近浅埋多层厚硬顶板大采高综放工作面矿压显现规律研究

针对榆神矿区近浅埋多层厚硬顶板条件下,“大周期”来压支架立柱下缩量大、煤柱应力集中系数高、稳定性差等强矿压问题,采用了数值计算、微震和煤体应力监测等技术手段,对覆岩破断运动及工作面来压规律进行了分析研究,结果表明:覆岩破断运动上,多层厚硬顶板较大的“垂向离层空间”和“自下而上”的顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“高低层位顶板组合破断”是“大周期”来压增强的关键诱因;同时,煤柱应力的时空演化受控于多层厚硬顶板的破断垮落。矿压显现上,工作面“大周期”立柱下缩量平均可达945 mm,持续距离12.10 m,并可由2~5次连续强来压组成;巷道煤柱应力集中系数达到1.80~2.30,影响范围为工作面前方126 m至后方471.3 m,具有明显的“高强度、大范围、长上升期”特点。针对该条件下的强矿压防治,分别提出了“弱化低位顶板、优化破断结构”和“弱化高位顶板、改变破断次序”的技术思路,并取得的了较好的应用效果。

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。

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。

以覆岩离层注浆为主的保水采煤技术研究

榆神矿区地域辽阔、煤炭资源丰富,是国家重点建设的陕北煤炭基地的重要组成部分。持续高强度的煤炭开采对下水资源造成了破坏,损害了当地脆弱的生态环境。针对榆神矿区干旱半干旱地区水资源贫乏、生态环境脆弱等特点,以区内郭家滩煤矿为重点研究对象,通过研究煤矿开采条件、地质及水文地质特征,提出了在分层开采、限制导水裂隙带发育高度的基础上,以覆岩离层注浆充填控制上部含(隔)水层稳定为主,结合顶板隔水层再造(加固)、冒落带和导水裂隙带注浆封堵、保水采煤效果动态监测等技术的保水采煤一体化技术体系,并对试验示范区保水采煤效果进行了预计。

类比分析方法在矿井涌水量预测中的应用——以榆神三期矿区为例

榆神三期矿区位于防风固沙、水源涵养的重要生态功能区,地下水是维系区域生态系统的重要水源,准确估算矿井涌水量对区域地下水保护意义重大。我国现有矿井涌水量预测方法主要分为确定性(包括数值模拟法、解析法等)和非确定性(包括类比法、模糊数学模型、时间序列分析等)两大类。本研究采用类比法,分析了各拟类比矿井的水文地质条件、地质结构分区、煤层埋深、导水裂缝影响情况以及隔水层保留厚度等条件,在本矿区或临近区域内确定类比对象矿井,进一步分析了矿井各阶段开采规模、采煤方法、开采工作面等条件,明确了类比的开采阶段,得出了矿井涌水量预测结果,并对不同方法矿井涌水量预测结果进行了对比。合理采用类比法开展矿井涌水量预测,可为周边分布有敏感水环境保护目标的矿区,以及生态系统稳定性明显受地下水资源影响的矿区,科学制定地下水保护对策提供更为准确的数据支撑。

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。

天窗补给型衍生式矿井动力突水模式及其评价与治理技术

中西部煤炭资源富集程度最高,开发条件优越,随着开采效率的逐步提升,高强度大采高的开采模式对地下水系统的扰动程度也随之增加,特别是导水裂隙带发育范围之外含水层的地下水在煤层开采中逐渐参与到矿井涌水过程,此类模式导致了矿井涌水预测偏差大、水害危险性评价不准确和水害治理措施不明确等一系列问题,为当前的矿井水害防治带来了极大隐患。初步总结了一种衍生式动力突水模式,即随着煤层开采,顶板覆岩破坏导致地下水系统的演化会诱发新的灾害源,从而导致不同形式的突水模式。其内涵是将定义衍生式动力突水模式的基础从传统的开采前静态分析转变为考虑采矿全周期内变化的动态评价。矿井衍生式动力突水模式可初步分为三大类,分别是“天窗补给型”、“离层灾害型”和“导水通道增渗型”。此次主要针对“天窗补给型”衍生式动力突水模式进行初步探讨,以近些年高强度大采高的浅埋煤层矿区——陕西榆神矿区为例,深入探讨了“天窗补给型”衍生灾害的孕灾条件。通过补充分析间接充水含水层富水性和水力联系强度实现对顶板含水层涌(突)水危险性的综合评价,提出了灾害衍生模式的评价方法体系。通过开采方式的转变,构建了“三查、一定、两验证、两跟踪”的主动防治体系;通过采前多目标疏降和采后局部注浆治理构建了被动防治体系。通过进一步细化矿井涌(突)水致灾模式,优化了评价体系,建立了综合防治技术,为生态脆弱区的地下水资源保护与矿井安全低碳开采提供依据。

小保当井田2-2煤潜水采动影响分区研究

针对小保当井田在未来开采过程中造成的地下水资源大量漏失的问题,以小保当井田开采的2-2煤层为研究对象对潜水资源受煤层采动影响分区进行研究。采用富水指数法通过AHP-熵值法建立评价模型划定了萨拉乌苏组潜水含水层富水性分区,根据相邻煤矿导水裂隙带现场实测类比确定了井田2-2煤层导水裂隙带发育高度及层位,采用信息融合理论方法综合松散潜水含水层富水性分区和2-2煤层导水裂隙带发育层位划分小保当井田内潜水资源受采动影响分区,得出结论:井田未来开采2-2煤层时对松散潜水含水层的采动影响较小,仅存在一般失水区,位于井田南部且范围较小。由于在研究过程中采用了相邻矿井的资料,因此对相邻矿井未来进行相关研究和煤炭开采有一定的指导意义。

曹家滩煤矿综放开采顶板涌水机理及涌水量预测

为了保障曹家滩煤矿首个厚煤层综放工作面安全生产,分析煤层顶板含水层特征,结合地面瞬变电磁探查顶板含水层富水异常区,评价顶板含水层对采掘活动的影响程度,利用实测导水裂隙带发育高度判断了矿井直接充水水源,认为直接充水水源为延安组、直罗组和风化基岩砂岩含水层,采用动静结合法预测了工作面涌水量,预测结果可靠,结合工作面实际涌水量与含水层富水性异常区综合分析了涌水机理,确定工作面防治水工作重点为风化基岩含水层的有效疏放,为综放工作面顶板水害防治提供科学依据。

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。

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。

中深埋厚煤层开采地下水位动态变化规律及形成机制

煤炭开采对风化基岩含水层和潜水含水层的影响是榆神矿区“保水采煤”研究的重点。为揭示榆神矿区风沙滩地区中深埋厚煤层开采条件下地下水动态变化规律和机理,以榆神矿区中部某矿首采工作面(01工作面)为研究区,采用钻探、地下水位观测、野外实地探查和综合分析等方法,研究了采动地下水动态变化规律及其与覆岩损害和地表下沉之间的耦合关系。结果表明:①风化基岩含水层水位随回采表现出“先下降后回升”并恢复至初始水位的动态变化过程,中间可分为“快速下降”、“回升恢复”和“稳定波动”3个阶段,平均持续时间为102 d。在水位快速下降阶段,水位最大降深、平均下降速率均呈正态分布,且与距工作面中心距离呈指数函数关系;水位回升恢复阶段,持续时间和平均回升速率与距工作面中心距离呈负相关关系;②当潜水含水层分布局限、侧向补给缺乏时,潜水含水层水位出现“先下降后回升”和“持续下降”至稳定2种动态变化规律,且均未恢复至初始水位;③面内风化基岩含水层水位动态变化过程与风化基岩层的剧烈下沉密切相关,风化基岩层下沉速度的增大和减小过程分别对应水位的下降和回升过程,水位下降则与其下沉、临时性裂隙和离层发育有关,水位回升则是下沉减缓、临时性裂隙和离层的闭合以及含水层侧向补给因素有关;面外风化基岩含水层水位的动态变化则与其侧向补给有关;④面内潜水位的动态变化过程与地表下沉密切相关,其水位下降与地表活跃阶段早期剧烈下沉具有同时性和一致性,地表下沉造成的潜水水头差和潜水的渗流出露是造成水位下降的主要原因;水位回升则是地表进入活跃阶段后期和衰退阶段,高位潜水侧向补给和大气降水补给造成的;面外潜水位持续下降则是潜水侧向渗流和补给不足造成的;⑤中深埋煤层开采条件下,导水裂隙带一般不会导通至风化基岩层,风化基岩含水层水和潜水含水层水不会因采动导水裂隙而漏失,风化基岩水位可恢复,潜水含水层水位会因采动地表移动发生变化。

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。

基于覆岩层状结构特征的开采沉陷分层传递预计方法

煤系覆岩层状结构作为煤炭赋存的显著而重要的地质特点,不仅影响着开采沉陷的发展过程,也决定着沉陷后地表最终形态。以陕北榆神矿区2^(-2)主采煤层区域地质赋存条件和小保当井田典型钻孔资料为主要依据,以砂岩层数、砂岩平均厚度、砂泥比等3个覆岩层状结构关键特征为变量,构建了18组覆岩层状结构数值模型。通过数值模拟实验,揭示了它们对下沉系数的影响规律,建立了相应的量化关系。从变形传递叠加的角度,提出了基于覆岩层状结构特征的开采沉陷分层传递预计方法的原理和前提条件,构建了开采沉陷分层传递走向主断面下沉、水平移动与变形预计模型。工程实例验证了该方法较概率积分法具有更高的整体预计精度,可为中国西部煤矿区开采沉陷的防治提供更好的技术支持。

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。

覆岩岩土比对开采沉陷的影响分析与数值模拟

以榆神矿区小保当井田2-2煤层覆岩为地质原型,基于区域地质条件和3个代表性钻孔构建了30个不同岩土比类型的数值模型,运用数值模拟试验的方法研究在地质条件和开采工艺相同的情况下,覆岩岩土比对开采沉陷的影响规律。研究结果表明:在250m和300m埋深水平下,下沉系数都会随着岩土比的增大而减小;在350m埋深水平下,下沉系数整体上呈现随岩土比增大而变小的趋势(岩土比为2∶1的点除外)。针对3种不同埋深水平建立了岩土比与下沉系数的量化关系;在不同的埋深水平下,岩土比对下沉系数的影响程度不同,随着埋深的增加,下沉系数的减小幅度基本表现为先变大后变小。

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。

面向生态的矿区地下水位阈限研究

分布在干旱半干旱地区的植被,由于降水不足以维持其长期生存,需要地下水提供部分或全部水源,因而对地下水有一定的依赖性。煤层开采破坏含水层后地下水位会大幅降落,这在一定程度上会给依赖地下水植被造成水分胁迫,进而控制生态系统演化过程。针对榆神矿区煤层开采引起地下水位变化的基本特征,提出了生态安全约束下矿区地下水位控制阈值的确定方法。研究表明,植物根系与地下水毛细上升带保持接触时,植物就可以吸收利用地下水,因此本文将最大毛细上升高度与根系长度之和作为植被利用地下水的最大临界埋深。在毛管流理论指导下,以颗粒排列方式与孔隙直径大小的关系建立了最大毛细上升高度计算公式,并给出了通过颗粒级配曲线确定最大毛细上升高度的方法。据此计算的毛乌素风积沙最大毛细上升高度的取值区间为0.7～2.0 m,进一步确定了榆神矿区生态安全约束下的矿区水位控制下限为4.0 m。在此基础上,以2016年地下水流场基准,以水位埋深4.0 m为界将榆神矿区划分为生态约束区和无约束区。水位埋深小于4.0 m的区域植被对地下水依赖程度高,属于生态约束区,煤层开采造成地下水位下降极易使植被遭受水分胁迫,因而是矿区生态环境保护的重点。研究成果阐明了榆神矿区生态环境及地下水位对煤层开发的限制条件,为进一步推进保水采煤技术的发展奠定了理论基础。