的基本水文地质前提条件;结合保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤可行性的综合评价，探讨了在干旱矿区水资源保护性开采的重要意义。

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煤炭学报

2019年第03期

1259

425
西部浅埋煤层开采顶板含水层水量损失动力学过程特征

作者(Author)：靳德武, 周振方, 赵春虎, 冯龙飞, 许峰

摘要：受保护含水层水量损失的定量计算是“保水采煤”理论发展目前面临的瓶颈问题。利用覆岩破坏数值模拟方法，将陕北榆神矿区典型覆岩结构下煤层开采顶板水量损失过程划分成单一风化基岩失水和萨拉乌苏组、风化基岩复合失水模式;基于系统动力学理论，构建了2种水量损失模式动力系统模型，建立了实际疏放与无疏放状态水量损失过程之间的数学关系，求解了水量损失动力系统模型参数，确定了水量损失峰值及发生位置、水量损失动态平衡值及发生位置;通过开采扰动区水流数值模拟，计算了2种模式单位走向长度水量损失强度。结果指示:覆岩组合特征控制着煤层采动含水层动、静储量叠加释放过程，决定了工作面采动顶板水量损失模式;2种水量损失模式相比，复合模式下水量损失峰值和动态平衡值均较大;钻孔疏放水显著削减了推采过程水量损失峰值强度，改变了水量损失方式和时机，但采动过程水量损失动态平衡值及顶板水资源损失总量并未发生变化;两种模式下工作面采动，水资源损失总量以及水资源损失强度中松散层和风化基岩水占比计算结果，揭示了古近系黏土隔水层对于萨拉乌苏组潜水保护的重要意义。研究结果为“保水采煤”理论在工作面尺度含水层水量损失及保护的定量计算提供了新思路。

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煤炭学报

2019年第03期

1589

437
特厚煤层分层综放开采断层-离层耦合溃水机理

作者(Author)：马莲净, 赵宝峰, 徐会军, 曹海东

摘要：为了研究在复杂条件下断层-离层耦合溃水的机理及制定相应的防治水措施，在分析了老虎台井田地质、水文地质和开采条件的基础上，结合水害事故，采用数值模拟和相似材料模拟两种方法，对特厚煤层分层综放开采工作面“两带”发育高度、断层和离层空间形成特征进行了定量化研究，工作面回采后的冒采比和裂采比分别为4.98~5.42和7.10~7.30;断层空间形态和大小主要受到断层落差和与工作面距离影响;离层空间主要形成于不同岩性接触面附近。基于工作面顶板断层和离层空间形成、充水和溃水过程分析，揭示了断层-离层耦合溃水机理:上分层工作面回采导致覆岩中产生断层和离层空间，在接受含水层的持续补给后形成断层和离层水体，下分层工作面回采产生的垮落带波及至水体后发生溃水事故，与以往断层水害和离层水害相比，具有以下特点:断层和离层同时作为水害事故的充水水源和导水通道;垮落带是导致水害发生的主要因素;水害的孕育和发生分别在不同的工作面。针对水害特点提出了相应的防治水方案，首先对研究区进行水害威胁程度分区，受水害威胁轻及较轻区域的煤炭资源可以正常回采，受水害威胁较重及重区域的煤炭资源必须采取以下措施方可回采:注浆充填已形成的断层和离层空间，疏放已形成的断层和离层水体，减少工作面回采对覆岩中断层和离层水体的扰动。根据典型工作面的安全回采，初步验证了溃水机理的正确性和防治水方案的可靠性，下一步将根据井上、下工程验证，补充和完善防治水措施。

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煤炭学报

2019年第02期

1127

481
采动影响下断层面离层空间产生及其对开采空间传递作用分析

作者(Author)：于秋鸽, 张华兴, 邓伟男, 邹友平

摘要：当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究断层对开采空间传递的作用,利用空间守恒,通过理论推导发现工作面开采会使断层面产生离层空间,断层对开采空间传递具有增大效应并利用数值模拟进行了验证。研究结果表明:增大的开采沉陷空间主要来自于断层面离层空间;关键层下部软弱岩层在断层面的离层空间主要来自于采空区垮落岩石的再次压缩;关键层及上部岩层在断层面的离层空间主要来自于关键层与下部软弱岩层之间离层空间的减小;影响断层面离层空间大小的因素主要有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角等,并且断层倾角与主要影响角的大小关系决定了断层面离层空间的产生。

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煤炭学报

2018年第12期

1126

296
有机-无机联合矿井突水水源判别方法

作者(Author)：杨建, 刘基, 靳德武, 王强民

摘要：溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)在随地下水运移过程中,不同含水层水中DOM含量、类别、荧光强度等均存在较明显差异,因此结合无机水化学,开展了有机-无机联合的矿井突水水源判别方法研究,结果表明:地下水中无机组分浓度分布具有垂向分带性,利用pH、矿化度(TDS),HCO3,SO4等无机指标,可以判别浅部含水层和深部含水层水化学特征差异; DOM进入含水层后发生氧化还原反应强烈,其浓度(TOC含量和UV254)变化快、差异大,可以识别地表水与第四系水的水化学特征;第四系与白垩系含水层,以及覆岩破坏范围内的细分含水层,水中无机组分和有机组分含量非常接近,而荧光指纹技术灵敏度高,可以根据3DEEM光谱图分析DOM类型和荧光峰强度等差异,区分相邻含水层的水化学特征差异。陷落柱等地质异常体作为特殊的地质环境体,其内部水体中DOM相对丰富,其DOM含量和荧光指纹特征与奥灰水差异显著。将有机-无机联合开展不同含水层水化学特征分析,能够很好地区分不同水源,为矿井突水事故发生时快速判别水源提供科学依据。

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煤炭学报

2018年第10期

1315

388