锦界煤矿顶板水疏放技术优化研究.pdf

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I IJIIJ I IJ I I I I I I IJ I I I I I I I I I I I Y 3 2 6 5 9 2 3 硕士学位论文 作者姓名 学科专业 导师姓名 完成时间 黄欢 矿产普查与勘探 刘其声研究员 0 七年五月 十五日 煤炭科学研究总院研究生院 G r a d u a t eS c h O o Io fC h i n aC o a IR e s e a r c hI n s t i t u t e 万方数据 密级 煤炭科学研究总院 硕士学位论文 锦黼顶板水疏放技术优化研究 作者姓名黄欢 学科专业矿产普查与勘探 导师姓名刘其声研究员 协助指导姬亚东副研究员 完成时间二O 一七年五月十五日 万方数据 C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e Ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ’Sd e g r e e O p t i mi z a t i o nR e s e a r c h0 n D e w a t e r i n gT e c h n o l o g y o fR o o f W a t e ri nJ i n j i eM i n e A u t h o r ’SNameHuanH u a n g S p e c i a l i t y M i n e r a lP r o s p e c t i n ga n dE x p l o r a t i o n S u p e r v i s o r P r o f ．Q i s h e n g L i u V i c e ．S u p e r v i s o r V i c e P r o f ．Y a d o n gJ i F i n i s h e dt i m e M a y1 5 血，2 0 1 7 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文锦界煤矿顶板水疏放技术优化研究， 是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独立进行研究工作 所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名装是日期≥口。．7 年g 月旅日 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 锦界煤矿顶板水疏放技术优化研究系本人在煤炭科学研究总院攻读学位 期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研究总院所有， 本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭科学研究总院 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件 和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授权煤炭科学研究总院， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“4 ” ； 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密一 作者签名美扶 日期僻S 月≥支日 万方数据 摘要 摘要 锦界煤矿位于陕北黄土高原北端、毛乌素沙漠东南缘，隶属于侏罗系煤田。 主采煤层3 J 煤上方沉积有第四系萨拉乌苏组松散沙层潜水含水层和侏罗系中统 直罗组风化基岩裂隙承压含水层，富水性中等；两含水层之间的土层隔水层沉积 较薄，并且在薄基岩区段，3 。1 煤层开采后其导水裂缝带高度大多超过煤层上覆正 常基岩厚度，使得风化基岩承压含水层成为矿井的普遍充水含水层。针对3 ‘1 煤 层回采面临的顶板含水层水害威胁，以往工作面采用均匀布孔的方式超前疏放项 板水，以降低回采期间的涌水量。但由于对疏放水技术的认知缺陷，往往造成过 度疏放水，具体表现为工作面钻孔数量多，疏放水时间长，疏放水量大，严重制 约着矿井的经济效益。因此，为了保障矿井安全开采、降低疏放水成本，亟需对 煤层顶板水疏放技术进行优化研究，这对实现矿井安全高效、经济开采具有重要 的指导意义。 通过对锦界矿井地质、水文地质等资料的研究，分析了矿井涌水量的变化趋 势及其构成，并对矿井涌水量的影响因素进行分析，提出工作面疏放水量是矿井 涌水量的主要影响因素之一。 对以往工作面项板水疏放情况进行研究，提出了疏放水过程中存在钻孔数量 过多、疏放水时间过长、疏放水量过大的问题。针对该问题对3 1 2 0 4 工作面进行 疏放水试验，从孔组疏放水量、单孔疏放水量、残余水头、疏放水稳定时间、疏 放水单孔影响半径、分段放水距等方面对疏放水试验数据进行了分析，提出了疏 放水效果定量化指标，并在此基础上得出了疏放水效果判别准则。 建立了研究区地下水三维非稳定流数值模型，获取了相关水文地质参数，经 识别与验证后，为疏放水优化管理模型提供了用于模拟预测的地下水流数值模型。 采用响应矩阵法将地下水三维非稳定流数值模型与优化管理模型进行耦合， 以疏放水效果判别准则作为约束条件，建立了3 1 2 0 5 工作面煤层项板水疏放优化 管理模型，基于分段放水距、疏放水钻孔数量及疏放水时间设定了6 种不同的疏 放水方案，运用L i n g o 语言与0 - 1 整数规划算法对模型联合求解，对各方案计算 结果进行了对比分析，得出3 1 2 0 5 工作面顶板水疏放的最优推荐方案。 关键词顶板水；疏放效果判别准则；响应矩阵法；优化管理模型；疏放水方案 万方数据 A B S T R A C T A B S T R A C T T h e J i n j i em i n eb e l o n g st oJ u r a s s i cs y s t e mc o a l f i e l d ，w h i c hl o c a t e di nt h en o r t h e n do ft h eL o e s sP l a t e a ui nN o r t h e mS h a a n x ia n dt h es o u t h e a s to fM a o w u s ud e s e r t ． T h e r eQ u a t e m a r yS a l a w u s uf o r m a t i o np h r e a t i ca q u i f e ra n dM i d d l eJ u r a s s i cZ h i l u o f o r m a t i o nc o n f i n e da q u i f e ro fw e a t h e r e dr o c k sa r eo v e r l y i n gt h em a i nm i n i n gs e a m n a m e d3 ～i nJ i n j i em i n e ，a n dh a v es t r o n gw a t e ry i e l dp r o p e r t yb yt h e m ．I na d d i t i o n ，a t h i nc l a ya q u i f u g ee x i s t sb e t w e e nt w oa q u i f e r s ．A st h eh e i g h to fw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e d z o n ed u et om i n i n gi sm o r et h a nn o r m a lo v e r l y i n gb e d r o c kt h i c k n e s sa tt h et h i nb e d r o c k s e c t i o n ，t h ew e a t h e r e db e d r o c kc o n f i n e da q u i f e rb e c o m e st h em a i nw a t e rb e a r i n gs t r a t a o fc o a lm i n e ．I nt h ep a s t ，p e o p l eu s e dd e w a t e r i n gb ya r r a n g i n gd r a i nh o l e su n i f o r m l yi n w o r k i n gf a c ef o r t h et h r e a to fm i n ew a t e rd i s a s t e ro fc o a lr o o fa q u i f e r ，S Ot h ew a t e r d i s c h a r g ed u r i n gm i n i n gC a nb er e d u c e d ．N o n e t h e l e s s ，t h ee x c e s s i v ed e w a t e r i n g h a p p e n e df r e q u e n t l y , s u c ha st o om a n yd r i l l i n gh o l e s ，al o n gt i m ea n dal a r g ea m o u n t o fd e w a t e r i n g ，a sar e s u l to ft h ei n a d e q u a t eu n d e r s t a n d i n go ft h ed e w a t e r i n gt e c h n o l o g y t h a tr e s t r i c t sm i n ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t ．H e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt om a k ea s t u d yo n o p t i m i z a t i o no fd e w a t e r i n gt e c h n o l o g yf o rm i n i n gs e c u r i t ya n dc o s tr e d u c i n g ，S Oa st o h a v ei m p o r t a n ti n s t r u c t i v em e a n i n gt os a f e t y , e f f i c i e n ta n de c o n o m i cm i n i n g ． T h em a i nc o n t e n t si nt h et h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s F i r s t l y , b a s e do nt h eg e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g yd a t af r o mJ i n j i em i n e ，t h ep a p e r m a k e sa n a l y s i so nt h et e n d e n c ya n dc o m p o s i t i o no fm i n ed i s c h a r g e ，a sw e l la st h e i n f l u e n c ef a c t o r so fi t ，a n dt h eq u a n t i t yo fd e w a t e r i n gi st h em a i ni n f l u e n c ef a c t o ro f m i n ed i s c h a r g ei sp u tf o r w a r d ． S e c o n d l y , t h ep r o b l e mh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r db ya n a l y z i n gd e w a t e r i n go f w o r k i n gf a c e ，f o ri n s t a n c e ，i ti st o om a n yd r i l l i n gh o l e s ，al o n gt i m ea n dal a r g ea m o u n t o fw a t e r ．F o rs o l v i n gt h ep r o b l e m ，d e w a t e r i n gt e s to f312 0 4w o r k i n gf a c ew a s c o n d u c t e d ．A sar e s u l t ，t h eq u a n t i t a t i v ei n d e xa n d d i s t i n g u i s hc r i t e r i o no fd e w a t e r i n gi s p r e s e n t e d ，o na c c o u n to fa n a l y z i n gt h eq u a n t i t yo fw a t e ro fh o l eg r o u pa n ds i n g l eh o l e ， r e s i d u a lh y d r a u l i ch e a d ，s t a b i l i t yt i m eo fd e w a t e r i n g ，i n f l u e n c er a d i u sa n d s e g m e n t a t i o n d i s t a n c eo f d e w a t e r i n g ． T h i r d l y , a st h et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo fu n s t e a d yf l o wo f g r o u n d w a t e re s t a b l i s h e da n dt h eh y d r o g e o l o g yp a r a m e t e r so b t a i n e d ，a n dt h e n d i s t i n g u i s h e d ，w h i c hp r o v i d et h eg r o u n d w a t e rf l o wn u m e r i c a lm o d e lf o rt h eo p t i m a l I I 万方数据 A B S T R A C T m a n a g e m e n tm o d e lo fd e w a t e r i n gt os i m u l a t ea n dp r e d i c t ． L a s t l y , w h i l eu s i n gt h er e s p o n s em a t r i xm e t h o dt oc o u p l i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l t r a n s i e n tf l o wn u m e r i c a lm o d e lw i t ho p t i m a lm a n a g e m e n tm o d e l ，a n dd i s t i n g u i s h c r i t e r i o no fd e w a t e r i n ge f f e c ta sar e s t r i c t i v ec o n d i t i o n ，t h eo p t i m a lm a n a g e m e n tm o d e l o fw a t e r d r a i n a g eo f3 12 0 5w o r k i n gf a c eb u i l t ，t h e n ．B e s i d e s ，s i xd i f f e r e n ts c h e m e so f w a t e rd r a i n a g es e tb ys e g m e n t a t i o nd i s t a n c e ，q u a n t i t yo fd r i l l i n gh o l e sa n dt i m e ，a n d u s i n gt h eL i n g ol a n g u a g ea s s o c i a t e dw i t hO - 1i n t e g e rp r o g r a m m i n ga l g o r i t h mf o rm o d e l s o l u t i o n ，ac o n t r a s t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n ts c h e m e sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t si sg i v e n ． O nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sa b o v e ，t h eo p t i m a ls c h e m eo f d e w t e r i n gi sp r o p o s e d ． K e yw o r d s r o o fw a t e r ；d i s t i n g u i s hc r i t e r i o no fd e w a t e r i n ge f f e c t ；r e s p o n s em a t r i x m e t h o d ；o p t i m a lm a n a g e m e n tm o d e l ；s c h e m eo fd e w a t e r i n g ． I I I 万方数据 目录 目录 第1 章绪论．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状及存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 顶板含水层疏放水技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 地下水优化管理模型研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．2 ．3 存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 主要研究内容、研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 1 ．3 ．2 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 第2 章矿井水文地质特征及涌水量影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．1 井田位置与交通⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．2 井田地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 矿井水文地质特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．2 ．1 含、隔水层性质及其空间展布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 ．2 地下水补给、径流及排泄条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．3 矿井涌水量影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 ．1 矿井涌水量变化趋势及构成分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．2 矿井涌水量影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 第3 章煤层顶板水疏放效果定量化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1以往工作面疏放水情况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 31 2 0 4 工作面疏放水试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 ．1 疏放水试验的目的与任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．2 疏放水试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．3 疏放水试验原始数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 顶板水疏放效果定量化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．3 ．1 疏放水效果定量化指标优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．3 ．2 顶板水疏放效果判别准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 第4 章地下水三维非稳定流数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 T V 万方数据 目录 4 ．1 水文地质概念模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．1 ．1 模型范围确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．1 ．2 水文地质条件概化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．1 ．3 边界条件概化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 三维几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 _ 3 ．1 模型层划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．2 区域剖分与时间离散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．4 三维水文地质模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．4 ．1 初始和边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．4 ．2 源汇项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 ．3 水文地质参数分区及初值确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．5 模型求解、识别与验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．5 ．1 模型求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．5 ．2 模型识别与验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 第5 章煤层顶板水疏放优化管理模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．1 地下水管理模型简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．1 ．1 地下水管理模型的构成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．1 ．2 地下水管理模型的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．1 ．3 地下水流数值模型与最优化技术耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．2 煤层项板水疏放优化管理模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．2 ．1 管理模型范围确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．2 ．2 疏放水及水位节点设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．2 ．3 目标函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯一6 3 5 ．2 ．4 约束条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．3 管理模型求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．6 6 5 ．3 ．1 单位脉冲响应函数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯6 6 5 ．3 ．2 模型求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．431 2 0 5 工作面项板水疏放方案优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 5 ．4 ．1 疏放水方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．4 ．2 疏放水方案比选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．4 ．3 疏放水最优方案推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 第6 章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 6 ．1结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 V 万方数据 目录 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 7 6 - 3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 万方数据 第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 选题背景及研究意义 陕北侏罗系煤田是我国大型煤炭生产基地之一，位于水资源匮乏、生态环境 较脆弱的西北干旱半干旱地区。长期以来人们认为该类地区普遍缺水，水文地质 条件相对简单，矿井开采过程中应该不会出现较大涌水。但由于受构造因素、沉 积控水因素、开采因素等影响，该地区许多矿井在开采过程中顶板涌水量较大， 甚至造成重大水害事故。如2 0 1 0 年7 月，神东公司大柳塔煤矿1 2 0 3 工作面发 生突水，最大涌水量达到4 0 8 m 3 ／h ，工作面被淹神府矿区柠条塔矿于2 0 11 年5 月3 0 日在南翼开采2 ‘2 煤的首采面S 1 2 1 0 时，顶板初次来压，工作面顶板出现较 大涌水，后期水量逐渐增大至1 2 0 0 m 3 ／h ，由于水量大，持续数月水量仍然衰减缓 慢，导致该工作面暂停生产。开采实践证明，该区许多矿井主采煤层顶板含水层 富水性中等到强，煤层开采扰动导致导水裂隙带沟通上覆含水层后，使得矿井涌 水量增加，采掘过程中有可能发生项板水害事故，严重影响了陕北矿区矿井的安 全生产【1 一Ⅷ。 目前，煤矿项板水害防治主要是采用井下钻孔超前预疏放的方法，但是，在 预疏放方案设计和工程实施中，往往对项板含水层富水性特征及矿井涌水控制因 素分析研究不够，对疏放工程优化布置、疏放效果评价等更缺乏深入研究，定性 原则多于量化判断，达不到疏放效果，造成项板含水层的过度疏放或者疏放不足。 过度疏放水会造成疏放工程量大、疏放时间长、吨煤成本高、浪费水资源甚至危 害生态环境；而疏放水量不足时又会发生回采时涌水量超过排水能力造成工作面 被淹水害事故。因此，亟需对顶板水疏放技术进行优化研究以便指导矿井疏放水 工作。 锦界煤矿位于陕北黄土高原北端、毛乌素沙漠东南缘，地处榆林市神木县瑶 镇乡，于2 0 0 6 年9 月投产，设计生产能力1 0 ．O M t ／a ，目前己成功改造升级为 2 0 ．O M t ／a 。矿井主采煤层3 。1 煤上方沉积分布有第四系萨拉乌苏组松散沙层潜水 含水层和侏罗系中统直罗组风化基岩裂隙承压含水层，富水性中等，两个含水层 之间沉积有土层隔水层；3 。1 煤层开采后导水裂隙带发育高度大多超过上覆正常 基岩厚度，使得风化基岩承压含水层成为矿井的普遍充水含水层。特殊的煤层顶 板条件及含水层水文地质特征，使矿井面临着严峻的顶板水害威胁，其矿井涌水 量峰值达到5 4 9 9 m V h ，目前矿井涌水量仍高达3 5 0 0 m V h 。针对顶板水害威胁，锦 界煤矿普遍采用钻孔超前疏放水，目前共有18 个工作面进行了疏放水工作，单 个工作面最多布置了1 4 6 个疏放水钻孔，超前疏放水量占矿井涌水量比例最高达 1 万方数据 第1 章绪论 到了6 0 ％左右。过多的钻孔数量、过大的无效疏放水量，使矿井面临着较大的排 水成本问题，也严重影响着煤矿的安全生产。 论文以锦界煤矿为研究对象，通过分析其含水层水文地质特征及矿井涌水量 影响因素，针对以往工作面疏放水存在的问题，实施井下疏放水试验，分析疏放 水效果定量化指标，并在此基础上进行煤层顶板水疏放效果优化研究，提出疏放 水效果判别准则。以疏放水效果判别准则作为约束条件，建立煤层顶板水疏放优 化管理模型，采用L i n g o 语言和0 ．1 整数规划算法联合求解出最优钻孔布置位置 及疏放水量配置方案。通过本次研究工作来优化疏放水钻孔布置，减少工作面疏 放水量，从而减少矿井涌水量，对实现矿井安全开采、降低疏放水成本、保护生 态环境具有极为重要的现实意义。 1 ．2国内外研究现状及存在的主要问题 1 ．2 ．1顶板含水层疏放水技术研究现状 针对顶板水害预防，目前行之有效的措施就是在工作面回采前向项板含水层 施工疏放水钻孔，一方面达到对工作面回采时涌水量“削峰平谷”的目的，另一 方面可以避免水害的发生，实现矿井安全生产。近年来，科研工作者在宁东矿区、 神东矿区等遭受项板水害威胁的矿区进行了大量的关于疏水降压的研究和实践， 在顶板含水层可疏降性及疏放水钻孔布置等方面取得了一些重要的理论和实践 经验。 在项板含水层可疏降性研究方面，许光泉、葛晓光、赵宏海[ 1 1 】 2 0 0 6 通过 对桃园煤矿新生界底部“四含“ 的水文地质条件分析，利用有限差分法建立地下 水三维数值模型，采用两种方案对“四含”进行疏放，结果表明“四含’’边界补 给水源的局限性，“四含”在一定时间内是能够疏干的。杨建、赵彩凤【1 2 】 2 0 1 5 通过对蒙陕接壤区某深埋煤层矿井首采工作面顶板疏放水过程中大气降水、含水 层水位和水化学变化等方面的分析，研究白垩系志丹群含水层与3 。1 煤层项板含 水层之间的水力联系，结果显示工作面顶板水超前疏放后志丹群含水层水位与3 。 1 煤层顶板含水层水位降幅不一致，且两者间的矿化度、水化学类型等差异明显， 论证了3 。1 煤层顶板含水层水的可疏降性。 在疏放方法研究方面，范立刚”】 1 9 9 4 对威胁神东矿区浅部煤层安全开采 的第四系潜水疏降水工程类型、施工方法进行探讨，指出本区矿井疏降水应以大 口径钻孔疏水或抽水，以达到疏降水的目的。段中会、牛建国、崔帮军【1 4 】 1 9 9 9 在神东矿区大柳塔煤矿高产高效工作面采用采前“井上井下、双管强排、排泄结 合”的地下水疏降方法，基于其松散层下浅埋煤层的开采条件，选择地面疏降水 方法，在地下水主要补给方向上布置泄水孔，工作面内富水部位布设抽水孔，经 ’ 万方数据 第1 章绪论 实践证明效果较好，经济可行。王永申[ 1 5 】 2 0 0 1 针对神东矿区补连塔煤矿2 2 1 1 工作面浅埋煤层特点，采取采前钻孔疏放水降低含水层厚度、采后强排等综合措 施，使工作面实现安全高效回采。吕国庆【1 6 】 2 0 1 3 针对小纪汗煤矿顶板含水层 裂隙连通性弱使得疏排水效果差的问题，采用地面钻孔抽排、井下钻孔超前降水、 强行揭煤掘进疏水相结合的动态疏水方案，保证了工作面的安全生产。齐跃明、 李民族、许进鹏【1 7 】 2 0 1 6 通过综合分析突水点附近背景场与风险评估，利用山 西某矿井巷道突水在复杂地质条件下的流场进行了疏放试验，结果表明矿井突 水在一定条件下可作为疏放水试验来加以利用，用以确定补给水源、记录突水量 变化过程、获取含水层水文地质参数、揭示岩溶介质条件及突水原因等，该方法 可以较充分的挖掘突水过程中的水文地质条件，比通过钻孔钻进至潜在水源区域 后进行疏放水，节约矿井疏放水成本。方俊，张杰[ 1 8 ] 2 0 1 6 为解决常规钻孔疏 放项板水时存在的施工工期和疏放周期长的问题，在枣泉煤矿采用定向长钻孔及 分支孔对项板直罗组砂岩含水层和烧变岩水进行超前疏放，大大缩短了疏放水时 间。 在疏放水钻孔设计及优化研究方面，段中会[ 1 9 】 1 9 9 8 通过研究神东矿区第 四系含水层导致的突水溃沙灾害，提出疏水降压工程重点布置在强富水部位、切 眼及初次放顶区。虎维岳[ 2 0 】 1 9 9 9 基于遗传算法求解最优化问题的基本原理， 通过疏干井群优化设计管理模型的计算，合理分配了疏干井水量以及井位分布。 徐玲、李彦周[ 2 1 】 2 0 0 2 在项板涌水条件与可视化三维数值模拟综合研究的基础 上，分析了煤层顶板覆岩结构特征和冒落特征，对煤层顶板含水层复杂的水文地 质条件、突水特征进行安全性综合分区，针对不同区域分别建立不同疏水降压中 心进行顶板水疏放，实现了煤层的安全开采。王文学、隋旺华[ 2 2 】 2 0 1 1 基于目 标函数法，以控制点安全水头为约束条件、以矿井总排水量最少为目标函数，对 某矿6 311 工作面上部第四系底部含水层疏放水井群降水进行优化设计，结果使 得总疏放水量比采用承压转无压完整井流公式的计算结果减少2 0 ％的水量，对 井点位置和煤层项板疏放水的选择具有指导意义。史先志、严克礼【2 3 】 2 0 0 7 分 析了在物探前后的钻孔疏放水量，得出针对物探显示的异常区进行的疏放水量更 大，且疏放水量在一定程度上随着钻孔数量的增多而增加，但增幅较后者要缓慢， 即疏放水效率此时是逐步呈下降趋势的。王宏科、白有社、罗得把【2 4 】 2 0 1 2 以 神东矿区柠条塔煤矿N 1 2 0 0 工作面探放水工程设计为例，将钻孔数量、钻孔进 尺、施工工期以及成本作为疏放水影响因素进行分析，以此优化疏放水方案，减 少了钻孔数量，优化后的设计方案操作性强，可靠性高。赵宝峰[ 2 5 】 2 0 1 3 在针 对钻孔方位角、仰角、孔深和含水层厚度对钻孔疏放水效果的影响程度方面，利 用灰色理论对钻孔疏放水量与其影响因素之间的影响程度进行研究，结果表明 万方数据 第1 章绪论 通过灰色理论计算疏放水量与各个影响因素之间的影响程度，影响程度由大到小 依次为钻孔方位角、含水层厚度、钻孔仰角、孔深，即钻孔方位角对钻孔疏放水 量影响程度最大，该结论能够为矿井顶板疏放水钻孔的布设提供有效指导。马亚 杰、冯玉、章之燕[ 2 6 】 2 0 1 4 等综合分析东欢坨煤矿含水层水文地质特征，得出 含水层于．5 0 0 水平以浅富水且顺层水力联系良好，走向上划分为3 个次级富水 单元，并以此为依据确定了3 个疏降中心与钻孔布设方案，实现了含水层在目标 期的整体强烈疏放。 在疏放水钻孔涌水量及疏放水总量预测计算方面，李明山【2 7 1 ，甘圣丰【2 8 】，张 庆刚z 9 1 ，梁润所[ 3 0 】等基于实际液体运动需克服液体粘滞性所引起的摩擦阻力而 消耗部分机械能，将伯努利方程进行改进，并用于井下探放水钻孔涌水量计算中， 结果优于水力学中的短管出流公式及长管出流公式，精度较高，具有推广利用价 值。时焱红，陈秀艳[ 3 1 】 2 0 1 5 针对目前煤矿疏放水中“钻孔涌水量预测”问题， 以钱营孜煤矿工作面探放水工程为例，在分析计算不同阶段和条件下的矿井涌水 量的基础上，对涌水量计算结果的准确性与群孔探放钻孔涌水量干扰进行分析， 研究工作面涌水量衰减规律。结果表明，采用大井法优化预计探放水过程中钻孔 涌水量，更符合地下水运动规律。刘基、高敏【3 2 】 2 0 1 5 在母杜柴登首采面放水 试验获得的水文地质参数的基础上，采用干扰井群的叠加原理计算了工作面内部 的疏干水量，以此确定了顶板疏放水钻场的布置方式，为计算工作面内部疏干水 量提供了一种新的思路。周振方【3 3 ] 应用指数动力系统模型对宁东煤田深埋煤层 工作面疏放水钻孔涌水规律进行了研究，得出钻孔水量相关影响因素。刘德旺、 王新、穆鹏飞[ 3 4 】 2 0 1 6 通过分析