陕蒙煤炭开采对地下水环境系统扰动机理及评价研究

摘要

我国西部地区煤炭资源总体埋藏浅、厚度大、储量丰富，随着煤炭资源开采西移战略的加快推进，全国煤炭基地分布与水资源丰富程度已呈逆向分布。尤其是位于陕西省和内蒙古交界的陕北、神东煤炭基地，以其大规模、高强度、高效、高回收率的开采特征被合称为现代煤炭开采区。开采区在煤炭资源开发的同时不可避免地对地下水环境造成影响或破坏，由此产生的地下水环境与生态环境破坏问题日益突显，制约着我国大型煤炭基地“安全、持续、绿色、生态”的可持续发展战略。
　　论文以我国西部陕西省与内蒙古接壤地区的陕北和神东煤炭能源基地为研究对象，在水文地质调查的基础上，综合采用理论分析、实验室测试、计算机模拟等方法，针对研究区煤炭资源开发对地下水环境扰动机理及定量评价技术进行系统研究，旨在正确认识煤矿开采对地下水的扰动机制及其影响程度，探索定量化程度高的评价方法，为我国西部矿区煤-水资源合理开发、科学管控、制度建设提供技术支持和决策依据。本项研究得到的主要结论和认识如下:
　　1)采煤活动对覆岩结构控制层的破坏是地下水环境系统扰动的根本原因。论文在系统分析陕蒙现代煤炭开采区水、煤、环及煤炭资源开发特征的基础上，提出了地下水环境系统的概念、结构、要素及其功能。地下水环境系统的概念是指在一定空间范围内，以地下水体为系统中心，以控制地下水存储和运动形式的各种要素为系统结构，以地下水的资源与生态价值为核心系统功能的整体;人类活动导致地下水环境系统某项或多项功能的削弱、消失、增强或增加即称为地下水环境系统的扰动。另外从系统的空间结构、范围以及功能内涵出发，将地下水环境系统的构成分为“结构控制层”、“水力驱动层”和“外围扰动层”三个部分;得出采煤活动通过对地下水环境中结构控制层的扰动而导致水力驱动层的响应是煤炭开采区地下水环境系统演化的根本原因。
　　2)“三带一区”是地下水环境结构控制层扰动的主要形式。论文以采动覆岩附加应力变化-损伤变形-介质渗透能力变化为研究技术思路，对采掘扰动下地下水环境结构控制层的演化机理进行了系统研究。从采掘扰动形成的附加应力状态出发，总结了拉应力区、拉压应力区、压应力区三个区段的应力状态与覆岩变形、损伤的一般关系;分析得出典型覆岩“三带一区”（冒落带、裂隙带、弯曲带、地面沉陷区）变形损伤规律。
　　3)不同类型的地下水环境系统结构控制层煤层开采覆岩变形损伤的规律差距较大。应用实验室相似材料模拟技术、计算机数值模拟技术(FLAC3D，F-RFPA2D)定量研究了浅埋松散孔隙型（红柳林）和深埋孔隙-裂隙复合型（沙拉吉达）煤层开采覆岩扰动特征。案例结果显示，浅埋松散孔隙型煤层开采范围小于60m时，可形成典型的“三带”变形损伤，当大于100m后，采动裂缝直达地表，地表发生地堑式垮落，而形成最终的“两带”型破坏;深埋孔隙-裂隙复合型煤层开采过程中均可形成典型的“三带”变形损伤，当采掘范围大于300m后，“三带一区”结构控制层损伤形式趋于稳定。
　　4)采动覆岩结构控制层变形损伤导致覆岩渗透能力变化具有差异性。通过实验室轴向压缩伺服渗透试验，得出岩石在变形损伤不同阶段渗透能力变化具有差异性:在受力初期岩石由于空隙压密渗透率在最低点减少了70％以上，岩石过渡为剪裂变形后渗透率在突增点减少50％左右，岩石在软化变形阶段渗透率在峰值点增大了5倍以上，在出现塑性流变阶段后渗透率基本趋于稳定，残余强度下的渗透率增大了3倍左右;通过流固耦合数值模拟（COMSOL多物理场耦合软件），得出采动覆岩不同区段渗透能力变化具有差异性:采动覆岩应力拉伸区岩体的渗透率相对增大，在采掘空间的直接顶渗透率增大15％，在地表沉陷盆地边缘增大3％;覆岩压缩区渗透率相对减小，在煤岩柱两侧渗透率减小26％，在采掘空间正上方约300m处孔隙率减小10％。
　　5)采动覆岩结构控制层的变形损伤尺度是控制水力驱动层扰动程度的主要因素。运用地下水动力学分析方法，得出覆岩扰动的面积越大、冒裂带高度越高、弯曲带渗透能力越强、地下水压力越大，则地下水环境系统扰动越大;通过数值模拟研究（COMSOL多物理场耦合软件），得出采掘后井下采掘空间直接与大气连通，形成了以导水裂缝带上限圈闭的井下水压“自由表面”，并以“自由表面”为中心，其水位降落漏斗明显、垂向水力梯度和流速加剧的水力驱动层响应。
　　6)提出了构建地下水环境水力驱动层扰动的定量评价模型的技术思路，定量地回答了在采掘扰动影响下具体地下水资源的漏失量、水位降幅等，并给出三大评价指标。从地下水环境系统扰动因素出发，在地下水系统数值建模(MODFLOW)的基础上，通过数值化处理采掘扰动结构变异要素（三带一区），提出了导水裂缝带（冒落带和裂缝带）内边界化、弯曲带覆岩渗透能力分区化，地面沉陷区重新剖分的模型化处理手段，以系统构建地下水环境水力驱动层扰动定量评价模型。并从地下水水位、含水层厚度、水均衡分配角度提出了表征地下水环境系统扰动程度三大评价指标。
　　7)不同地下水环境系统类型的煤层开采扰动程度差异大。通过分别建立研究区深埋孔隙-裂隙型（沙拉吉达）和浅埋松散孔隙型（补连塔）煤层开采条件下的地下水演化的定量评价模型，研究得出沙拉吉达井田导水裂缝带直接揭露延安组基岩裂隙含水层，基岩裂隙含水层形成明显的降落漏斗，由于导水裂缝带不能沟通近地表的松散孔隙含水岩系，松散含水层流场受采掘扰动小，其最大水位附加降深约为0.25m，通过绘制生态扰动指标EHe和含水层扰动指标EHa等值线，识别得出在沙拉吉达井田范围内生态扰动指标EHe≥1，表明局部地段为生态环境影响区，而含水层扰动指标EHa均小于0.07。水均衡总量稍有增加，水资源的损失量约为2040m3/d，水均衡扰动指标EQ值为2.8％，说明该井田采掘扰动对松散层地下水影响极小。
　　浅埋松散孔隙型（补连塔矿）煤层采掘扰动形成的导水裂缝直接发育至地表，导致采掘区段顶部松散含水层被直接疏干，通过绘制生态扰动指标EHe和含水层扰动指标EHa等值线，分析得出在该井田内均两指标均大于1，说明含水层已被大范围疏干，生态破坏严重。随着采掘范围逐年增加，地下水总补给量稍有增加，其补给增量主要是袭夺了区外侧向补给增量、河流排泄减量和潜水蒸发减量。地下水的排泄量增加明显，其排泄增量主要是由于地下水向采掘区段渗漏排泄，而导致了井田地下水资源损失，案例显示2012年补连塔井田因采掘扰动导致地下水损失量达到1.90万m3/d，而水均衡扰动指标EQ值也随着采掘范围拓展逐年增大，2012年达到28％，说明采煤对水均衡影响较大。
　　8)提出了“控水采煤”技术思路。根据地下水环境系统的类型对陕蒙煤炭开采区进行了“控水采煤”分区，其中浅埋黄土裂隙型井田为煤炭资源正常开采区或鼓励开采区，浅埋松散孔隙型井田为煤炭资源限制开采区，深埋孔隙-裂隙复合型井田为煤炭资源减沉控制开采区。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水体下安全采煤

1．2．2 地下水资源保护性采煤技术

1．2．3 煤炭开采对地下水环境影响的评价技术

1．2．4 目前存在的主要问题

1．3 论文主要研究内容与技术路线

2 陕蒙现代煤炭开采区水、煤、环赋存及煤炭开发特征

2．1 自然地理特征

2．1．1 地形地貌特征

2．1．2 气象、水文特征

2．2 主要开采煤层及地下水

2．2．1 煤层

2．2．2 地下水

2．2．3 松散含水层与煤层空间赋存关系

2．3 煤炭开发与地下水环境

2．3．1 煤炭资源开发现状

2．3．2 地下水与生态环境特征

2．4 小结

3 煤炭开采区地下水环境系统及其特征研究

3．1 地下水环境系统概念

3．1．1 地下水系统与地下水环境系统

3．1．2 地下水环境系统特征分析

3．1．3 地下水环境系统状态指标

3．2 地下水环境系统功能及其扰动因素分析

3．2．1 研究区地下水环境系统功能

3．2．2 地下水环境系统功能的扰动因素分析

3．3 陕蒙现代煤炭开采区地下水环境系统分类

3．4 小结

4 煤炭开采对地下水环境系统扰动机理研究

4．1 地下水环境结构控制层扰动机理

4．1．1 采动覆岩应力状态特征

4．1．2 采动覆岩结构变形损伤特征

4．2 地下水环境系统结构控制层扰动演化的模拟研究

4．2．1 浅埋煤层区顶板孔隙含水层扰动破坏特征

4．2．2 深埋煤层区孔隙-裂隙复合含水层扰动破坏特征

4．2．3 典型岩石变形损伤的渗透特征试验研究

4．3 地下水环境系统水力驱动层响应机制研究

4．3．1 采动覆岩变形损伤对地下水影响机制

4．3．2 采煤对“三水”转化规律的影响

4．3．3 采煤对水资源量的影响规律

4．4 煤炭开采对地下水环境系统扰动数值模拟研究

4．4．1 物理问题描述

4．4．2 数学模型

4．4．3 数值模型构建

4．4．4 流固耦合仿真模拟分析

4．5 小结

5 煤炭开采对地下水环境系统扰动定量评价技术研究

5．1 矿区地下水环境系统扰动数值模型的构建

5．1．1 技术思路

5．1．2 地下水环境系统“结构控制层”扰动的模型化处理

5．1．3 地下水环境水动力力系统扰动的数学模型

5．2 煤层开采对地下水环境扰动程度的主要指标

5．2．1 生态水位扰动程度指标

5．2．2 含水层扰动程度指标

5．2．3 水均衡扰动指标

5．3 小结

6 深埋煤层区孔隙-裂隙复合型地下水环境系统扰动定量评价

6．1 研究区地下水系统基础模型构建

6．1．1 井田地质与水文地质背景

6．1．2 地下水系统模型构建

6．1．3 模型校正与天然条件下流场分析

6．2 评价模型构建

6．2．1 导水裂缝数值化处理

6．2．2 地面沉陷区模型化处理

6．2．3 弯曲带覆岩渗透率分析及其模型化处理

6．3 地下水环境扰动定量评价与分析

6．3．1 评价方案设计

6．3．2 采掘扰动影响下地下水水动力系统模拟研究

6．3．3 采煤对地下水扰动程度评价

6．4 小结

7 浅埋煤层区松散孔隙型地下水环境系统扰动定量评价

7．1 地下水系统基础模型构建

7．1．1 地质与水文地质背景

7．1．2 地下水系统模型构建

7．1．3 模型校正与天然条件下地下水流场定量分析

7．2 评价模型构建

7．2．1 导水裂缝带数值化处理

7．2．2 河流的模型化处理

7．3 地下水环境水动力系统扰动定量评价与分析

7．3．1 采掘扰动影响下地下水水动力系统模拟研究

7．3．2 采煤对地下水扰动程度评价

7．4 小结

8 现代煤炭开采区资源开发与地下水环境控制

8．1 煤炭资源科学开发技术

8．1．1 煤炭资源开采区域的科学规划

8．1．2 煤炭资源的科学开采方式

8．2 矿井水资源化与利用技术

8．3 小结

9 结论与展望

9．1 主要结论

9．2 主要创新性成果

9．3 展望

致谢

参考文献

1)个人简介

2)攻读学位期间发表的论文

3)攻读学位期间参与的科研项目

4)获奖情况