基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究.pdf
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1、第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号:()犇 犗 犐:基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究王乐,赵岳然,(太原煤气化 龙泉能源发展有限公司,山西 娄烦 ;中煤科工集团 沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 ;煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 )摘要:为研究 工作面浅表水资源承载力,基于“等效阻水厚度”保水开采理论确定了保水开采的临界条件,测试了顶底板关键岩层的力学性质和水理特性,采用 数值模拟软件对工作面回采过程上覆岩层的移动特征进行研究。数值模拟结果表明:工作面上覆岩层导水裂隙最大发育高度为,地表冲沟区域最大下沉量为 。通过在地表布置走向及倾向观测线,观测到地表最大下沉量为 ,表
2、明:工作面回采对浅表水资源的破坏程度在承载力范围内。关键词:等效阻水厚度;水资源承载力;地表沉陷;数值模拟中图分类号:文献标识码:开放科学(资源服务)标识码(犗 犛 犐 犇):犠 犪 狋 犲 狉犚 犲 狊 狅 狌 狉 犮 犲 狊犆 犪 狉 狉 狔 犻 狀 犵犆 犪 狆 犪 犮 犻 狋 狔狅 犳犛 犺 犪 犾 犾 狅 狑犆 狅 犪 犾 犛 犲 犪 犿 狊犅 犪 狊 犲 犱狅 狀狋 犺 犲“犈 狇 狌 犻 狏 犪 犾 犲 狀 狋犠 犪 狋 犲 狉犚 犲 狊 犻 狊 狋 犪 狀 犮 犲犜 犺 犻 犮 犽 狀 犲 狊 狊”犠 犪 狋 犲 狉犘 狉 狅 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀犜 犺 犲 狅 狉 狔犠
3、犃 犖 犌犔 犲,犣 犎 犃 犗犢 狌 犲 狉 犪 狀,(犔 狅 狀 犵 狇 狌 犪 狀犈 狀 犲 狉 犵 狔犇 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋犆 狅,犔 狋 犱,犜 犪 犻 狔 狌 犪 狀犆 狅 犪 犾犌 犪 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犌 狉 狅 狌 狆,犔 狅 狌 犳 犪 狀 ,犆 犺 犻 狀 犪;犛 犺 犲 狀 狔 犪 狀 犵犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲,犆 犺 犻 狀 犪犆 狅 犪 犾犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔牔犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犌 狉 狅 狌 狆犆 狅,犔 狋 犱,犉 狌 狊 犺 狌 狀 ,犆
4、 犺 犻 狀 犪;犛 狋 犪 狋 犲犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犆 狅 犪 犾犕 犻 狀 犲犛 犪 犳 犲 狋 狔犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔,犉 狌 狊 犺 狌 狀 ,犆 犺 犻 狀 犪)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,“”,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;收稿日期:作者简介:王乐(),男,河北平山人,硕士,工程师,从事煤矿安全、瓦斯治理技术研究工作,:引文格式:王乐,赵岳然基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究山西煤炭,():,“”,():煤炭开采会破坏地下水资源和地表生态系统,地下水通过采动裂隙流入工作面,对井下安全生产造成威胁。针对“保
5、水采煤”要求,国内外学者从地质分区、“三带”发育高度、结构关键层等方面开展了大量的理论研究。黄庆享针对浅埋煤层的赋存特点,对采动过程中隔水层的裂隙发育情况进行了研究;刘治国提出工作面上覆黏性红土层在采动过程中具有“泥盖”效应;刘洪林认为隔水层的隔水性体现在内部裂隙发育情况;张玉军等研究了厚基岩浅层粘土的阻水效应;王佳奇研究了保水开采效果的影响因素,并建立了评价模型;李邵东研究了工作面开采后含破碎带底板的渗透性演化规律;张东升等提出工作面上覆岩层“等效阻水厚度”的研究思路。当前保水开采措施主要包括井下充填、优化采煤方法和注浆。李猛等研究了固体充填充实率的计算模型;柳晶等对充填开采上覆岩层裂隙发育
6、情况进行了研究;孙健等 研究了隔水层在工作面回采过程中的动态受力情况;马立强等 提出改变工作面布置方式和采煤方法可以减少对水资源的破坏;董书宁等 优化了注浆方法,提出注浆帷幕截流技术;秦洪岩等 在对充填效果的研究中引入了“板壳理论”,发现随着充填高度的变化,覆岩裂隙发育存在临界效应;此外还有学者对浅埋厚煤层条带充填保水效果进行了研究 ,并优化了充填材料 。在煤炭开采过程中,最直观的影响是地面沉陷,对浅表水资源造成破坏。当前对保水开采的研究主要集中在顶板水和底板水,对浅表水的研究较少。在此,以龙泉煤矿 工作面为工程背景,基于“等效阻水厚度”保水开采理论对工作面开采过程中浅表水资源的破坏情况进行研
7、究。“等效阻水厚度”保水开采理论张东升等以覆岩等效渗透系数为基础,将煤层顶板至目标含水层之间所有岩层作为整体研究对象,称为等效阻水层,示意图见图所示,覆岩渗流情况见图所示。假设等效阻水层在垂直方向的渗流特点符合达西定律,将等效阻水层理想化为狀层厚度无变化的岩层(岩层序号为狆狇),垂直方向上的等效渗透系数可表示为:犓犲 狇狇犻狆犱犻狇犻狆犱犻犓犻()图等效阻水层示意图 图覆岩渗流情况 式中:犓 为垂直方向的等效渗透系数,;犱为单层岩层的厚度,;犓为单层岩层的渗透系数,。保水开采的临界条件为采动覆岩垂向渗流速度狏与含水层水的补给速度狏相等。假设覆岩两端水头压差犎和含水层水的补给速度狏狉一定,如图所
8、示,隔水岩层厚度为犕时,保水开采的最大临界渗透系数可表示为:犓犮 狉狏狉犱犺()式中:犓犮 狉为垂直方向的最大临界渗透系数,;狏为含水层水补给速度,;犱为隔水岩层厚度,;犺为覆岩两端水头高度差,。采动覆岩的渗透系数与等效阻水厚度成反比,设等效渗透系数犓犲 狇所对应的等效阻水厚度为犱犲 狇,则等效渗透系数犓犲 狇与最大临界渗透系数犓犮 狉的比值等于隔水岩层厚度犱与等效阻水厚度犱犲 狇之比,等效阻水厚度可表示为:犱犲 狇犱犓犮 狉犓犲 狇()满足以下条件时认为可实现保水开采:犓犲 狇犓犮 狉,即犓犲 狇犓犮 狉。工程概况 矿井地质概况龙泉煤矿地处太原市娄烦县,生产能力 ,为高瓦斯矿井。井田位于吕梁
9、山脉的芦芽山南部,山西煤炭第 卷地表为黄土梁峁地貌,井田范围内约 的地区存在“”字型冲沟。地表水系丰富,流经井田范围内的河流主要为岚河及其支流龙泉川。地下含水层层,其中顶板上覆含水层主要为、砂岩含水层裂隙水,底板主要受砂岩裂隙含水层、太原组石灰岩及奥陶系中统石灰岩含水层的影响,煤层距奥陶系灰岩 。水文地质条件复杂。井田地层总体为走向北西、倾向北东的单斜构造,地质构造简单。工作面概况 工作面开采煤层,采用综采放顶煤采煤方法,全部垮落法管理顶板,机采高度为 ,放煤厚度为 ,走向可采长度 ,倾向长度 。工作面伪顶为砂质泥岩,直接顶为砂岩,基本顶为砂质泥岩;直接底为中砂岩,基本底为细砂岩。工作面地表发
10、育有处规模较大的冲沟,其中对工作面开采影响较大的为冲沟(四圪塔沟)。地表冲沟发育情况如图所示。图 工作面地表冲沟分布 工作面顶底板岩石性能测试对 工作面顶底板岩石物理与水理性能进行测试,以便为物理模拟、数值计算及理论分析提供必要的基础参数。将岩样加工为 的圆柱体,根 据 实 验 要 求 用 切 割 机 分 别 切 成 、长的圆柱块。物理力学性能测试本次对不同岩样分别进行了单轴抗压强度、单轴抗拉强度及剪切试验,试验过程见图图所示,测试结果见表所示。图单轴抗压强度测试 图单轴抗拉强度测试 图剪切强度测试 表岩石物理力学参数 序号名称密度()抗压强度 抗拉强度 内摩擦角()内聚力 砂质泥岩 细砂岩
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