榆神矿区隆德煤矿侏罗系岩层微观孔隙结构及分形特征研究

岩层的微观孔隙结构决定其自身的渗透性,并影响着矿井涌水量的大小,提前研究岩层的微观孔隙结构对矿井水害防治具有重要意义。以隆德煤矿侏罗系岩层为研究对象,通过现场采样、X-射线衍射、CT扫描、压汞试验等方法,研究了岩层的微观孔隙结构;基于分形理论、系统聚类分析等方法,划分了孔隙结构类型。结果表明:隆德煤矿侏罗系岩层矿物成分主要包括石英、长石、碳酸盐,含量44.1%~90.9%,构成了主体骨架,胶结物含量6.1%~34.3%;岩层的平均粒径101.80~203.82μm,连通孔隙度3.41%~20.60%,顶部以及底部的孔隙度较大,中间部分的孔隙度小,孔隙结构的复杂程度一般。根据系统聚类法将侏罗系岩层的微观孔隙结构划分为三类,从Ⅰ~Ⅲ类,孔喉半径、孔隙度、渗透率及分选系数依次减小;排驱压力、相对分选系数及中值压力依次增大;储存地下水的能力依次减小,富水性依次减弱。研究成果从微观角度上为矿井疏放水工程施工靶区的圈定提供了理论依据,对矿井水害防治具有积极的指导意义。

榆神矿区面临的水文地质问题及其精细勘查

针对榆神矿区在地质勘查阶段水文地质勘探程度不足,难以满足现代化煤矿建设和生产需求的问题,在补充勘探时应做好浅埋煤层的精细勘查。在分析榆神矿区现阶段面临的主要水文地质问题的基础上,明确了水文地质精细勘探的必要性和主要勘查内容,认为需要对萨拉乌苏组、烧变岩、直罗组砂岩、洛河组砂岩等主要含水层进行重点勘探,查明其厚度、分布、岩性、孔隙裂隙发育特征、水文地质参数等,进而查明煤层及其与含水层、隔水层的空间赋存关系,精准确定小煤窑的采空区范围,编制各类等值线图,预测矿井涌水量。通过水文地质的精细勘查,能够为煤矿安全高效生产提供详细数据和资料,进而实现矿井水害防治和地下水资源保护。

榆神矿区导水裂隙带高度多因素影响规律及保水采煤分区

通过融合数理统计、多元回归与空间分析方法,分析了导水裂隙带发育高度受多种因素影响规律,构建了综采导水裂隙带高度与煤层采高、采深、开采推进速度多因素之间的非线性统计关系式;基于导水裂隙带经验公式及保水采煤阈值,将榆神矿区划分为五类,工况一条件下矿区内基于水资源保护的安全开采区域(WRSE)面积为4.24×10^(9)m^(2),占比为82%;基于水资源保护的非安全开采区域(Non-WRSE)的面积为920 835 911.3 m2,占比为18%;工况二条件下矿区内WRSE的面积为3.87×10^(9)m^(2),占比为77%;Non-WRSE的面积为1.14×10^(9)m^(2),占比为23%;工况三条件下矿区内WRSE的面积为3.78×10^(9)m^(2),占比为73%;Non-WRSE的面积为1.38×10^(9)m^(2),占比为27%;对比研究3种工况预测的保水采煤分区数据,以保水采煤分区结果确定了规划矿井的保水等级,确定了重点保护矿井。项目研究成果可为矿区合理地开采规划和设计提供宏观决策依据,进一步完善保水开采理论与技术体系。

榆神矿区顶板水井下钻孔疏干降压技术研究

锦界煤矿属水文地质条件极复杂型矿井,煤层顶板砂岩裂隙水和第四系松散岩类潜水是矿井主要涌水来源,煤层埋深浅,上覆含水层与煤层距离近,采煤活动形成的导水裂隙带高度超过隔水层厚度直接与含水层贯通形成的涌水通道给含水层水进入采煤工作面创造了良好条件。以锦界煤矿3盘区位于井田边界工作面为研究对象,采用FLAC^(3D)数值模拟软件模拟计算了天窗区和正常隔水层区(正常区)两种不同地质条件的疏干降压过程中的孔裂隙水渗流规律和孔隙水压力场变化规律。研究结果表明:疏干降压工艺改变了天窗区和正常隔水层区(正常区)地下水渗流场,起到了疏干降压的作用。与正常区不同,天窗区疏干降压孔流速快、疏干降压效果明显。

榆神矿区某煤矿开采对含水层结构影响程度浅析

煤炭资源的开发利用会造成含水层结构破坏,导致地下水渗漏。在煤矿开采过程中,煤层顶板及上覆地层失去支撑后发生变形产生裂隙,破坏含水层结构,改变地下水赋存环境,使地下水沿裂隙向下渗流,对地下水水位、水量产生影响。以榆神矿区某煤矿为例,通过资料收集、野外调查和综合整理分析,查明了其地表松散层厚度大、煤层上覆基岩薄、煤层埋藏浅、开采厚度大的基本特征。采用定量计算和定性分析相结合的方法,对该煤矿井工开采对地下水含水层结构的影响程度进行了预测分析,以期为同类矿山实施地下水资源保护提供借鉴。

榆神矿区地表下沉系数与采高相关性研究

本文以金鸡滩煤矿西翼第一采煤工作面为研究对象,在开采条件统一的基础上,分析不同采高地表移动观测站实测的沉降数据,研究了地表沉陷系数与开采高度的相关性。

榆神矿区煤水地质条件及保水开采

陕北侏罗纪煤田煤层埋藏浅,地表生态环境脆弱,煤炭开采过程中的环境保护备受关注。目前重点开发的神北矿区和榆神矿区东部,煤层埋深普遍小于150m,开采导致水位下降,诱发一系列表生生态环境问题和社会矛盾。表生生态环境严格受控于地下水位,采煤过程中,控制地下水位不发生明显下降是陕北生态脆弱矿区保水开采的核心。榆神矿区含煤地层整体向北西倾斜,煤层上覆基岩厚度向北西方向增大,基岩之上普遍分布有红土隔水层,深入研究煤炭开采过程中不对含水层造成破坏的煤水共生地质条件,确定既可采煤、又可实现水位不明显下降的区域,是陕北生态脆弱矿区保水开采的重要途径。论述了榆神矿区西部区保水开采地质条件,提出了开发建议。

榆神矿区矿井涌水量特征及影响因素

矿井水是陕北重要的可利用资源,榆神矿区矿井水主要来源于第四系萨拉乌苏组地下水,其次有侏罗系基岩裂隙水,调查了11处煤矿的矿井涌水量,并与煤炭产量进行了比较分析,研究表明,榆神矿区矿井涌水量与煤炭产量直接相关,吨煤富水系数介于0.93～4.23m3/t之间,一般1.2m3/t,矿井涌水量主要受第四系含水层富水性的影响,开采达到一定面积后,大气降水直接影响矿井涌水量。这对于未来矿井防排水设计、煤矿安全生产及能源基地供水水源解决途径具有一定指导意义。

榆神矿区保水采煤的工程地质背景

论述了榆神矿区煤层上覆红土、风化带基岩、未风化基岩的工程地质特征 ,认为红土层具有较好的隔水性能 ,风化带基岩中粘土矿物的含量增加 ,隔水性能明显增强。 2 -2 煤层上覆基岩为中硬岩石 ,而且有较多的软弱岩石夹层 ,煤层开采的冒裂带发育高度相对较小 ,影响不到第四系萨拉乌苏组含水层底部 ,具有较好的保水采煤工程地质条件。

陕北榆神矿区景观变化及其驱动力分析

应用ERDAS软件结合实地调查对榆神矿区2000年和2008年2期TM影像进行监督分类,通过Fragstats提取景观指数分析矿区景观格局的动态变化,并对其驱动力进行研究。结果表明:沙地为榆神矿区的景观基底,2008年达研究区总面积的46.81%。2000-2008年流动沙地、半移动沙地面积减小,主要演变为灌丛,建设用地面积增长速度最快,斑块数增加,景观多样性指数和均匀度指数增加;气候变化等自然因素和退牧还草、煤炭开采等人为因素是当地景观变化的主要驱动力。

榆神矿区地表水水化学特征及其影响因素分析

煤矿开采外排矿井水可能对地表水系水质产生影响,为了研究榆神矿区地表水的水质状况,采集了秃尾河和榆溪河沿程的地表水样各5组,采用数理统计法分析了地表水的水化学特征;运用Piper三线图分析了地表水的水化学类型及其主要离子组成特征;采用Gibbs图和离子相关关系等方法探讨了地表水主要离子的来源及其影响因素。研究结果表明:榆神矿区秃尾河水的TDS为404.32~794.17 mg/L,平均为529.68 mg/L,榆溪河水的TDS为303.73~434.77 mg/L,平均为356.88mg/L,均为弱碱性淡水。地表水阳离子均以Ca^2+和Na^+为主,秃尾河水的Ca^2+和Na^+平均质量浓度分别为63.33和46.63 mg/L,而榆溪河水的Ca^2+和Na^+平均质量浓度分别为61.08和16.44 mg/L;阴离子均以HCO3^-为主,秃尾河和榆溪河水的HCO3^-平均质量浓度分别为294.96和225.34 mg/L,地表水的水化学类型以HCO3^--Ca^2+为主。秃尾河地表水各水化学参数呈现从上游到下游逐渐降低趋势,而榆溪河地表水各水化学参数呈现从上游到下游逐渐升高的趋势。根据地表水中各化学指标间的相互关系矩阵可知,TDS与K^+、Na^+、Mg^2+、Cl^-、SO4^2-和HCO3^-都存在显著的正相关关系,说明这些离子均对TDS有明显的贡献。HCO3^-分别与K^+、Na^+、Ca^2+存在显著的相关关系,说明这些离子可能来源于同一样物质,可能来源于含钠硅酸盐的溶解。地表水中主要离子主要来源于硅酸盐的岩石风化溶解以及阳离子交换作用,其中SO4^2-、NO3^-和Cl^-的浓度局部较高,大部分浓度均较低,说明地表水局部地段受人类活动的轻微影响,但由于河流的径流、混合和稀释等作用,人类活动对地表水水质的影响有限。

榆神矿区保水采煤工程地质条件分区研究

为有效地解决榆神矿区日益凸显的煤炭资源开采与脆弱的生态环境之间的矛盾,以榆神矿区区域地质资料为依据,选取了平面上均匀分布的500多个钻孔,统计了每个钻孔的首采煤层及其上覆含、隔水层组合类型,同时考虑区域保水采煤已有研究中研究较少的洛河组含水层,并将其作为保水对象,结合区域首采煤层及含、隔水层赋存特征,按照"区内相似,区际相异"、"为保水采煤服务"等原则进行了榆神矿区保水采煤工程地质条件分区,最终将榆神矿区保水采煤工程地质条件分为5个区:沙-土-洛-基型保水开采区、沙-土-基型保水开采区、沙-基型保水开采区、无水开采区、烧变岩型保水开采区,在此基础上,分析每个分区保水采煤的意义、可能性及难度,旨在促进保水采煤技术的发展,实现榆神矿区"煤-水"双资源型矿井的科学开采。

榆神矿区烧变岩水害防治技术

烧变岩含水层是榆神矿区东部浅埋煤层开采的主要水害威胁。通过分析地质勘探和井巷工程揭露资料,揭示了烧变岩含水层富水性受裂隙孔隙发育情况和补径排条件控制、顺层富水性不均一的典型特征,提出基于含水层空间结构和积水情况的'综合探查、以防为主、分区防治'的烧变岩水害防治技术。应用物探、钻探等综合探查手段查明烧变岩微裂隙孔隙弱含水区和孔洞裂隙积水区的范围,对烧变岩微裂隙孔隙弱含水区,仅需留设维持巷道稳定的窄小护帮煤柱;对烧变岩孔洞裂隙积水区,提出砌筑防水闸墙和留设防隔水煤柱方案。在留设10 m切眼护帮煤柱和43 m防隔水煤柱后,榆神一期规划区某矿2301大采高工作面实现了烧变岩含水层水资源保护基础上的安全开采。

榆神矿区资源赋存特征及保水采煤问题探讨

论述了榆神矿区煤炭、水资源的赋存特征及煤炭开发对水资源的需求和影响 ,提出了矿区开发保水采煤、保护环境的思路和方法。

浅析榆神矿区矿井水及其利用

锦界煤矿是榆神矿区投产的第一座现代化煤矿,矿井水文地质条件在榆神矿区具有一定的典型性,煤矿开采的矿井涌水量较大,主要来源于第四系萨拉乌苏组和侏罗系直罗组。在论述煤矿水文地质条件基础上,提出对矿井水进行提前疏干利用或补给附近泉域增加地下水补给量,以减少矿井涌水量,促进地下水资源的合理利用,保护生态环境。

基于无人机LiDAR的榆神矿区采煤沉陷建模方法改进

煤矿地表沉陷监测中常规的大地测量和InSAR等遥感手段均有一定的局限性。利用无人机LiDAR对沉陷区进行地面扫描,通过多期数据叠加可快速获取地表沉陷盆地的精细特征。然而,按现有的主流点云滤波及插值算法所构建的沉陷模型往往包含显著噪声,限制了该技术在矿区的实际应用。以榆神矿区某开采工作面地表为实验区,针对其地形起伏而植被覆盖度较低的地理环境,利用低空无人机LiDAR获取2期4组地面点云数据,结合常规地表移动实测数据,研究基于激光点云的矿区沉陷建模改进方法。分别采用专业化数字高程模型插值、反距离权重插值、克里金插值、自然邻域插值、样条函数插值及三角网渐进加密滤波、基于高程阈值的滤波、多尺度曲率滤波、基于坡度阈值的滤波、渐进形态学滤波等主流点云插值和滤波算法,构建实验区数字高程模型(DEM)并进行误差对比分析,发现专业化数字高程模型插值及三角网渐进加密滤波算法的效果相对较优,但两期DEM叠加生成的初始沉陷模型仍然精度不足,主要包含点云平面位置误差、非地面点噪声、点云内插误差、水域覆盖范围变化等引起的模型误差。在分析上述误差分布特征及其改进途径的基础上,提出基于小波阈值的沉陷模型去噪优化方案。针对沉陷盆地和非沉陷区域选用不同的小波参数,先利用非沉陷区下沉值为零的先验条件,对全区域数据进行多层次小波分解,再对沉陷区进行低层次小波分解,最后将两者结果进行镶嵌处理。实测验证表明,经上述小波去噪后的沉陷模型精度得到显著改善,并有效保留了沉陷盆地的细节特征,沉陷模型的总体标准差在50 mm以内,能够满足西部矿区地表大变形监测的基本要求。进一步根据沉陷模型边缘的随机误差特征,提出了基于下沉坡度临界值的沉陷边界提取方法,为机载LiDAR技术用于西部矿区采煤沉陷的高效监测与精细建模提供了可行方案。

榆神矿区地下水与生态环境演化特征

采矿活动一般都会造成矿区水文地质条件的变异,进而影响地下水流场及生态环境。为研究榆神矿区近15年采煤活动对地下水及生态环境的影响,通过对比2000年和2016年榆神矿区地下水流场形态,指出了煤炭资源开采后榆神矿区地下水位变化规律;采用同时段2期ETM+遥感影像解译了煤炭资源开采后土地荒漠化演化特征。结果表明:矿区开发建设中矿井涌水量占萨拉乌苏组水资源总量的3.22%,造成968 km2矿区地下潜水位下降幅度超过1 m,占矿区面积的18.4%,其中下降幅度大于8 m的区域集中在麻黄梁镇;2000—2016年间榆神矿区土地荒漠化呈逆转趋势,重度荒漠化和中度荒漠化土地面积锐减与非荒漠化土地面积剧增是其主要特征;矿区地下水位下降较大的地区土地荒漠化并未发生明显变化,二者之间没有统计相关性;干旱半干旱区煤炭资源开发受地下水的制约,水位上限必须小于最大毛细高度,水位下限以植被根系长度与地下水最大毛细上升高度之和来确定。据此,榆神矿区水位埋深上限为0.5 m,下限为4.0 m。榆神矿区地下水位下降明显的区域并未引起土地荒漠化发展,是由于这些地区植被对地下水依赖性较弱,尽管如此,干旱半干旱区矿区开发建设仍要重视地下水位阈限的约束,推行保水采煤技术。

榆神矿区的供水水源选择

矿区开发的初期用水可以利用烧变岩地下水 ,日供水能力约为 6万～ 7万m3 /d ,中长期供水选择矿区外围的第四系萨拉乌苏组和洛河组地下水。同时 ,矿井水可以通过自然下渗后补给地下水 ,丰富地下水资源 ,保证矿区开发用水和保护环境。

榆神矿区强松散含水层下采煤隔水岩组特性的研究

榆神矿区萨拉乌苏组为强松散含水层,但底部发育有一层黄、红土层,根据对萨拉乌苏组强松散含水层底部土层和基岩风化带的分布、性质、水文地质等特征分析,认为该土层与基岩风化带一起构成隔水岩组,因此合理利用其岩组的隔水特性开采煤层,对保护浅部的萨拉乌苏组含水层及防止矿井地质灾害具有重要意义。

榆神矿区地下水埋深上限阈值

减少矿产资源开发过程中水资源损失是生态脆弱矿区水资源管理的重点,量化地下水位埋深与潜水蒸发速率关系,可为西部干旱矿区水资源保护提供科学思路。以隔水岩组厚度与导水裂隙带高度之差,划分了榆神矿区煤层开采地下水位变化趋势分区;以水位埋深变浅区覆盖的风积沙为试样开展潜水蒸发试验,分析蒸发过程及不同水位条件下潜水蒸发规律;通过在水分特征曲线的转折点处构建双切线,推导求取地下水埋深上限阈值的解析公式;采用漏斗法测定榆神矿区风积沙的水土特征曲线,利用最小二乘法求取特征参数,求取榆神矿区煤层开采区地下水埋深上限阈值。结果表明:榆神矿区地下水位变化趋势可分为3个区,即水位埋深变浅区、过渡区和水位埋深增加区。水位埋深变浅区多位于榆神三、四期规划区,此区域水位埋深<4 m的面积占矿区面积的59.1%,开采沉陷极易造成地下水浅埋或出露;榆神矿区风积沙蒸发过程可分为2个阶段,即稳定蒸发阶段和水汽扩散阶段,地下水位埋深0.5 m左右时蒸发过程中的水分传输机制发生了转变,蒸发进入水汽扩散阶段;在稳定蒸发条件下建立了土壤水分运移方程,推求了地下水埋深上限阈值计算公式,地下埋深上限阈值与毛细上升高度和进气压力值有关,在数值上等于表层土与地下水之间毛管水力联系中断时表层土的基质势;地下埋深上限阈值可以通过van Genuchten方程的拟合参数α,n来求解;利用实测风积沙水土特征曲线的参数,确定榆神矿区地下水埋深上限阈值为50 cm,与蒸发试验结果一致。水位埋深变浅是中深部煤层开采遇到的普遍问题,对于干旱半干旱地区的榆神矿区而言,控制合理的水位埋深上限已成为煤层开采中需要面临的新的科学问题。