“矿区水环境保护”专题（《煤炭学报》）

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“矿区水环境保护”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“矿区水环境保护”主题论文。

行业视野: 环境保护
类别; 134个
关键词; 129位
专家; 32篇
论文; 42742IP
点击量; 18712次
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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
复杂水文地质条件下大型帷幕截流工程效果数值仿真分析

作者(Author)：刘基, 靳德武, 姬亚东, 郑士田, 石志远

摘要：朱仙庄煤矿水文地质条件复杂，其8煤开采受到奥灰和太灰强富水含水层的补给影响，严重威胁煤矿的安全开采。提出了建造大型帷幕截流墙、切断它们之间的水力联系、进行疏水降压的水害治理方法。针对前人单点局部检验帷幕效果的不足，为预测大型帷幕墙的整体截流效果，在井下开展了三阶段放水试验，以此为基础，开展了朱仙庄煤矿多层、复杂接触、复合边界的水文地质条件下大型帷幕截流工程数值仿真分析。结果表明:放水试验期间，帷幕墙内“五含”水位呈现“平盘式”下降现象，墙内外水位差明显，放水试验末期墙内外水位差约200 m，“四含”水位变化出现“滞后”现象，判断了它们之间水力联系微弱，确定了“五含”和“四含”的参数分别为4个和2个分区。针对朱仙庄煤矿复杂的水文地质模型，通过将第2和第3层赋值为相同参数概化了“四含”和“五含”的高角度不整合接触关系，奥灰与“四含”的接触带概化为变水头边界，同时将太灰与“四含”，奥灰、太灰与“五含”的接触带概化为源汇补给项，建立了420行×260列×3层的大型帷幕截流工程的大型数值模型，运用MODFLOW软件的WHS求解器进行模型计算。由于研究区复杂的地层接触关系，数值模型在计算中容易出现不收敛现象，通过动态调整算法的阻尼系数在0.8~0.5可以很好地控制模型的收敛性。帷幕截流墙的数值仿真分析发现，帷幕截流墙整体渗透性能较差，整体渗透系数为0.6 Lu(折合渗透系数为0.005 m/d)。预测了“五含”水位疏降至安全水头-350 m时的残余水量为91 m3/h，截流率达95%以上，综合分析帷幕墙截流效果非常明显。本次计算方法和技术可为类似的复杂水文地质条件下大型数值模型的构建、计算及快速收敛提供参考，同时丰富了煤炭精准开采背景下的矿井地质保障技术。

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煤炭学报

2019年第08期

1223

303
上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

作者(Author)：任伟光, 周宏伟, 薛东杰, 王路军, 荣腾龙, 刘建锋

摘要：保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用，研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象，进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况，上保护层开采过程中，煤层压力先增大后减小，采空区重新压实稳定后，应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态，上保护层开采过后，被保护层煤层产生变形，煤层上部分膨胀变形，应力小于原岩应力;下部分煤层压缩，应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径，设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中，同等试验条件下，被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大，被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大，体积应变越大;被保护层煤层开采过程中，M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比，扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下，水压越大，煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中，M组煤样初始围压为35 MPa，围压对渗透率的影响大于轴压的影响，N组煤样初始围压为20 MPa，围压、轴压交替对渗透率产生主要影响，渗透率曲线呈现“W”型。两组试验中，扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。

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煤炭学报

2019年第05期

1078

488
循环荷载下深部煤层工作面顶板砂岩的渗透率演化规律

作者(Author)：赵阳, 周宏伟, 任伟光, 钟江城, 刘迪

摘要：随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭，深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂，往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大，是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一，研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1 050 m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象，采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析，总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用两种机制，应力水平较低时主要起压密作用，应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低，在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下，岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小，再由压裂作用而增大的演化规律，并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用，且随着围压的增大，渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小，岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向两种形式，产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率，而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合五个岩样的渗透率演化情况，得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大，在压裂及损伤作用下增大;在应力达到岩样抗压强度发生破坏时因破裂面的产生骤增;破坏后因大幅下降的应力的压密作用再次降低。

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煤炭学报

2019年第05期

1186

351
煤矿地下水库煤柱坝体宽度设计

作者(Author)：姚强岭, 郝琪, 陈翔宇, 周保精, 方杰

摘要：地下水库储水技术已成为西部矿区实现煤炭高效开采与水资源保护并重的重要途径之一，而煤柱坝体的稳定性是地下水库设计中极其重要的部分，对地下水库稳定性起决定性作用。煤柱坝体既要保证煤炭安全开采，也要保障地下水库安全运行。地下水库煤柱坝体的稳定不仅与埋深、采动应力、地质构造等工程地质条件有关，也与水作用下的弱化作用密切相关。为研究煤矿地下水库煤柱坝体在水作用下强度弱化规律，选取西部矿区麻地梁矿5煤为研究对象，开展煤样无损浸水试验和不同含水率及反复浸水条件下单轴压缩试验。研究得到:不同含水率的煤样在0~20 h内，含水率快速增长;20 h之后，含水率增长变缓，在20~70 h，含水率慢速增长;在70~140 h，煤样含水率增长接近稳定;煤样含水率随着浸水时间的增加而增加，但增幅逐渐减少，最终趋于稳定;随着含水率(浸水次数)的增多，煤样单轴抗压强度逐渐降低，峰值应变逐渐增大，弹性模量逐渐降低。相较于干燥煤样，初次饱水煤样、浸水3次煤样单轴抗压强度分别降低了27.1%，50.0%，弹性模量分别降低34.6%，58.5%。结合实验室试验结果，运用弹塑性力学理论探讨了煤柱坝体在不同含水率下破坏区、塑性区宽度，开展了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度设计研究，并结合麻地梁矿的工程地质条件，对其地下水库坝体的宽度进行了设计。同时，进一步分析了煤柱坝体宽度的影响因素，得到含水率、埋深、煤层采厚均对煤柱坝体宽度有很大影响。

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煤炭学报

2019年第03期

1526

473
干燥-饱和循环作用下砂质泥岩抗剪性能劣化试验研究

作者(Author)：汤传金, 姚强岭, 王伟男, 王烜辉

摘要：西部生态脆弱矿区煤炭开采过程中的地下水资源保护与利用是实现该区域煤炭绿色开采的前提和必要条件。其中，保水开采与地下水库技术的广泛应用为解决煤水共采问题提供可能。本文以煤矿地下水库煤岩边界在水反复浸入条件下稳定性变化为研究背景，以神东矿区乌兰木伦矿3-1号煤层顶板砂质泥岩为研究对象，通过无损浸水试验获得试样的自然吸水性规律，获得试样含水率到达饱和状态的浸水时间。根据浸水时间，对试样进行干燥-饱和反复浸水，得到不同循环浸水试样含水率随浸水次数呈指数增加关系，而试样抗剪强度和浸水次数呈指数降低关系。黏聚力随浸水次数的增加呈下降趋势，而内摩擦角先增加后减小，表明材料的均一性以及破裂面的形态及裂隙发育的形态、尺寸、方向变化造成了内摩擦角增加,而后期循环浸水占主导因素，表现为内摩擦角减小。根据黏聚力、内摩擦角与干燥-饱和循环次数的关系，建立了基于干燥-饱和循环次数的Mohr-Coulomb准则。声发射计数曲线与剪应力曲线有较强的对应性，在试样破坏时刻声发射事件明显增加，对应声发射累计计数曲线的明显上升阶段。试样在破坏过程中以低RA值为主，破坏时刻对应高RA值，即试样破坏过程中的基础裂隙类型是张拉裂隙，破坏时刻对应明显的剪切裂隙。研究结果表明，地下水库边界煤岩柱在地下水库蓄水-抽水过程中，在浸水-失水作用下其强度发生显著变化，建议在构建地下水库时应考虑水作用引起的边界煤岩柱强度弱化作用。

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煤炭学报

2019年第03期

1201

410
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
结构充填“保水-储水”采煤顶板稳定性分析

作者(Author)：杜献杰, 冯国瑞, 戚庭野, 郭育霞, 王泽华, 张玉江, 李振, 白锦文

摘要：在结构充填开采基本思想的指导下，根据我国西北干旱半干旱地区保水采煤与矿区水资源安全高效存储的实际需求，充分发挥条带式结构充填保护含水层结构与煤矿地下空间再利用的优势，提出条带式结构充填“保水-储水”采煤构想。在分析了条带式结构充填覆岩结构特征基础上，采用弹性地基上的有限长梁模型对“充填条带-直接顶”整体结构进行了力学分析，并结合初始参数法分段解析了直接顶变形方程。同时根据“保水-储水”的功能要求，提出了条带式结构充填“保水-储水”采煤的直接顶控制原则。根据新阳矿区工程地质条件和充填材料性能，通过理论计算得到条带式结构充填的临界充填率为51%，最大充填间距为11.46m。通过FLAC3D数值模拟对新阳矿区条带式结构充填“保水-储水”方案进行了优化设计，结果表明:在保持充填率基本不变的情况下，随着充填间距的减小，直接顶自承载能力逐渐增强，可形成“充填条带-直接顶”结构控制体系，对上覆岩层的控制作用明显提升;充填间距的减小缓解了充填体和直接顶内的应力集中现象，显著减小了充填条带和直接顶内的塑性区范围，有利于充填条带和直接顶的长期稳定，进而实现条带式结构充填“保水-储水”的目的;综合分析得到了新阳矿区条带式结构充填“保水-储水”采煤的最佳充填方案为间隔2m充填2m。

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煤炭学报

2019年第03期

1272

432