“保水采煤的理论与实践”专辑_中国煤炭行业知识服务平台

“保水采煤的理论与实践”专辑

来源：《煤炭学报》2019年第3期

西北大型煤炭基地地质环境条件的特殊性决定了煤炭开发过程中，必须优先保护、科学利用有限的水资源，才能维系和改善脆弱的生态环境。面对这一技术瓶颈和挑战，《煤炭学报》2019年第3期前27篇论文集中报道了在地质条件探测、水文地质条件评价、植被与地下水位关系、采煤过程中含(隔)水层结构保护等方面取得的进展，探讨了保水采煤面临的科学问题，确立了部分典型植被的地下水位阈值，刻画了高强度采煤条件下覆岩裂隙场、应力场、渗流场的动态演化规律以及地下水漏失量，建立并揭示了导水裂隙带发育高度预测模型及演化特征，形成了基于含水层结构保护的水害防控技术，开展了烧变岩强含水层、地表水体下保水采煤工程实践，划分了保水采煤矿井的等级类型，对厚含水层进行了精细划分，阐释了高强度采煤弱胶结覆岩的损伤过程，论述了地下水开发利用中的有关物质成分迁移路径、水资源储存技术，提出了基于含水层保护的地质环境承载力问题及解决途径。值得提及的是，保水采煤已经走出西北生态脆弱矿区，走向西南岩溶石漠化矿区，并首度走出国门，走向水资源丰沛的孟加拉国，实现了孟加拉国孟巴矿地下水径流系统的有效保护。

行业视野: 环境保护
类别; 108个
关键词; 118位
专家; 27篇
论文; 37226IP
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基于保水采煤理念的地质环境承载力研究

作者(Author)：孙魁, 范立民, 夏玉成, 李成, 陈建平, 仵拨云, 彭捷

摘要：我国西部生态脆弱区采煤引起的水资源破坏和地质环境变化，已经严重制约了矿区经济、社会、环境的可持续发展。通过梳理保水采煤、煤矿区地质环境承载力的研究进展，结合目前西部富煤缺水地区的地质环境现状，提出了基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路和框架。分析认为:基于保水采煤理念的地质环境承载力研究，应将保水采煤理念与地质环境承载力理论有机融合，系统分析“采煤活动—水资源破坏—地质环境效应”作用机理，从寻求煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解中阐述内涵。地质环境承载力评价方法研究，可采用属性分析、生态需求分析、数值分析、突变理论等方法，重点研究评价指标的量化方法、综合评价方法、承载能力及承载状态等级划分方法。对于承载能力的计算，可采用模拟实验，取得典型煤矿区承载能力下地质环境与开采强度临界值的关系数据，进而提取出控制和减轻煤矿区地质环境问题的保水采煤技术方法，确定合理的开采强度和规模。在承载力评价和计算的基础上，提出地质环境承载力影响因素的协同监测技术方法，并给出了承载力预警等级判定标准。所提出的基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路，以期丰富和发展保水采煤及地质环境承载力的科学内涵，为西部生态环境脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。

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煤炭学报

2019年第03期

1364

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结构充填“保水-储水”采煤顶板稳定性分析

作者(Author)：杜献杰, 冯国瑞, 戚庭野, 郭育霞, 王泽华, 张玉江, 李振, 白锦文

摘要：在结构充填开采基本思想的指导下，根据我国西北干旱半干旱地区保水采煤与矿区水资源安全高效存储的实际需求，充分发挥条带式结构充填保护含水层结构与煤矿地下空间再利用的优势，提出条带式结构充填“保水-储水”采煤构想。在分析了条带式结构充填覆岩结构特征基础上，采用弹性地基上的有限长梁模型对“充填条带-直接顶”整体结构进行了力学分析，并结合初始参数法分段解析了直接顶变形方程。同时根据“保水-储水”的功能要求，提出了条带式结构充填“保水-储水”采煤的直接顶控制原则。根据新阳矿区工程地质条件和充填材料性能，通过理论计算得到条带式结构充填的临界充填率为51%，最大充填间距为11.46m。通过FLAC3D数值模拟对新阳矿区条带式结构充填“保水-储水”方案进行了优化设计，结果表明:在保持充填率基本不变的情况下，随着充填间距的减小，直接顶自承载能力逐渐增强，可形成“充填条带-直接顶”结构控制体系，对上覆岩层的控制作用明显提升;充填间距的减小缓解了充填体和直接顶内的应力集中现象，显著减小了充填条带和直接顶内的塑性区范围，有利于充填条带和直接顶的长期稳定，进而实现条带式结构充填“保水-储水”的目的;综合分析得到了新阳矿区条带式结构充填“保水-储水”采煤的最佳充填方案为间隔2m充填2m。

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煤炭学报

2019年第03期

1216

430
榆神府矿区含水层富水特征及保水采煤途径

作者(Author)：侯恩科, 车晓阳, 冯洁, 段中会, 高利军, 李军

摘要：榆神府矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带，生态环境脆弱，水资源匮乏，区内各主要含水层分布与富水性不均，含水层富水性及矿井涌水对煤矿生产影响差异较大，因此矿井水资源的综合利用与含水层的有效保护对煤矿生产与地区生态建设意义重大。通过分析萨拉乌苏组、烧变岩、风化基岩层等各主要含水层的形成、分布及富水特征，结合矿井首采煤层上覆基岩厚度与矿井目前涌水量情况，将区内生产矿井及待规划区域从“水资源保护与矿井水利用”角度划分为水量贫乏型、水量较丰富型、水量丰富型及地表水体型4种类型，并根据不同类型的分布特征进行了分区。在此基础上，针对不同的水资源保护与矿井水利用类型，分别提出了采空区存储净化、工业利用、农业灌溉、湿地建设和人工湖泊等具体的水资源保护与矿井水利用途径和措施。讨论了“保水采煤”的科学内涵，认为“保水采煤”的基本措施应当包括保护浅部主要含水层和矿井水资源利用两部分，即将“保水”与“用水”相结合，拓展了“保水采煤”的科学含义;建议在矿井规划时，应综合考虑开采损害影响与环境自身修复能力，在满足能源开采经济利益的同时，保证生态环境不发生质的破坏;提出了利用经济效益“反哺”当地生态和“绿色经济”建设的一点猜想，为矿区未来的规划建设提供了一定的参考意义。

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煤炭学报

2019年第03期

1448

571
深埋煤层开采顶板基岩含水层渗流规律及保水技术

作者(Author)：郭小铭, 董书宁

摘要：我国西部黄陇煤田降雨量少、蒸发强烈，属于干旱半干旱地区，做好煤炭开采过程中对含水层的保护工作极为重要。为研究适用于黄陇煤田深埋煤层开采顶板洛河组砂岩含水层的保水技术，以彬长矿区为研究区，采用砂岩孔隙度测试，结合非线性回归分析方法，研究洛河组地层不同深度砂岩渗透性变化;开展水化学测试，分析非均质洛河组含水层垂向水化学场特征;结合地面和井下水文地质探查，进一步定量化研究洛河组含水介质的非均质性。在查明洛河组含水地层非均质性的基础上，建立含水层下段受裂隙带波及条件下地下水渗流数值模型，研究基岩含水层局部受裂隙带影响条件下的渗流规律。根据渗流规律研究深埋煤层开采顶板基岩含水层保水开采技术，结合彬长矿区工作面开采实际揭露水位变化情况对其进行验证。研究表明，洛河组含水层渗透性随地层深度的增加而呈负指数降低，随着埋深增大含水层水化学类型由HCO3-Ca型转化为SO4-Na型，同时上段的单位涌水量约为下段的7倍，可知洛河组含水层上、下段地下水渗流条件不同，垂向非均质性较强。工作面开采裂隙带仅波及含水层下部时，含水层仅受波及层和相邻层的水位下降明显，上部未受到波及段水位降深有限，整个含水层不会出现水位统一下降的现象，而是呈现出不同层位水位降深差不同的差异性渗流规律。鉴于此，提出利用含水层非均质性特征，以控制含水层上段水位降深为核心，允许导高适当波及含水层下段的“控水开采”技术，有助于缓解深埋煤层采煤与保水的矛盾。通过彬长矿区胡家河煤矿现场应用表明，洛河组含水层实际渗流特征符合本次研究成果，控水开采技术可实现洛河组砂岩含水层保水开采的目的。

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煤炭学报

2019年第03期

1246

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毛乌素沙漠区广域适应型保水安全厚度计算及开采影响分区评价

作者(Author)：贺晓浪, 夏玉成, 丁湘, 孙学阳

摘要：毛乌素沙漠区多个近地表含水层支撑着区域生态环境、生产和生活，开展保水采煤研究势在必行。而“保水安全厚度”计算作为保水采煤研究的核心内容，由于各近地含水层的性质以及所处垂向位置的差异，导致了针对毛乌素沙漠区的保水安全厚度计算方法适用范围有限、缺乏统一性。通过分析毛乌素沙漠区内含隔水层在垂向和平面上的展布特征、水文地质性质，结合不同区域内的工程地质条件和开采方法，探讨了保水安全厚度的定义。将煤层之上地层划分为目标保护层、预测导水段(导水裂隙带发育段)和等效保水段(由有效黏土隔水层和基岩层组成的保水段)。利用水均衡法分析了黏土隔水层与基岩层间的保水性能关系，通过“保水比例系数”形成了黏土隔水层与基岩层间统一的等效保水段计算方法。建立了具有能够适用毛乌素沙漠区内“沙-基(岩)型开采区”、“沙-土-基(岩)型开采区”、“沙-土-洛(洛河组含水层)-基型开采区”、“烧变岩型开采区”等主要不同地质条件的保水安全厚度计算模型。根据导水裂隙带的发育高度与黏土隔水层、基岩层间的导通特征以及煤水间距与保水安全厚度的大小关系，制定了煤层开采影响的自然保水区、一般失水区和严重失水区的分区标准。并以榆神矿区小保当煤矿为例，应用建立的统一模型确定了小保当井田内砂-基型和砂-土-基型开采区内的保水安全厚度，并据此评价了煤层开采对潜水含水层的影响。所建立的保水安全开采厚度计算模型以及开采分区评价标准具有良好的适应性，也为保水采煤研究中有关保水安全厚度的计算和煤层开采对上覆含水层的影响评价提供了新思路。

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煤炭学报

2019年第03期

1150

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高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征

作者(Author)：杨达明, 郭文兵, 谭毅, 王玉喜, 马晓川, 李壮

摘要：为分析高强度开采工作面覆岩岩性及其裂隙特征，以高家梁煤矿20313工作面为研究对象，分析了工作面顶板含水层赋存情况，通过试验获取了砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质，采用相似模拟试验、理论分析、CAN-II大地电磁探测仪和现场调查综合分析了工作面开采后的覆岩破坏情况。结果表明:工作面顶板砂质泥岩随着与煤层距离的增大，颗粒间接触逐渐由点-点、点-面接触转变为线-面、面-面接触，且颗粒体积有增大趋势;由煤层至地表，抗拉(压)强度减小，断裂后接触面积更大，且遇水后颗粒体积膨胀，挤压颗粒间的孔隙，孔隙通道减小，降低宏观通水性;覆岩及地表裂缝以张开、闭合、压实的过程重复向前发展，虽然覆岩含水层及隔水层产生了破坏，但裂隙宽度较小，地表没有出现明显的塌陷裂隙;工作面开采后覆岩内会形成稳定的压力拱结构，覆岩破坏不会与地表裂隙贯通，地表潜水不会直接与井下工作面贯通。采动后工作面断层上盘侧岩层整体上破坏更严重;在断层下盘侧，虽然采动后CAN型综合值云图内出现了较多环状闭合曲线，但仍有平滑层状曲线包裹，说明采动覆岩的连续性分布较好，岩层内裂隙发育程度低;20313工作面开采后地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主，裂缝数量较少，基本上所有裂缝经历了“张开-扩展-闭合”完整发育过程，裂缝发育周期最长的为15d，最短为7d;裂缝宽度最大为6.3cm，台阶落差最大为8.7cm，地表植被生长及分布情况与开采前基本一样，说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响。高强度开采覆岩裂隙发育特征得到了大量理论与试验研究，物探法是开展覆岩裂隙现场探测最方便、快捷的手段，提高物探仪器对覆岩裂隙探测的敏感度及物探结果解释的准确度是物探法探测覆岩破坏得以推广的技术前提。

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煤炭学报

2019年第03期

1565

477
复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响

作者(Author)：冯国瑞, 白锦文, 杨文博, 王善勇, 康立勋

摘要：近距离煤层群复合采动影响下，层间岩层中隔水层的稳定性至关重要。若层间岩层中隔水层的稳定性遭受破坏，则上覆采空区中的积水会向下方渗流扩逸，甚至瞬间涌出，威胁下部煤层的安全开采。提出了复合采动影响下层间隔水控制层的基本概念，运用损伤力学的基础理论构建了复合采动影响下层间岩体损伤参量D的计算模型，分别研究了损伤参量D与层间岩体抗压强度及破坏范围之间的关系，分析了不同条件下复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响。研究结果表明:① 层间隔水控制层是指复合采动影响下层间岩体中不发生破断失稳且能起到阻隔上方采空区积水向下渗流扩逸的控制岩层。② 损伤参量D可以用来衡量复合采动影响下层间岩体的损伤破坏程度。③ 层间岩体抗压强度RD与损伤参量D的关系为:随着损伤参量D的增大，层间岩体的抗压强度RD表现出线性递减的变化趋势，其折减系数为1-D。④ 层间岩体破坏范围与损伤参量D的关系为:层间岩体的最大破坏深度/高度Hmax及其距工作面端部的距离Lmax均随着损伤参量D的增大而增加;D越大，Hmax和Lmax的增幅也越大。⑤ 层间隔水控制层的稳定性与复合采动产生的叠加损伤密切相关;通过综合考量上下煤层多重开采后层间岩体的损伤破坏范围与隔水控制层的层位关系，全面分析了6种不同条件下层间隔水控制层的稳定性，并给出了合理有效的控制措施，来减轻上覆采空区积水对下部煤层开采的威胁，并保障安全生产。复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响研究可以为积水采空区下伏煤层的安全开采提供理论指导。

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煤炭学报

2019年第03期

1078

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干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义

作者(Author)：徐智敏, 孙亚军, 高尚, 张成行, 毕煜, 陈忠胜, 吴江峰

摘要：随着我国煤炭资源开发重心的逐步西移，西部地区目前已成为我国煤炭的主产区。总体上，我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈，形成了该区极度干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以新疆哈密煤田大南湖矿区为例，针对该区侏罗系含煤地层具有成岩时间晚、物理力学强度低、遇水易泥化崩解等特征，采用相似材料模拟、数值模拟等手段，结合邻矿现场实测对比，全面研究了该区顶板采动导水裂隙的发育与演化过程、发育高度与形态特征、渗透性演化规律以及在该区进行水资源保护性开采(保水采煤)的可行性。研究结果表明:研究区侏罗系含煤地层采动导水裂隙的发育裂采比一般在13.09~15.67，整体形态呈“梯台型”特征;采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现“稳定增加-波动变化-恢复稳定”变化特征，导高影响范围内含水层的渗透系数明显增大，一般达到3~5倍;研究区主采煤层顶板具有“多含水结构下的高位隔水层”结构特征，具备了保水的基本水文地质前提条件;结合保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤可行性的综合评价，探讨了在干旱矿区水资源保护性开采的重要意义。

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煤炭学报

2019年第03期

1204

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