陕北煤炭大规模开采含隔水层结构变异及水资源动态研究
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摘要
我国西北部煤炭资源总体埋藏浅、厚度大、储量丰富，但地处干旱—半干旱地区，水资源整体匮乏、生态环境脆弱，随着我国煤炭开采的战略西移加快，煤炭资源开采与水资源保护的矛盾将日益突显。本文以毛乌素沙漠东缘与黄土高原接壤地带的陕北神南矿区为例，在水文地质调查的基础上，综合运用勘探和原位测试、室内实验、物理模拟和数值模拟、岩土力学和地下水动力学理论分析计算等手段，研究了矿区水文地质工程地质条件及其受采动影响的变化，浅埋大规模煤炭开采含隔水层结构变异、类型划分、空间分布及其对水循环的动态影响，提出利用采空区储水供水的“保水采煤”等技术措施。主要研究结论如下：
（1）通过大量水文地质补充勘探测试，查明了神南矿区水文地质条件及水资源赋存现状，认为神南矿区有较丰富的砂层潜水常年稳定补给地表水，为矿区生态用水的主要水源，形成了干旱矿区珍惜的“砂层潜水补给——沟网”生态环境，是“保水采煤”的主要保护对象。
（2）通过室内变水头渗透、X衍射、膨胀性、三轴渗透、原位双环注水、钻孔压（注）水等试验结合土体微观结构，阐释了煤层回采前后砂层潜水下伏离石组黄土和保德组红土渗透性及采动变异特征。揭示了煤层回采前，离石黄土和保德红土是砂层潜水的相对隔水层，为“保水采煤”的关键。基于离石黄土和保德红土受不同采动影响程度下（裂隙贯通区、边缘拉张区、中部压实区、整体移动区）隔水性及破坏后可逐渐恢复特性，提出矿区内受采动影响，整体隔水土层残余厚度40m为保持对砂层潜水隔水性的阈值。
（3）从导水裂隙、地表拉伸裂隙及开采沉陷三个方面量化分析了含隔水层结构采动变异受控因素。将含隔水层结构采动变异划分为三类，即渗漏变异、越流变异及沉降变异，并进一步将越流变异分为超限越流变异和有限越流变异，将沉降变异分为超限沉降变异和有限沉降变异，分析了不同采动含隔水层结构变异类型的水文地质特征和意义，认为渗漏变异和超限越流变异主要造成砂层潜水的漏失，有限越流变异和有限沉降变异主要造成潜水位波动，超限沉降变异主要造成砂层潜水侧向补给受阻而逐渐干涸。
（4）采用固液耦合物理相似模拟试验和地下水动力学，分析了含隔水层结构采动有限沉降变异对砂层潜水位动态影响机制，提出有限沉降变异和有限越流变异条件下砂层潜水下降及动态恢复过程的历时计算方法，认为区内有限沉降变异条件下1a时间砂层潜水位可基本恢复，得到开采实践的初步验证，并给出相应的生态环境响应特征及防治措施。
（5）在分析含隔水层结构采动渗漏变异和超限越流变异条件下各类水资源循环过程规律的基础上，研究了采空区储水水资源形成条件、储水特性和采空区储水量的极限及动态历时过程，提出利用采空区储水供水的“保水采煤”新模式，并通过实践检验其在技术、经济及生态上的可行性。
（6）基于不同采动含隔水层结构变异类型的水文地质特征，评价了神南矿区首采煤层开采对水资源的影响，预测了“十二五”末矿区水资源分布，提出了适宜的“保水采煤”技术措施，初步实现了煤炭资源与水资源的协调开采。
The coal resources have characteristic of shallow buried, large thickness and richreserves but short water source and vulnerable environment in semiarid-aridnorthwest China. With strategic westward shift of coal exploitation more quickly inChina, the contradiction between coal mining and water protection show morespecially. Therefore, taking Shennan Coal Area located in the border area of eastMaowusu desert and loess plateau as research objects, based on hydrogeology survey,the hydrogeologic and engineering geologic condition also with its mining variation,variation types and distribution of aquifer-aquiclude strata structure, as well as thewater resources dynamic circulate process with shallow mining have analyzed byexploration and situ tests, indoor tests, numerical simulation, model similar simulationtests, rock-soil mechanics and underground water dynamics theoretical analysis aswell as field observation methods etc. And the new water preserved mining methodhas proposed, which is using of water storage by goaf for water supplying. Innovativeresults of this dissertation have been displayed as follows:
(1)By a lot of additional hydrologic geology explorations, the hydrogeologiccondition and water resources present status in research area have investigated.Relative abundant sand dive recharges river system steadily in Shennan Coal Area,and the river basin supply water for the vegetations, so the “sand dive recharge-riverbasin” entironment is proposed for preventing mainly.
(2)The Lishi and Baode Ground loess permeability and its variation characterswith mining have analyzed by variable head permeability tests, X-ray diffraction tests,expansion tests, triaxial infiltration tests, water injection tests in pit and situ water pressure(injection) tests. The results show that Lishi and Baode Ground loess layers arerelative aquifuge of sand dive before mining, and it is the key of water preservedmining. The permeability and its recovery character after damage of the two loesslayers have researched with different effect degrees including connected fissures area,pull apart area, central press area and whole move area. The whole residual thickness ofresisting-water loess layer beyond40m has proposed for protecting the overburden sand dive fromdry.
(3)Three main mining relevant factors of sand dive aquifer-aquiclude structurevariation have analyzed for quantization in study area. Based on that, theaquifer-aquiclude structure mining variations are divided as three, including seepage flow variation type, leakage flow variation type which contains overrun leakage flow variationtype and limited leakage flow variation type, subsidence variation type which contains limitedsubsidence variation type and overrun subsidence variation type. The hydrological geologycharacters and significances of five aquifer-aquiclude structure mining variation types haveanalyzed. Seepage flow and overrun leakage flow variation types make water resources leakage.Limited leakage flow and limited subsidence variation types make water resources fluctuation.Overrun subsidence variation type makes water concave dry.
(4)Based on the dynamic fluid-solid coupling physical simulation tests andunderground water dynamics theoretical analysis，mechanism of sand dive leveldynamic process affect by aquifer-aquiclude structure limited subsidence and limitedleakage flow variation has analyzed. The calculation methods of sand dive level drop and dynamicrecovery process have proposed. And the sand dive level recovery finally needs1a withaquifer-aquiclude structure limited subsidence variation in research area. The mining practicehas checked the analysis result. At last the response characters of entironment in waterfluctuation area have analyzed and countermeasures have proposed for preventingenvironment.
(5)Based on analysis of water resources circulate process characters withaquifer-aquiclude structure mining seepage flow and overrun leakage flow variation, waterresources recharging conditions, water resources storage characters, water storagemaximum and dynamic process by goafs are researched. A new model which is usinggoafs for water resources storage and exploiting it for water supplying has proposed.And the practice checks the new model from technological, economic and ecologicalviews.
(6)Based on hytdrological geology characters with different aquifer-aquicludestructure mining variation types, the water resources effect with first coal mining inShennan Coal Are have appraised. The water resources distribution in the end of2015has forecasted. Some proper water preserved mining technical measures haveproposed, which have coordinated coal mining and water protected successfully.
（1）通过大量水文地质补充勘探测试，查明了神南矿区水文地质条件及水资源赋存现状，认为神南矿区有较丰富的砂层潜水常年稳定补给地表水，为矿区生态用水的主要水源，形成了干旱矿区珍惜的“砂层潜水补给——沟网”生态环境，是“保水采煤”的主要保护对象。
（2）通过室内变水头渗透、X衍射、膨胀性、三轴渗透、原位双环注水、钻孔压（注）水等试验结合土体微观结构，阐释了煤层回采前后砂层潜水下伏离石组黄土和保德组红土渗透性及采动变异特征。揭示了煤层回采前，离石黄土和保德红土是砂层潜水的相对隔水层，为“保水采煤”的关键。基于离石黄土和保德红土受不同采动影响程度下（裂隙贯通区、边缘拉张区、中部压实区、整体移动区）隔水性及破坏后可逐渐恢复特性，提出矿区内受采动影响，整体隔水土层残余厚度40m为保持对砂层潜水隔水性的阈值。
（3）从导水裂隙、地表拉伸裂隙及开采沉陷三个方面量化分析了含隔水层结构采动变异受控因素。将含隔水层结构采动变异划分为三类，即渗漏变异、越流变异及沉降变异，并进一步将越流变异分为超限越流变异和有限越流变异，将沉降变异分为超限沉降变异和有限沉降变异，分析了不同采动含隔水层结构变异类型的水文地质特征和意义，认为渗漏变异和超限越流变异主要造成砂层潜水的漏失，有限越流变异和有限沉降变异主要造成潜水位波动，超限沉降变异主要造成砂层潜水侧向补给受阻而逐渐干涸。
（4）采用固液耦合物理相似模拟试验和地下水动力学，分析了含隔水层结构采动有限沉降变异对砂层潜水位动态影响机制，提出有限沉降变异和有限越流变异条件下砂层潜水下降及动态恢复过程的历时计算方法，认为区内有限沉降变异条件下1a时间砂层潜水位可基本恢复，得到开采实践的初步验证，并给出相应的生态环境响应特征及防治措施。
（5）在分析含隔水层结构采动渗漏变异和超限越流变异条件下各类水资源循环过程规律的基础上，研究了采空区储水水资源形成条件、储水特性和采空区储水量的极限及动态历时过程，提出利用采空区储水供水的“保水采煤”新模式，并通过实践检验其在技术、经济及生态上的可行性。
（6）基于不同采动含隔水层结构变异类型的水文地质特征，评价了神南矿区首采煤层开采对水资源的影响，预测了“十二五”末矿区水资源分布，提出了适宜的“保水采煤”技术措施，初步实现了煤炭资源与水资源的协调开采。
The coal resources have characteristic of shallow buried, large thickness and richreserves but short water source and vulnerable environment in semiarid-aridnorthwest China. With strategic westward shift of coal exploitation more quickly inChina, the contradiction between coal mining and water protection show morespecially. Therefore, taking Shennan Coal Area located in the border area of eastMaowusu desert and loess plateau as research objects, based on hydrogeology survey,the hydrogeologic and engineering geologic condition also with its mining variation,variation types and distribution of aquifer-aquiclude strata structure, as well as thewater resources dynamic circulate process with shallow mining have analyzed byexploration and situ tests, indoor tests, numerical simulation, model similar simulationtests, rock-soil mechanics and underground water dynamics theoretical analysis aswell as field observation methods etc. And the new water preserved mining methodhas proposed, which is using of water storage by goaf for water supplying. Innovativeresults of this dissertation have been displayed as follows:
(1)By a lot of additional hydrologic geology explorations, the hydrogeologiccondition and water resources present status in research area have investigated.Relative abundant sand dive recharges river system steadily in Shennan Coal Area,and the river basin supply water for the vegetations, so the “sand dive recharge-riverbasin” entironment is proposed for preventing mainly.
(2)The Lishi and Baode Ground loess permeability and its variation characterswith mining have analyzed by variable head permeability tests, X-ray diffraction tests,expansion tests, triaxial infiltration tests, water injection tests in pit and situ water pressure(injection) tests. The results show that Lishi and Baode Ground loess layers arerelative aquifuge of sand dive before mining, and it is the key of water preservedmining. The permeability and its recovery character after damage of the two loesslayers have researched with different effect degrees including connected fissures area,pull apart area, central press area and whole move area. The whole residual thickness ofresisting-water loess layer beyond40m has proposed for protecting the overburden sand dive fromdry.
(3)Three main mining relevant factors of sand dive aquifer-aquiclude structurevariation have analyzed for quantization in study area. Based on that, theaquifer-aquiclude structure mining variations are divided as three, including seepage flow variation type, leakage flow variation type which contains overrun leakage flow variationtype and limited leakage flow variation type, subsidence variation type which contains limitedsubsidence variation type and overrun subsidence variation type. The hydrological geologycharacters and significances of five aquifer-aquiclude structure mining variation types haveanalyzed. Seepage flow and overrun leakage flow variation types make water resources leakage.Limited leakage flow and limited subsidence variation types make water resources fluctuation.Overrun subsidence variation type makes water concave dry.
(4)Based on the dynamic fluid-solid coupling physical simulation tests andunderground water dynamics theoretical analysis，mechanism of sand dive leveldynamic process affect by aquifer-aquiclude structure limited subsidence and limitedleakage flow variation has analyzed. The calculation methods of sand dive level drop and dynamicrecovery process have proposed. And the sand dive level recovery finally needs1a withaquifer-aquiclude structure limited subsidence variation in research area. The mining practicehas checked the analysis result. At last the response characters of entironment in waterfluctuation area have analyzed and countermeasures have proposed for preventingenvironment.
(5)Based on analysis of water resources circulate process characters withaquifer-aquiclude structure mining seepage flow and overrun leakage flow variation, waterresources recharging conditions, water resources storage characters, water storagemaximum and dynamic process by goafs are researched. A new model which is usinggoafs for water resources storage and exploiting it for water supplying has proposed.And the practice checks the new model from technological, economic and ecologicalviews.
(6)Based on hytdrological geology characters with different aquifer-aquicludestructure mining variation types, the water resources effect with first coal mining inShennan Coal Are have appraised. The water resources distribution in the end of2015has forecasted. Some proper water preserved mining technical measures haveproposed, which have coordinated coal mining and water protected successfully.
引文
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