煤炭开采对地下水资源的破坏机理和保护对策研究——以华丰煤矿为例.pdf

分类号分类号TD167TD167 密密 级级公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码104210424 4 学学 位位 论论 文文 煤炭开采对地下水资源的破坏机理煤炭开采对地下水资源的破坏机理 和保护对策研究和保护对策研究 以华丰煤矿为例以华丰煤矿为例 曾曾 庆庆 铭铭 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称地质地质工程工程 指导教师姓名指导教师姓名施施 龙龙 青青 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一零二零一零年年六六月月 论文题目论文题目 煤炭开采对地下水资源的破坏机理煤炭开采对地下水资源的破坏机理 和保护对策研究和保护对策研究 以华丰煤矿为例以华丰煤矿为例 作者姓名作者姓名曾 庆曾 庆 铭铭 入学时间入学时间2007 年年 9 月月 专业名称专业名称地质地质工程工程 研究方向研究方向水文地质与水资源工水文地质与水资源工程程 指导教师指导教师施 龙施 龙 青青 职职 称称教教 授授 论文提交日期论文提交日期2010 年年 5 月月 25 日日 论文答辩日期论文答辩日期2010 年年 6 月月 11 日日 授予学位日期授予学位日期 STUDY ON THE DAMAGE MECHANISM OF COAL MINING ON GROUNDWATER RESOURCES AND ITS PROTECTION COUNTERMEASURES TAKING HUAFENG COALMINE AS AN EXAMPLE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Zeng Qingming Supervisor Professor Shi Longqing College of Geological Science and Engineering June 2010 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 本文针对我国煤矿区严重缺水、 矿井水大量排放造成地下水资源浪费和污染的现状， 采用实地调查、理论分析和数值模拟等多种方法，对煤炭开采对地下水资源的破坏机理 进行了研究，并提出了煤炭开采过程中保护地下水资源的对策与措施。 用矿山压力控制理论、采动岩体结构理论、弹性力学理论、损伤力学理论及断裂力 学理论等为指导，从理论上研究了煤炭开采活动对顶底板含水层的破坏机理，并对覆岩 导水裂缝带发育高度和采场底板破坏深度的确定方法及其影响因素进行了研究； 以华丰煤矿 1409 工作面具体的地质及采矿条件为依据， 应用岩石破裂过程流固耦合 分析系统 RFPA2D-Flow，对围岩随着开采的逐步进行，采动裂隙逐渐发展并贯通顶底板 含水层的过程进行了数值模拟，对采动围岩变形破坏过程中导水裂隙的发育特征和围岩 渗透性的变化规律进行了研究； 结合华丰煤矿的开采情况和矿井水排放现状，分析了华丰煤矿煤炭开采对井田砾岩 含水层、煤系地层含水层、徐灰和奥灰含水层的影响；并对华丰煤矿煤炭开采对地下水 环境的影响进行了分析和评价； 对部分开采、充填开采等水资源保护性采煤方法进行了研究，提出了合理留设防水 煤柱和底板注浆改造等保护地下水资源的措施，最后提出了矿井水资源化利用的建议。 关键词关键词煤炭开采；地下水资源；破坏机理；保护对策；水资源保护性采煤方法 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract Based on the present situation of serious water scarcity and groundwater resources waste and pollution induced by mine water massive discharge in our country’s coal mine area, this paper studies the damage mechanism of coal mining on groundwater resources by using the of field investigation, theoretical analysis and numerical simulation; Moreover puts forward the protection countermeasures of groundwater resources in coal mining process. With the strata pressure control theory, mining rock mass structure theory, elasticity theory, damage mechanics and fracture mechanics theory as a guide, the paper theoretically studies the damage mechanism of coal mining activities on the coal seam roof and floor aquifer, and discusses the influence factors and determination of the height of overlying strata water flowing fractured zone and the depth of destroyed floor. Based on the specific geological and mining condition of Huafeng coal mine No.1409 working face, the paper simulates the process of the mining-induced fractures’ development and the transfixion to the roof and floor aquifer with the rock failure process fluid-solid coupling analysis system RFPA2D-Flow, and studies the development characteristics of water flowing fractured zone and variation of surrounding rock’s permeability. Combined with the situation of mining and mine water discharge, the paper analyzes the influence of mining on the coal field’s conglomerate aquifer, coal measure strata aquifer, Xujiazhuang limestone aquifer and Ordovician limestone aquifer. Then analyzes and uates the influence of coal mining activities on the groundwater environment. This paper studies the partial mining, backfill mining and other coal mining with groundwater resources protection; and proposes some measures to protect groundwater resources, such as retaining reasonable waterproof coal pillar and grouting reconstruction technology of footwall stratum. Finally puts forward a suggestion of the resource utilization of mine drainage. Keywords Coal mining; Groundwater resources; Damage mechanism; Protection countermeasures; Coal mining with groundwater resources protection 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 1 绪论绪论 ............................................................................................................ 1 1 1.1 选题依据及研究意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2 1.3 本文的主要研究内容 ................................................................................................. 6 1.4 研究方法和技术路线 ................................................................................................. 6 2 2 华丰井田地质及水文地质概况华丰井田地质及水文地质概况 ................................................................. . 8 8 2.1 井田自然地理概况 ..................................................................................................... 8 2.2 井田地质概况 ........................................................................................................... 10 2.3 井田水文地质概况 ................................................................................................... 15 3 3 煤炭开采煤炭开采对地下水含水层的破坏对地下水含水层的破坏机理研究机理研究 ............................................ 2020 3.1 煤炭开采对覆岩含水层的破坏机理研究 ............................................................... 20 3.2 煤炭开采对底板含水层的破坏机理研究 ............................................................... 31 3.3 煤炭开采对地下水含水层破坏的数值模拟研究 ................................................... 39 4 4 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 ............................ 4747 4.1 矿井排（涌）水和供水分析 ................................................................................... 47 4.2 煤炭开采对地下水资源的影响分析 ....................................................................... 49 4.3 煤炭开采对地下水环境的影响分析和评价 ........................................................... 53 5 5 矿区地下水资源保护对策研究矿区地下水资源保护对策研究 ................................................................ 5858 5.1 水资源保护性采煤方法研究 ................................................................................... 58 5.2 合理留设防水煤柱 ................................................................................................... 65 5.3 底板含水层注浆改造 ............................................................................................... 68 5.4 矿井水资源化利用研究 ........................................................................................... 70 6 6 结论与展望结论与展望 .............................................................................................. 7474 6.1 结论 ........................................................................................................................... 74 6.2 展望 ........................................................................................................................... 75 致致 谢谢 ............................................................................................................ 7676 攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文 .............................................. 7777 参考参考文献文献 ........................................................................................................ 7878 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction1 1.1 Basis of Topic and Research Significance1 1.2 Study Status Quo on Domestic and Overseas2 1.3 The Main Study Content6 1.4 The Study and Technical Route6 2 General Situation of Geology and Hydrologic Geology8 2.1 General Situation of Physical Geography8 2.2 General Situation of Geology10 2.3 General Situation of Hydrologic Geology15 3 Study on The Damage Mechanism of Mining on Groundwater Aquifer20 3.1 Study on The Damage Mechanism of Mining on the Overburden Aquifer20 3.2 Study on The Damage Mechanism of Mining on the Floor Aquifer31 3.3 Numerical Simulation Study on The Damage of Mining on Groundwater Aquifer39 4 Impact Analysis of Mining on Groundwater Resources and Environment47 4.1 Analysis on Mine Water Discharge and Supply47 4.2 Impact Analysis of Mining on Groundwater Resources49 4.3 Impact Analysis and uation of Mining on Groundwater Environment53 5 Protection Countermeasures Study of Mine Area Groundwater Resources58 5.1 Study on Coal Mining with Groundwater Resources Protection58 5.2 Retain Reasonable Waterproof Coal Pillar65 5.3 Grouting Reconstruction Technology of Coal Seam Floor Aquifer68 5.4 Resource Utilization of Coal Mine Drainage70 6 Conclusion and Prospect74 6.1 Conclusion74 6.2 Prospect75 Acknowledgement76 Participation of the Research Projects and Published Papers77 References78 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 1 绪论绪论 1 1.1 .1 选题依据及研究意义选题依据及研究意义 1 1.1.1 .1.1 选题依据选题依据 水是一切生命的源泉，是人类生存环境中最主要的基本要素和物质基础，更是人类 社会可持续和谐发展无可替代的基础性自然资源和战略性经济资源。随着经济社会的发 展和人口的增长，人类的用水量日益剧增。城市生活、工农业用水的迅速增加和水污染 的不断加剧，使水的供求矛盾日益突出。我国水资源总量为 2.8 万亿 m3，居世界第六位， 人均水资源占有量约 2240 m3，仅为世界人均占有量的 1/4，在世界银行统计的 153 个国 家中仅排在第 88 位，我国所面临的水资源问题十分严峻。 我国水资源贫乏，水资源的分布又极不平衡，而且水资源与煤炭资源的匹配也不平 衡。全国水资源的 81分布在长江流域及其以南地区，而煤炭资源只占 25。淮河流域 及其以北的广大地区水资源仅占全国的 19，煤炭资源却占全国总量的 75。因此形成 了北方地区的富煤贫水格局。在神东、晋北、晋东、蒙东（东北） 、云贵、河南、鲁西、 晋中、两淮、黄陇华亭、冀中、宁东和陕北这十三个规划建设的大型煤炭基地中，除 云贵、两淮和蒙东（东北）基地外，其余十个基地都存在不同程度的缺水问题，尤其是 晋陕蒙宁地区，水资源最为匮乏，而煤炭资源和煤炭基地却最为集中[1]。 随着我国煤炭工业的迅速发展，煤炭开采在为国民经济的持续稳定发展做出巨大的 贡献的同时，也对矿区珍贵的水资源造成了大量的浪费和破坏，尤其是对矿区地下水资 源的破坏越来越严重。我国煤炭系统每年排水大约在 42 亿 m3左右，其中中性水约占 70～80，硬度符合饮水要求的占 40～50，这是数量相当可观的水资源，但长期 以来由于技术所限和认识不足，矿井水被当成水害加以预防和治理，许多矿井水被白白 排放掉而未加以综合利用和保护，目前矿井水的利用率只有 26左右。毫无节制的排水 不仅大大增加了吨煤成本，加剧了矿区水资源短缺的局面，还引起了一系列的生态环境 问题，诸如地表水、地下水污染，地下水水位持续下降，水资源枯竭，地面沉降，生态 系统退化，生物多样性丧失，地表景观受到破坏，农作物减产等。 我国煤矿大量矿井水外排与矿区严重缺水局面并存，并随着我国煤矿建设战略向西 北推进， 煤矿区缺水问题将越来越突出。 如何在防治地下水对煤炭开采造成危害的同时， 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 有效地保护和利用地下水资源，是我国可持续发展战略的必然要求。 本课题是根据施龙青教授承担的教育部科学技术研究重点资助项目采场与地下水 流场耦合作用及矿区水资源保护与可持续利用研究而确定。 1 1.1..1.2 2 研究目的和意义研究目的和意义 随着水资源问题的日益严峻和人们环境保护意识的不断提高，煤炭开采活动对矿区 地下水资源的破坏影响，正被逐渐重视起来，而这方面的深入研究还很少，而且不够全 面。因此开展煤炭开采对地下水资源的破坏机理和过程的深入研究，并提出保护地下水 资源的相应措施，不但丰富了对煤炭开采破坏地下水资源的理论的研究，而且可防止地 下水资源流失，避免对矿区水环境造成污染，对于缓解矿区水资源供需矛盾、改善矿区 生态环境、最大限度地满足生产和生活及生态用水具有重要的现实意义，对促进矿区及 周边地区经济社会的可持续发展有着深远的战略意义。因此，本研究具有十分重要的理 论意义与实际应用价值。 1.2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 煤矿开采活动对地下水影响的研究始于上世纪七十年代末，起步比较晚。由于其研 究范围广、涉及领域多，人们从不同角度出发，得到了不同的研究成果。 1.2.1 1.2.1 采动岩体导水裂隙研究采动岩体导水裂隙研究 岩层受采动影响形成的导水裂隙是形成矿井涌（突）水的通道，地下水就是通过导 水裂隙涌入巷道或工作面而遭到破坏的。在采动岩体导水裂隙研究方面，虽然完整地描 述采动岩体变形破坏及裂隙演化全过程十分困难，但采矿和力学等领域工作者仍从不同 视角开展了有自己特色的研究。 刘天泉院士等对我国煤矿开采覆岩破坏与导水裂隙分布作了大量的实测和理论研 究， 获得了采场上覆岩层移动破断与采动裂隙分布规律， 提出了“横三区”、 “竖三带” 的总体认识[2]。此后，山东科技大学高延法教授1996突破了传统的三带观念，从地表沉 陷控制研究出发提出了岩移“四带”模型， 进一步拓宽了对采动覆岩移动破坏的认识[3]。 钱鸣高院士、许家林博士等1995，1997，1998应用模型实验、图像分析、离散元模拟 等方法，在关键层理论的基础上，对上覆岩层采动裂隙分布特征进行了研究，揭示了长 壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征[4]。李树刚教授等1999 分析了采动后覆岩关键层活动特征对裂缝带分布形态的影响，首次提出了上覆岩层中破 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成的覆岩采动裂隙椭抛带分布[5]。谢和平院士、于广 明教授1998，1999采用分形几何理论，借助计算机模拟技术和相似材料模型实验得出 了采动岩体裂隙分布规律及裂隙网络的分形特征， 提出了采动岩体分形裂隙网络的概念， 为采动岩体裂隙网络发展规律提供了一种新的定量描述方法[6]。 邓喀中教授等1998在相 似材料模型试验基础上，获得了岩体破裂、离层裂缝发育及采动岩体碎胀规律，给出了 离层裂缝高度和长度的计算表达式[7]。 在采场底板破坏研究方面， 1981 年刘天泉院士在国内率先提出了煤层采空区底板岩 层破坏的“三带”概念，即底板自上而下由鼓胀开裂带8～15m、微小变形与移动带 20～25m及应力微变化带60～80m三带组成[2]。1987 年刘天泉院士、张金才博士从力 学分析角度首次提出了底板岩体“两带”模型，即底板岩体由采动导水裂隙带及底板隔 水带组成，并得出了“两带”的厚度。张金才、刘天泉1990、1992、1995详细分析了 底板采动裂隙带的深度及分布形态，并得出了底板导水裂隙带深度的计算公式[8]。山东 矿业学院特采所李白英教授及其同事们1999在相似材料模拟实验和现场观测的基础上 提出了开采煤层底板“下三带”理论， 即从煤层底面至承压含水层顶面分为底板破坏带、 完整岩层带或阻水带、承压水导升带或原始导升带[9]。施龙青教授2005基于损伤力学、 断裂力学和矿山压力理论，在开采煤层底板“三带”划分理论的基础上，提出了开采煤 层底板“四带”划分理论，即开采煤层底板可以划分出Ⅰ矿压破坏带、Ⅱ新增损伤带、 Ⅲ原始损伤带、Ⅳ原始导高带[10]。 由于对岩层内部移动的动态过程难以清楚地了解，因而难以掌握采动岩体裂隙演化 规律及涌（突）水通道的形成机理，这显然不能更好地适应煤矿突水防治和对地下水资 源保护的需求。 1.2.2 1.2.2 煤煤炭开采对地下水资源的影响研究炭开采对地下水资源的影响研究 煤炭的开采与地下水资源紧密相连，煤层往往与地下含水层相邻，采煤时会疏干地 下水，这不仅影响了地下水资源的数量和质量，而且破坏了地下水的动态平衡和生态环 境，造成一系列不良后果。 国外对因煤层开采引发的地下水问题研究较早，比如 Stoner1983，Lines1985， Booth1986，Zipper1997等许多学者曾对此进行了深入的研究，并首先提出了“水文地 质效应”一词，其工作对矿区煤炭开采活动引起的水质、水量变化及其对当地生态系统 的影响较为关注[11,12,13,14]。我国学者韩宝平、郑世书等1994对煤矿地下开采活动诱发的 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 水文地质效应进行了系统研究，揭示出水文地质效应具有系统性和连锁性的特点[15]。孙 秀玲1998、张建成2005等从煤矿开采对水资源循环、水资源量及水环境的影响方面进 行了分析和探讨[16-17]。张伟2002、林岚2006等分析了煤矿疏干排水对地下水资源的影 响，并论述了疏干排水引发的环境问题地下水位下降、水资源枯竭、岩溶塌陷和地面 沉降、地表水污染、地下水环境恶化、海水倒灌等[18-19]。张发旺1996等从煤矿区水文 地质条件变化出发，系统地阐述了煤矿开采条件下地下水资源破坏的机制和影响因素 [20]。袁传芳等2003论述了煤矿开采过程中的疏干排水和突水事故对明水泉群产生的极 大破坏[21]。 在煤炭开采对地下水水质的影响方面， 不少学者也对此作了大量研究。 李定龙1995 从地下水化学特征方面进行研究，探讨了矿井开采前后主要含水层水化学特征变化规律 及其形成作用，认为煤炭开采后含水层水化学类型总体趋向复杂，导致该变化的主要作 用是溶滤溶解、脱碳酸、掺杂混合及交替吸附等作用[22]。钟佐燊等1999以淄博煤田富 硫煤矿作为典型研究区，阐述了由于直接排放酸性、高 SO42-离子、高硬度和较高矿化度 的矿坑水导致的地表水体及地下水的污染[23]。武强等2002以西山矿区为例，研究了煤 矿开采诱发的水环境问题，主要探讨了煤矿开采对河川径流、煤矿排渣对水源的影响， 分析了酸性水的形成机制[24]。余运波等2001、 白国良等2004等通过浸泡实验和淋滤实 验探讨了煤矸石的堆放对地下水的污染[25-26]。赵燕2006对煤矸石对地下水污染的机理 和过程进行了研究，认为大气降水对煤矸石中可溶组分的淋滤主要通过以下几种方式进 行无机盐类矿物的直接溶解；风化作用加速了煤矸石的分解，使难溶组分变得较易溶 解；黄铁矿的氧化促使淋滤溶液的酸度大幅提高，并可与其他矿物发生化学反应，使溶 出组分复杂化[27]。徐卫东2006以抚顺市煤矸石场为例，阐述了煤矸石的作用模式，从 煤矸石堆积体的风化作用、自燃火作用、溶滤作用、水动力学作用、环境生态效应等方 面探讨了煤矸石的环境水文地质作用模式和抚顺市煤矸石场对周围环境污染的机理及污 染现状[28]。 煤炭资源的大规模开发，不可避免地对自然生态环境产生极大的扰动，特别是对开 采区域内的水文地质环境产生极为明显的破坏作用。由此引起的水资源环境问题日益突 出，已为社会多方所关注[29]。 1.2.3 1.2.3 对矿区地下水资源保护的研究对矿区地下水资源保护的研究 国外最早涉及矿区地下水资源保护方面的成果要属原苏联 B.M 福明 1983 年的专著 山东科技大学硕士学位论文 绪论 5 采矿水文地质条件变化及保护 ， 该书对采矿引起地下水位下降、 水资源枯竭及其他地 下水有关的问题有些不太透彻的论述，在水资源保护建议中也只是就水的综合利用本身 提出了建议。从国际矿山水会议、国际性水会议及矿山水方面的刊物上也可以看出，西 方发达国家和东欧一些矿山水文地质研究处于领先的国家中，对矿山水资源的保护也都 是从水本身的综合利用和矿山水处理再利用角度提出的。 我国是个矿业大国，而且煤矿大都分布在缺水的北方，因此我国学者在进行矿井突 水防治的同时也开始注重地下水资源的保护研究，并提出了不少新的概念。我国最早探 讨煤矿开采水资源保护的是山西阳泉矿区，由于阳泉煤矿开采疏干排水引起阳泉市供水 水源娘子关泉的干涸和断流，于 20 世纪 80 年代组织专家研究煤炭开采过程中的水资源 保护措施，提出了“排供结合”的概念。之后，在国家计委和地质矿产部、煤炭工业部、 有色金属总公司和冶金工业部的联合攻关下开展了中国北方岩溶地下水资源及大水矿 区岩溶水的预测、利用与管理研究，该项目利用排供结合技术探讨了北方矿区水资源 保护问题。 进入 20 世纪 90 年代，许多矿区相继开展了矿井排水资源化工作，以达到保护水资 源的目的，如焦作煤矿、开滦赵各庄矿、淄博矿区等都在矿区“排供结合”方面取得了 很好的经验。武强等1999针对华北型煤田提出了排、供、生态环保三位一体优化结合 的新思路，较好地解决了结合系统中因