西部矿区地下水系统水化学过程及其采动激发效应

煤炭资源开采会破坏含水层结构,扰动地下水系统,产生新的水循环模式。作为煤炭保供生产重心的西部矿区,高强度、规模化的开采加剧了这一扰动,使水岩作用等水化学过程更加剧烈。其背后所蕴含的地下水系统水化学的煤矿开采激发效应,是关系到煤矿安全开采预测预报精度,以及绿色开采地下水环境保护的关键科学问题。鉴于此,以西部榆神矿区曹家滩煤矿为研究实例,利用水文地球化学的原理和方法,从“是什么”、“为什么”和“怎么变”的角度,开展激发效应结果、激发效应过程以及水化学演化趋势3个方面系统性的研究。结果发现:研究区的地下水可以被分为5个聚类,聚类1代表煤矿开采后井田西翼第四系与风化基岩含水层为主的浅层地下水,聚类2代表开采前后地下水的混合,聚类3代表开采前的地下水,聚类4和聚类5主要代表开采后的延安组地下水;煤矿开采后,直罗组、延安组第4段和第5段含水层水样中HCO_(3)–Ca和HCO_(3)–Mg占比上升,井田西翼开采后的浅层地下水水质整体最优,各含水层水质有向好演变的趋势且对煤矿开采的响应不敏感;研究区地下水整体受控于阳离子交替吸附作用,煤矿开采前延安组第4段及以上含水层地下水受控于碳酸盐岩和硅酸盐岩的溶解作用;煤矿开采后的井田西翼浅层地下水受控于碳酸盐岩的溶解作用,直罗组、延安组第4段和第5段含水层地下水主要受控于硅酸盐岩的溶解和FeS2的氧化作用,延安组第1~3段含水层地下水主要受控于蒸发盐的溶解作用;煤矿开采加速了地下水的循环速度、加强了含水层间的水力联系,由此产生的稀释作用与矿井水处理后综合利用的措施是延安组第4段及以上各含水层水化学特征和水质演化的原因;未来应当继续做好矿井水处理后综合利用的工作,并注意直罗组和延安组第5段地下水特征有向浅层地下水演变的趋势,避免今后的涌水水源结果产生误判。

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。

榆神矿区工作面顶板富水性综合分析

以曹家滩煤矿122106首采工作面为研究对象,确定工作面回采期间的主要充水水源和充水通道,并通过水化学分析,掌握研究区顶板富水情况,最后通过工作面涌水量预测,保证工作面安全开采。结果表明:研究区开采期间的主要充水水源为煤层上覆的侏罗系延安组、直罗组含水层以及部分区域的风化基岩含水层;主要充水水源为覆岩导水断裂带。采用音频电透视法和瞬变电磁法对顶板含水层探查,圈定有若干富水异常区,再通过钻探工程发现顶板存在3个富水层段,结合水化学分析结果判断不同富水层段的水质特征,并分析其水力联系。根据水文地质比拟法对研究区开采后涌水量进行预测,与矿井实际对比,预测结果较为准确。

动水条件下递增开放式涌水通道高效治理技术

陕西榆神矿区西湾露天煤矿东端帮一条爆破扩张裂隙沟通矿坑外侧烧变岩含水体,形成长度大于65 m的递增开放式涌水通道,水量稳定在400 m^(3)/h左右,流速高达0.36 m/s,导致该矿面临生态、环保、经济、安全等一系列问题。为尽快封堵该涌水通道,化解以上问题,综合考量环保、工期、成本及施工条件等,针对裂隙主通道位置的确定提出逐步加密布置钻孔的快速探查方法,针对动水条件下递增开放式涌水通道常规灌注方案骨料留存率极低的问题,提出新型骨料充填技术。采用上述方法,成功探查出2个与主涌水通道连通的钻孔,明确通道位置;治理时,先在通道外端口布设“骨料拦阻网”,再采用镁渣核和钙质结核搭配,提高骨料留存率,实现通道的快速充填,经双液浆加固,水量剩余6.6 m^(3)/h,仅用6 d即成功封堵该涌水通道。结果表明,本次提出的爆破裂隙探查方法和递增开放式涌水通道封堵方案科学、高效,该成功案例可为类似条件下涌水通道的探查与治理提供参考。