张家峁井田采煤对潜水流场的扰动规律研究.pdf

论文题目张家峁井田采煤对潜水流场的扰动规律研究 专 业地质工程 硕 士 生许 武 （签名）_______________ 指导教师夏玉成 （签名）_______________ 摘 要 陕北侏罗纪煤田地处陕蒙交界的风沙滩地区，地表为生态环境脆弱的毛乌素沙地， 下伏广泛分布着萨拉乌苏组潜水含水层和侏罗纪煤炭资源，在垂向空间构成了有机联系 的生态环境-水资源-煤炭资源系统。当煤炭开采形成的导水裂隙带导通萨拉乌苏组含水 层时，会使宝贵的生态潜水溃入井下，一方面严重威胁矿井生产安全，另一方面，造成 当地居民生产生活水源枯竭，严重影响当地生态环境。因此，分析煤炭开采对水文地质 条件的影响，研究煤炭资源开采前后生态潜水流场特征，对煤矿防范矿井水害及保护矿 区生态潜水意义重大。 本文以神府矿区张家峁井田为研究对象，查明了井田生态潜水含水层及关键隔水层 在纵深方向和侧向上的分布、特征及变化规律，研究煤层-地下水的空间组合关系和各 组成单元的水文地质工程地质特性，划分煤-水空间组合关系类型，构建不同煤-水空间 组合关系的岩体-水力学结构概念模型，分析了采动前生态潜水流场的基本特征。通过 对比经验公式、Flac3D数值模拟和实测值，得出张家峁井田 2-2煤层开采冒采比 7，裂采 比 16。 依据隔水层隔水稳定性判据， 总结了开采扰动下导水裂隙带对关键隔水层隔水稳 定性的影响规律，划分各主采煤层开采对生态潜水漏失程度分区；应用经验公式方法计 算井田特定采煤工作面导水裂隙带的影响半径为 1046m，借助基于有限差分的 Modflow 地下水流场模拟软件，模拟得出近水平煤层开采形成的导水裂隙带的影响半径为 1655m，常家沟水库周边采煤前生态潜水水位最高为 1260m，最低为 1180m，潜水流向 为西北向东南流，采煤后生态潜水水位最高为 1260m，最低为 1120m，潜水流向为井田 四周向采空区汇集。常家沟水库周边采煤工作面安全距离约为 1655m。 本文所得结论对于张家峁井田及相同地质条件下的其他区域的“保水采煤”工作具 有一定的指导意义，为陕北生态脆弱矿区实现水资源、生态环境保护与煤炭资源开采的 “双赢”提供了理论和技术依据。 关 键 词生态潜水、关键隔水层、导水裂隙带、潜水流场 研究类型应用研究 Subject ZhangJiamao Coal Mine Coal Mining of Phreatic Water Field of Perturbation Law Research Specialty Geological Engineering Name Xu Wu （（Signature）） Instructor Xia Yu-cheng （（Signature）） ABSTRACT Jurassic coal field in Northern Shaanxi province is located at the junction of shaanxi and lnner Mongolia of the wind beach area, the surface is Mu Us Sandy Land with fragile ecological environment, the Salawusu phreatic water aquifer and Jurassic coal resources are widely distributed below it. All of them constitute the organic connection system of ecological enviroment, water resources and coal resources in the vertical space. When coal mining water-flowing fractured zone can conduction Salawusu aquifer, will make a valuable ecological phreatic water aquifer collapse into the underground, on the one hand, a serious threat to the safety of mine production, on the other hand, the production and living water depletion caused by local residents, serious impact on the local ecological environment. Therefore, the analysis of the impact of coal mining on the hydrogeological conditions, to study the flow field characteristics of coal resources exploitation before and after the ecological phreatic water and coal mines to prevent mine water damage and protect the mine ecological phreatic water significance. In this paper, taking ZhangJiamao coal mine in Shenfu mining area as the research object, identified coal mine ecological phreatic water and key impermeable layer in the depth direction and lateral distribution characteristics and variation, study the seam-groundwater combination of space relationship and hydrogeological engineering geological characteristics of component units, divided coal seam-water space combination of relationship type, build different combinations of coal seam-water space relationship of rock - hydraulic structure conceptual model, analysis of the basic features of the ecological phreatic water flow field before mining. By compared empirical ula, FLAC3D numerical simulation and measured values obtained ZhangJiamao coal mine 2-2 seam mining the ratio of the height of the caving zone to the mining height than7, the ratio of the height of the water-flowing fractured zone to the mining height than 16. Basis impermeable layer of impermeable stability criterion, summed up the influence of mining disturbance under water-flowing fractured zone of critical impermeable layer impermeable stability, draw the phreatic water field corresponding to the main coal seam in mining affect dropout degree of partition, application of empirical ula calculated the coal mine specific coalface water-flowing fractured zone radius of influence for 1046m. With the flow field simulation software based on finite difference Modflow groundwater, the radius of influence of the water-flowing fractured zone ed by the analysis of nearly horizontal seam mining for 1655m. Obtain result before ChangJiagou reservoir surrounding coal seam mining ecological phreatic water water level up to 1260m, a minimum of 1180m, the phreatic water field flow northwest to southeast, after the seam mining ecological phreatic water the water level up to 1260m, a minimum of 1120m, the flow of water flow field around for coal mine to bring together the goaf. ChangJiagou reservoir surrounding coalface safe distance of about 1655m. For other mining areas as the same geological conditions as ZhangJiamao coal mining area, the research results had certain guiding significance, which also provided theory and technological basis for water resources, ecological environment protection and coal mining in ecological fragile mining area in Northern Shaanxi. Key words Ecological Phreatic Water、 Key impermeable、 Water-flowing fractured zone、 Phreatic Water Field Thesis Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论绪论 ...................................................................................................................................1 1.1 选题的背景及研究意义...............................................................................................1 1.2 国内外研究现状及发展趋势.......................................................................................2 1.2.1 采煤活动对地下水影响的研究 ............................................................................2 1.2.2 国内外地下水流场数值模拟研究.........................................................................3 1.2.3 “保水采煤”关键技术研究................................................................................7 1.2.4 存在问题及发展趋势............................................................................................8 1.3 研究目标及内容..........................................................................................................9 1.3.1 研究目标...............................................................................................................9 1.3.2 研究内容...............................................................................................................9 1.4 研究方法与技术路线.................................................................................................10 1.4.1 研究方法.............................................................................................................10 1.4.2 实验方案.............................................................................................................10 1.4.3 技术路线.............................................................................................................10 2 井田地质特征及煤炭开采概况井田地质特征及煤炭开采概况.......................................................................................13 2.1 井田位置与自然地理.................................................................................................13 2.2 地层与构造特征........................................................................................................14 2.2.1 地层.....................................................................................................................14 2.2.2 构造.....................................................................................................................16 2.3 水文地质、工程地质、环境地质特征......................................................................16 2.3.1 水文地质特征 .....................................................................................................16 2.3.2 工程地质特征 .....................................................................................................20 2.3.3 环境地质特征 .....................................................................................................22 2.4 煤层-地下水空间组合类型........................................................................................22 2.5 岩体-水力学结构模型...............................................................................................23 2.6 煤炭开采概况............................................................................................................25 目 录 II 2.6.1 煤层.....................................................................................................................25 2.6.2 煤质.....................................................................................................................30 2.6.3 开采现状.............................................................................................................32 2.7 本章小结....................................................................................................................34 3 采动前生态潜水流场基本特征采动前生态潜水流场基本特征.......................................................................................35 3.1 生态潜水含水层和关键隔水层的定义及判定标准 ..................................................35 3.1.1 生态潜水含水层的定义和判定标准...................................................................35 3.1.2 关键隔水层的定义和判定标准 ..........................................................................36 3.2 生态潜水含水层及关键隔水层的空间分布、变化规律...........................................37 3.3 生态潜水的补给、径流和排泄规律 .........................................................................37 3.4 煤层开采前生态潜水流场的水位及流向..................................................................38 3.5 本章小结....................................................................................................................40 4 煤炭开采对生态潜水流场的垂向扰动规律煤炭开采对生态潜水流场的垂向扰动规律....................................................................41 4.1 煤层开采形成的冒裂带高度的发育规律..................................................................41 4.1.1 经验公式预计值..................................................................................................41 4.1.2 Flac3D数值模拟....................................................................................................42 4.1.3 冒落带和导水裂隙带高度实测值.......................................................................46 4.1.4 结果分析.............................................................................................................47 4.2 关键隔水层的水力学性质.........................................................................................47 4.3 采动前后关键隔水层的隔水性能稳定性 ..................................................................48 4.3.1 关键隔水层的隔水稳定性..................................................................................49 4.3.2 关键隔水层有效隔水厚度..................................................................................49 4.4 煤层开采对生态潜水流场的影响.............................................................................50 4.4.1 5-2煤层开采对生态潜水流场的影响...................................................................54 4.4.2 4-2煤层开采对生态潜水流场的影响...................................................................62 4.4.3 3-1煤层开采对生态潜水流场的影响...................................................................69 4.4.4 2-2煤层开采对生态潜水流场的影响...................................................................74 4.5 本章小结....................................................................................................................77 目 录 III 5 煤炭开采对生态潜水流场的侧向扰动规律煤炭开采对生态潜水流场的侧向扰动规律....................................................................79 5.1 煤层开采形成的导水裂隙带的空间形态..................................................................79 5.2 经验公式法确定导水裂隙带的影响半径..................................................................81 5.3 模拟实验确定导水裂隙带的影响半径......................................................................82 5.3.1 Visual Modflow 软件简介...................................................................................83 5.3.2 建立水文地质概念模型......................................................................................83 5.3.3 建立数学模型及求解..........................................................................................84 5.3.4 采煤对潜水流场的影响预测..............................................................................89 5.3.5 采动后潜水流场的水位和流向 ..........................................................................92 5.4 常家沟水库周边采煤工作面安全距离的确定..........................................................93 5.5 本章小结....................................................................................................................93 6 结论及展望结论及展望......................................................................................................................95 6.1 结论 ...........................................................................................................................95 6.2 展望 ...........................................................................................................................96 致致 谢谢.................................................................................................................................97 参考文献参考文献 .............................................................................................................................98 附附 录录...............................................................................................................................105 Ⅰ 攻读硕士学位期间参与的科研项目.......................................................................105 Ⅱ 攻读硕士学位期间发表的学术论文.......................................................................105 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及研究意义 2002 年到 2011 年， 我国的煤炭产量从 13.9 亿吨增加到 35 亿吨 （国家统计局， 2012） ， 翻了一番多。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比重分别占 76和 69（国家发 展和改革委员会， 2007） ； 我国煤炭产量多年来稳居世界第一， 已占到世界总产量的 40 左右。截止 2012 年年底，全国煤炭产量已突破 36.6 亿吨。 水资源问题目前已成为全球关注的重要环境问题之一[1]，我国是水资源比较贫乏的 国家，许多地区尤其是北方干旱、半干旱地区已有 1/4 的地下水被开采而无法恢复，而 在煤炭开采条件下这种现象更为突出[2]。 我国的煤炭资源非常丰富，煤炭资源的开采为整个国民经济持续稳定发展做出了重 大的贡献，然而，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 [3]，特别是对开采区域内的水文地质环境产生极为明显的不可逆作用，从而严重破坏了 地下水资源的自然赋存条件， 使本来就已经十分紧张的区域水资源供需矛盾更加尖锐[4]。 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，且破坏了水的动态平衡和生态环境，造成 一系列不良后果[5]。 本文以陕北神府矿区张家峁井田为剖析对象， 分析对比在煤炭资源开采前后生态潜 水流场的变化特征，研究煤炭开采对生态潜水流场的三维扰动规律，并以实现合理开发 煤炭资源和有效保护萨拉乌苏组生态潜水资源“双赢”为目标，为制定“保水采煤”技 术方案提供地质依据。 神府矿区位于陕北侏罗纪煤田中部， 该区更以储量丰富、 煤质优良、 地质构造简单、 开采技术条件优越而引人瞩目。根据国家规划，这里将成为 21 世纪煤炭工业战略西移 的首选基地，对我国国民经济的发展也将产生深远的意义。随着陕北神府矿区煤炭资源 的逐步开发及能源化工基地的建设，一些耕地、草场已被风蚀沙化或为流沙所侵占[6]。 煤层开采引发矿区一些地方土地塌陷、水源渗漏、植被枯死，导致矿区水资源进一步枯 竭、生物产量降低，土地生产潜力下降，最终造成可利用土地资源丧失，严重影响了该 区的经济可持续发展和人民生活，有的地方甚至陷入了无地、无水、无房的“三无”状 态， 使本来就脆弱的生态环境雪上加霜， 同时也使该地区的生态平衡遭受了严重的破坏， 自然环境正日趋恶化[7]。因此，神府矿区的水资源和其他生态环境的保护已到了刻不容 缓的地步。系统研究煤炭资源开采与生态潜水流场的关系，分析总结煤炭开采对水文地 质条件的影响，进行煤炭开采条件下的生态潜水流场的数值模拟，研究神府煤层保水开 西安科技大学硕士学位论文 2 采的可行性，为神府矿区煤炭资源合理开采，实现水资源、生态环境保护与煤炭资源开 发并举的目标提供科学的决策依据，对矿区水资源保护、土地塌陷的综合治理、预防能 源化工基地建设遭遇灭顶之灾、实现矿区关于“三个转化”的宏伟计划，最终实现“保 水采煤”的可持续开发利用目标具有重大意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 国内外围绕采煤活动与地下水的相互关系以及“保水采煤”等问题，已经开展了较 为广泛而深入的研究。 1.2.1 采煤活动对地下水影响的研究 从 20 世纪 80 年代，采煤活动对地下水影响的研究已经开始了，由于其研究范围宽 广、涉及领域多，研究者从不同角度出发，得到了不同研究成果。 由于神府矿区地质条件基本类似，范立民[8]等通过观测神府矿区浅埋煤层开采过程 中一个典型工作面的地下水变化情况的结果， 初步认为神府矿区浅埋煤层开采对浅层地 下水的流场、运动规律都具有较大影响，容易疏干浅层地下水，需控制煤层开采过程中 的地下水位下降，保持地下水位的相对稳定，从而保护矿区的生态环境。 由于矿井大量排放孔隙水，疏干了孔隙含水层，会形成较大的降落漏斗，对浅中层 孔隙裂隙水产生影响[9]；采煤排水造成岩溶水转化为矿坑水被排出，减少了岩溶水资源 量及岩溶大泉的补给量，矿坑突水增大了岩溶泉水的排泄量[10][11]，引起的河床疏干、水 质恶化、水生生态系统遭受破坏等现象[12]。因此，采煤活动将改变矿区含水层的分布和 含水状况，进而改变地下水流场；地面塌陷、地裂缝破坏了浅部地下水隔水层和储水构 造，使得矿区煤系地层裂隙水、上覆松散岩类孔隙水和下伏碳酸盐岩岩溶水相互贯通， 改变了地下水与地表水关系， 采矿塌陷区在塌陷非稳定阶段， 地表发育着大量裂缝 （隙） ， 在强降雨条件下，这些裂缝具有导水作用，隐伏在下部的裂缝，在非饱和入渗