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采动渗流场分析方法
地下水资源保护是大型煤电基地可持续开发的重要支撑,含水层保护则是其煤炭高强度开采和生 态修复解决的难点问题。前人在分析煤矿水害特征及影响因素基础上,系统总结了生态脆弱矿区保水采煤研究与实践、建立煤矿地下水库理论框架和技术体系,提出生态脆弱矿区含 (隔) 水层特征及保水开采分区方案、特厚煤层保水开采分区及实践、 开采关键层理论、现代煤−水仿生共采理念与关键技术、控水采煤方法和保水采煤临界采高、采动覆岩保水采煤临界渗透系数、量化有效隔水层厚度等新认识。近年来高强度开采研究中扩展到采 动覆岩破坏及渗透性、地下水、土壤包气带、地表植 被等地下水环境影响和地表生态响应,提出导水 裂隙带“四带”空间分带特征和渗透系数与开采工艺参数关系、采动覆岩应力损伤变形时不同应力区段介质渗透能力差异性、导水裂隙带确定方法、 基于微震能量密度和视电阻率的导水通道识别方法、基于地震波阻抗与TEM 联合反演的陷落柱及富水性、“三软”煤层综放工作面覆岩裂隙导水集中区、矿井涌水与地下水系统关系等,探讨了含 水层人工修复技术途径和地下水环境保护性对 策;在地下水流场经典模型及理论分析方法基础上,深入研究了第1类越流系统井流非理想条件影响,采用各种有限元和可视化方法模拟分析矿区地下水流场,构建了集地表生态、地下水和采矿要素等为一体的采矿生态系统等,为含水层保护和保水开采积累大量成果。
煤炭高强度地下开采中含水层保护是安全绿色 开采的重要指标,而采动局域渗流响应规律是含水层保护方法的认知基础。笔者针对开采中采动渗流场 形成及变化,采用多源耦合分析思路,通过剖析开采激励−覆岩损伤−渗流场响应耦合关系,研究采动局域渗流场结构和分析采动渗流场时−空演化规律及累积效应,充分利用有限的长周期水文观测数据,深入分析高强度开采中采动渗流响应和含水层保护开采若 干问题,并结合软岩区典型案例应用及效果总结,形成面向矿区地下水保护的采动渗流场分析方法,为地下水保护和工程实践提供适用理论分析方法。
煤炭高强度开采中含水层保护是绿色安全开采的难点,采动局域渗流响应规律则是含水层 保护方法与技术的认知基础。研究采用多场源耦合分析思路和有限的矿区水文观测数据,通过剖析开采行为与渗流场响应耦合关系,构建采动局域地下水系统和分析采动渗流场时−空演化规律及采动−渗流耦合累积效应,结合典型案例分析,形成适于矿区地下水保护的采动渗流场分析方法。 结果表明:
(1)分析提出基于“开采激励−覆岩应变−渗流场响应”耦合和开采动能量与渗流场势能量传递关系的采−渗耦合机制,构建了描述采动局域渗流场状态的采动渗流系统 (MSS) 和采动渗流场的导通区、扰动区和辐射区划分架构。
(2)构建集导通区“柱状渗流模型”和扰动−辐射区“井−渗” 态模型为一体的采动渗流场分析简化模型,提出采−渗耦合系数、采动渗流量、视导水系数、源−位距等采动渗流场描述参数,含水层损伤、安全开采风险等含水层保护分析参数。
(3)揭示采−渗 耦合系数是影响局域采动渗流响应特征的关键因子,发现硬岩类较软岩类覆岩耦合强度和影响范围大,低导水性较高导水性含水层的采动渗流场响应区域窄、频度高和累积影响距离近,采动渗流量和介质导水性等响应显现周期性、振幅波动性和涌流脉动性等特点。
(4)提出基于采−渗累积效应的导通区辨识分析流程,针对采区非均匀介质的采动区域渗流异常均衡分析法和采动工作面导通区辨识的约束均衡分析法,基于非均匀含水层开采损伤控制的开采风险、覆岩厚度和采高分析方法;
(5)应用表明:采动渗流直接影响III含和波及II含,采动期 (2012—2019) 累积影响半径 分别超过2km和6km;III 含采动渗流量显著低于II含,但采−渗协同响应显著,总量接近同期全区工作面矿井水实测量。其中,主要导通区在首采工作面初采段,渗流量源于 III 含直接“排泄” 和II含大量的越层“补给”,其他采区总量稳定且水平较低,主要源于III含采动裂隙渗流及少量II含周期性沉陷裂缝越层补给;巨厚多含水层时采用“保II控III”策略和“低进、高推、慢停”柔性回采模式,西区和东区安全采高分别提升到8~12 m和16m左右后,续采区渗流异常水平显著下降和无采动涌水现象实证目标含水层保护效果显著。
图 1 采−渗耦合机制
图 2 采动渗流系统 (MSS)
图 3 采动渗流场“位–源”关系示意
图 4 采动渗流场结构模型
图 5 采−渗耦合系数变化分析
图 6 采−渗耦合分析实例 (Hc=8 m)
图 7 不同含水层采动渗流场响应综合分析 (Δt≈10 d)
图 8 不同含水层采动渗流场响应综合分析 (Δt=1 d)
图 9 不同含水层采动渗流场的位–源距 rt 影响因子分析示例 (Δt≈10 d)
图 10 不同含水层采动渗流场 rt 与 at 响应趋势分析示例 (Δt≈10 d)
图 11 导通区辨识分析流程
图 12 开采期采动渗流场变化累积趋势 (2012—2019 年)
图 13 典型工作面采动期 III 含导通区分析示例
图 14 基于保 II 含策略的安全采高 Hλc (x,y) 分析
张建民,男,1957年7月生,河北张家口人,博士,教授级高级工程师。曾在神华集团有限责任公司科技发展部及煤炭开采水资源保护国家重点实验室工作,组织完成多项国家级科技计划和国际科技合作项目,获国家科技进步二等奖和省部级一等奖10项,国内外发表学术论文50余篇和出版中英文专著12部,10项授权发明专利。曾获享受国务院特贴专家和神华集团劳动模范称号。
研究方向
大型煤矿区资源与环境协调开发
主要成果
致力于大型矿区资源与环境可持续开发方法与技术研究,相继在资源开发与环境保护协调方法、地下煤火探测与治理、伴生资源开发利用、超大工作面开采、煤矿地下水库、煤炭减损开采和含水层保护、大型煤电基地生态修复与水资源保护关键技术等方面取得多项明显创新性成果,完成第一部《中国地下煤火研究与治理》和大型煤电基地生态修复系列专著,提出“减损开采”与“仿生修复”相结合的关键技术体系,为协同我国煤炭资源开发与生态环境保护提供了适用方法与关键技术。
来源:
张建民,李全生,曹志国,等. 采动渗流场分析方法[J]. 煤炭学报,2023,48(10):1−18.