煤矿地下水库环境风险评估方法

摘要

本发明提供一种煤矿地下水库环境风险评估方法，包括如下步骤：分析地下水库的煤岩物理力学性质参数和地下水库内废水组分；获取采空区围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据；根据所述围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据得到围岩应力位移和破坏演化规律；根据所述煤岩物理力学性质参数和所述围岩应力位移和破坏演化规律确定废水渗流范围和渗流路径；根据所述废水渗流范围和渗流路径以及所述废水组分确定所述地下水库中的废水对周围地下水区域造成环境污染的风险指数。以上方案，通过相似模拟、数值模拟与现场实测相结合的方法，评判煤矿地下水库废水封存技术的环境风险。

说明书

技术领域

本发明涉及采矿工程技术领域，具体涉及一种煤矿地下水库环境风险评估方法。

背景技术

煤矿地下水库是充分利用地下自然空间和自然力储存和净化矿井水的安全、低成本、规模化的储水技术，为煤炭开采地下水资源保护利用提供了有效技术支撑。煤层开采后，顶板岩层先后经历“弯曲下沉—裂隙发育—破断垮落”的动态演化过程，岩层大面积垮冒滞后于导水裂隙带形成，这个裂隙会便利煤炭的扩散作用，对地下的含水层造成一定的污染，会影响现有的水资源，破坏当地的生态系统。其次，建造地下煤矿储水库就是一个可行的解决方式，然而地下水库建立后，由于大容量高水压存在，是否会对后续煤层开采安全构成威胁，并没有相关技术方案进行分析，影像了地下水库的推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种煤矿地下水库环境风险评估方法，以解决现有技术中在煤矿地下水库存储高矿化度矿井水或者矿井水深度处理后产生的浓盐废水时，对地下水环境造成的环境风险无法评估的技术问题。

本发明提供一种煤矿地下水库环境风险评估方法，所述方法包括如下步骤：

分析地下水库的煤岩物理力学性质参数和地下水库内废水组分；

获取采空区围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据；

根据所述围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据得到围岩应力位移和破坏演化规律；

根据所述煤岩物理力学性质参数和所述围岩应力位移和破坏演化规律确定废水渗流范围和渗流路径；

根据所述废水渗流范围和渗流路径以及所述废水组分确定所述地下水库中的废水对周围地下水区域造成环境污染的风险指数。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，获取采空区围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据的步骤中基于高压压水试验的方法的获取裂隙发育特征数据，其包括：

在采空区周边煤柱体内布置探测钻孔；

向所述探测钻孔中分级加压注水，获取不同注水压力下的注水量大小，分析不同部位、不同注水压力及不同介质的条件下煤柱体内的渗透性进而得到裂隙发育特征数据。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，获取采空区围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据的步骤中基于钻孔窥视方法获取围岩破断形态数据，其包括：

在采空区顶板岩体内布置探测钻孔；

采用钻孔窥视的方式，获取采空区覆岩不同区域及高度的垮落状态数据；

根据所述跨落状态数据得到围岩破断形态数据，所述围岩破断形态数据包括采空区覆岩冒落带和裂隙带的垂直高度及水平扩展范围。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，根据所述围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据得到围岩应力位移和破坏演化规律的步骤中，采用相似模拟试验的方式得到围岩应力位移和破坏演化规律，其包括：

根据相似原理，将采空区岩层以设定比例缩小后采用相似材料制备得到采空区岩层模型；

针对采空区岩层模型中的煤层区进行模拟开采操作；获取采空区岩层模型上的岩层围岩区域由于所述模拟开采操作引起的移动、变形和破坏状态信息；

根据所述移动、变形和破坏状态信息得到围岩应力位移和破坏演化规律。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，根据相似原理，将采空区岩层以设定比例缩小后采用相似材料制备得到采空区岩层模型的步骤中：

以采空区岩层为原型，根据该采空区岩层的水文地质柱状图和室内岩石力学参数选择骨料及胶结料进行配比试验得到采空区岩层模型。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，根据相似原理，将采空区岩层以设定比例缩小后采用相似材料制备得到采空区岩层模型的步骤中包括：

按照采空区岩层各分层的原型材料配比各分层的模拟材料；

按照各分层的尺寸自下而上的铺设各分层的模拟材料，相邻量分层间撒云母粉，夯实每一层的模拟材料得到初始岩层模型；

在初始岩层模型的顶板岩层布设压力和应变传感器，在初始岩层模型的覆岩布设孔隙水压传感器和位移观测点；

将初始岩层模型自然养护20-30天，直至初始岩层模型干燥定型后得到采空区岩层模型。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，针对采空区岩层模型中的煤层区进行模拟开采操作；获取采空区岩层模型上的岩层围岩区域由于所述模拟开采操作引起的移动、变形和破坏状态信息的步骤中包括：

针对采空区岩层模型采用下行开采；

每完成一个开采阶段，待采空区岩层模型移动稳定后，获取采空区岩层模型中压力和应变传感器发送的压力和应变检测数据；获取水压传感器和位移观测点发送的水压和测点数据；获取岩层围岩区域由于所述模拟开采操作引起的移动、变形和破坏状态信息；

所有开采阶段均完成后，根据每一阶段的岩层围岩区域的移动、变形和破坏状态信息得到围岩应力位移和破坏演化规律。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，根据所述煤岩物理力学性质参数和所述围岩应力位移和破坏演化规律确定废水渗流范围和渗流路径的步骤包括：

针对所述采空区岩层模型建立离散元模型，块体尺寸控制在10-20m范围内，对采空区岩层模型的不同岩层进行建模；

根据块体节理准则设定块体节理法向刚度、切向刚度和剪切强度；

在离散元模型中得到模拟开采过程中受到拉伸和剪切破坏的节理，得到裂隙网络；

根据所述裂隙网络得到围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，根据所述煤岩物理力学性质参数和所述围岩应力位移和破坏演化规律确定废水渗流范围和渗流路径的步骤还包括：

在离散元模型中的地下水库的底部施加不同注水压力边界条件；

基于所述裂隙网络建立数值模型；

根据不同注水压力下对上方覆岩裂隙的喉径及渗透性的影响，模拟不同注水压力对上覆围岩裂隙渗流的影响，得到不同注水压力下裂隙网络的渗流场分布状态以及裂隙网络中的浓度场分布状态；

根据不同注水压力下煤柱的应力分布状态得到流固耦合过程中的煤柱中的裂隙发育特征数据。

可选地，上述的煤矿地下水库环境风险评估方法，根据不同注水压力下煤柱的应力分布状态得到流固耦合过程中的煤柱中的裂隙发育特征数据的步骤中：

采用屈服准则、局部应变软化准则和局部单元细化网格处理算法模拟不同应力条件下的煤柱。

本发明提供的以上技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果：通过相似模拟、数值模拟与现场实测相结合的方法，确定煤矿采空区地下水库围岩破断裂隙特征及其在高压浓盐水作用下的次生裂隙发育演化规律，并结合矿井及其周边水文地质条件，评判煤矿地下水库浓盐水封存技术的环境风险。

附图说明

图1为本发明一个实施例所述煤矿地下水库环境风险评估方法流程图；

图2为本发明一个实施例所述建立采空区岩层模型的方法流程图；

图3为本发明一个实施例所述获取采空区岩层模型上的岩层围岩区域由于所述模拟开采操作引起的移动、变形和破坏状态信息方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必需具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

本申请一些实施例中提供一种煤矿地下水库环境风险评估方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1：分析地下水库的煤岩物理力学性质参数和地下水库内废水组分。废水主要为高浓盐废水，其组分包括高浓盐废水水质分析，确定废水中的组分及含量，特别是有毒有害物质。

步骤2：获取采空区围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据。具体地，在采空区周边煤柱体内布置探测钻孔；向所述探测钻孔中分级加压注水，获取不同注水压力下的注水量大小，分析不同部位、不同注水压力及不同介质的条件下煤柱体内的渗透性进而得到裂隙发育特征数据。在采空区顶板岩体内布置探测钻孔；采用钻孔窥视的方式，获取采空区覆岩不同区域及高度的垮落状态数据；根据所述跨落状态数据得到围岩破断形态数据，所述围岩破断形态数据包括采空区覆岩冒落带和裂隙带的垂直高度及水平扩展范围。也即，优选实现方式为：基于高压压水试验的采空区周边煤柱裂隙发育特征探测，通过在采空区周边煤柱体内布置相应的探测钻孔，采用向探测钻孔中分级加压注水的方式，获取不同注水压力条件下的注水量大小，分析不同部位、不同水压及不同介质条件下，采空区煤柱体内的渗透性及裂隙发育特征，为高浓盐水地下水库煤柱坝体的防渗性研究，提供依据。基于钻孔窥视技术的采空区底板岩层破断及裂隙发育特征探测，通过在采空区顶板岩体内布置相应的探测钻孔，采用钻孔窥视的方式，获取采空区覆岩不同区域及高度的垮落状态像资料，进而掌握采空区覆岩冒落带和裂隙带的垂直高度及水平扩展范围，为高浓盐水地下水库上部边界的确定提供依据。

步骤3：根据所述围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据得到围岩应力位移和破坏演化规律。用相似材料模拟方法研究岩层移动的实质是，根据相似原理，将矿山岩层(在研究的范围内)以一定比例缩小，用相似材料制成模型。然后对模型中的煤层进行“开采”，观测模型上的岩层由于“开采”引起的移动、变形和破坏情况，分析、推断实地岩层所发生的情况。以待研究采区综采工作面为原型，根据该矿井的综合水文地质柱状图和室内岩石力学参数结果选择骨料及胶结料进行配比试验。根据相似模型实验台选取几何相似常数和容重相似常数，根据相似定理及相关相似准则，推导得到模型的其他参数相似条件。

具体步骤可以参考图2所示，根据相似原理，将采空区岩层以设定比例缩小后采用相似材料制备得到采空区岩层模型的步骤中包括：

步骤3.1：按照采空区岩层各分层的原型材料配比各分层的模拟材料；按照相应模拟材料配比要求，进行选材、加工试件、测试性能要求。

步骤3.2：按照各分层的尺寸自下而上的铺设各分层的模拟材料，相邻量分层间撒云母粉，夯实每一层的模拟材料得到初始岩层模型；

步骤3.3：在初始岩层模型的顶板岩层布设压力和应变传感器，在初始岩层模型的覆岩布设孔隙水压传感器和位移观测点；

步骤3.4：将初始岩层模型自然养护20-30天，直至初始岩层模型干燥定型后得到采空区岩层模型。

模拟开采步骤可以包括：针对采空区岩层模型采用下行开采；每完成一个开采阶段，待采空区岩层模型移动稳定后，获取采空区岩层模型中压力和应变传感器发送的压力和应变检测数据；获取水压传感器和位移观测点发送的水压和测点数据；获取岩层围岩区域由于所述模拟开采操作引起的移动、变形和破坏状态信息；所有开采阶段均完成后，根据每一阶段的岩层围岩区域的移动、变形和破坏状态信息得到围岩应力位移和破坏演化规律。本步骤中，模型开采采用下行开采，每阶段采完后，等待岩层移动稳定后，都要对模型上的应力、应变、水压测点进行一次全面的观测和计算，详细记录覆岩破坏形态，并拍照摄影。最终能够获得煤层重复开采围岩应力位移和破坏演化规律，顶板承压水涌水过程与机理和顶板水压作用下次生裂隙发育演化规律。

步骤4：根据所述煤岩物理力学性质参数和所述围岩应力位移和破坏演化规律确定废水渗流范围和渗流路径。优选地，结合图3所示，本步骤可以通过如下方式来实现：

步骤4.1：针对所述采空区岩层模型建立离散元模型，块体尺寸控制在10-20m范围内，对采空区岩层模型的不同岩层进行建模；采用3DEC离散元数值模拟软件，建立离散元模型，块体尺寸控制在10-20m范围内，分不同岩层进行建模。块体节理拟采用Mohr-Columba或Hooke-Brown准则，设定节理法向刚度、切向刚度和剪切强度。

步骤4.2：根据块体节理准则设定块体节理法向刚度、切向刚度和剪切强度；在煤层开采后，上覆岩层发生运动，节理可拉伸或剪切破坏，同时可获得岩层垮落情况。煤层开采后，输出拉伸和剪切破坏的节理，得到上覆岩层的裂隙网络分布。

步骤4.3：在离散元模型中得到模拟开采过程中受到拉伸和剪切破坏的节理，得到裂隙网络；在水库底部施加不同注水压力边界条件，基于前面得到的裂隙网络情况，建立数值模型。

步骤4.4：根据所述裂隙网络得到围岩破断形态数据及裂隙发育特征数据。

步骤4.5：在离散元模型中的地下水库的底部施加不同注水压力边界条件。

步骤4.6：基于所述裂隙网络建立数值模型。

步骤4.7：根据不同注水压力下对上方覆岩裂隙的喉径及渗透性的影响，模拟不同注水压力对上覆围岩裂隙渗流的影响，得到不同注水压力下裂隙网络的渗流场分布状态以及裂隙网络中的浓度场分布状态；考虑不同注水压力对上方覆岩裂隙的喉径及渗透性的影响，基于3DEC的PNK理论，模拟不同水压对上覆围岩裂隙渗流的影响，从而得到不同注水条件下裂隙网络的渗流场分布情况，同时分析裂隙网络中的浓度场分布情况。

步骤4.8：根据不同注水压力下煤柱的应力分布状态得到流固耦合过程中的煤柱中的裂隙发育特征数据。提取不同注水压力条件下煤柱的有效应力分布情况，采用OpenGeoSys数值模拟软件，采用Drucker-Prager屈服准则、局部应变软化模型和局部单元细化网格处理技术。对不同应力条件下的煤柱进行数值模拟，分析流固耦合过程中的煤柱裂隙损伤开裂演化规律。

步骤5：根据所述废水渗流范围和渗流路径以及所述废水组分确定所述地下水库中的废水对周围地下水区域造成环境污染的风险指数。根据步骤1到步骤4中的方式能够确定出地下水库中存储的废水在未来一段时间内的渗透情况，进而能够确定其是否会渗透至周围地下水区域，如果不能渗透至地下水区域则造成环境污染的风险指数为零或者说很低(如0-3)，如果在未来一段时间内，废水会渗透至地下水区域则造成环境污染的风险很高(如8-10)，需要进行改建或修复。

下面结合灵新缓倾斜煤层群煤矿地下水库为例对上述方案进行详细说明：

灵新缓倾斜煤层群煤矿地下水库储存矿化度为20000～30000mg/L的浓盐废水。灵新煤矿一采区1990年11月投产，2008年初回采结束，开采14、15、16煤层。灵新煤矿14煤平均煤厚取2.4m，15煤平均煤厚取2.8m，16煤平均煤厚取4.1m，14、15煤层间距平均20m，15、16煤层间距平均为18米。根据灵新煤矿现有排水系统情况及生产地质情况，浓盐水地下存储选定在一采区北翼。

通过对岩样进行基本物理力学参数测试，得到岩石的密度、吸水率、饱和吸水率、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、三轴抗压强度、渗透系数等参数。通过对浓盐废水分析，确定其成分为，结果表明浓盐废水仅含有钾、钙、钠、镁、氯和硫酸根等常规污染物，重金属及有机物含量均低于地表三类水标准。

现场探测方面，获得两高高度。在L3414工作面西天河下开采技术研究过程中得出14#开采后，裂高采厚比为18.90～20.80。在14、15煤开采后上部覆岩破坏"两带"高度探测中得出14#开采后，裂高采厚比为22.23～23.05，两次得出的裂高采后比基本一致。且14#、15#叠加垮落后，导水裂缝带高度未超过14#开采后的导水裂缝带高度，只是裂缝带的发育程度增大。根据以上成果，14#、15#、16#煤叠加跨落后导水裂缝带高度延伸高度以14#煤开采后的导水裂缝带延伸标高为准，灵新煤矿14煤平均煤厚取2.4m，15煤平均煤厚取2.8m，16煤平均煤厚取4.1m，14、15煤层间距平均20m，15、16煤层间距平均为18米。因此，14#、15#、16#煤叠加跨落后导水裂缝带高度为20+18+(21×2.4)＝88.4米。

相似模拟实验。实验以灵新煤矿六采区综采工作面为原型，六采区开采下组14#、15#、16#煤，煤层采厚分别为2.78m、3.18m、4.28m，倾角10度，14煤-15煤、15煤-16煤层间距分别为20m、18m。每层煤开采两个工作面，工作面宽180m左右，两工作面间隔煤柱25m。下组煤层群顶板充水水源主要为延安组K2、K3、K4含水层。根据该矿井的综合水文地质柱状图和室内岩石力学参数结果选择骨料及胶结料进行配比试验。模型选择在华北科技学院二维平面实验装置上进行实验，模型尺寸为：长×宽×高＝3200mm×250mm×1600mm，选取几何相似常数为1：250。容重相似常数为1：1.5，根据相似定理及相关相似准则，设计模型累高为1.12m(原型280m)，对模型未能模拟的上覆岩层厚度为0.16m(原型40m)，应采用加荷载的方式实现，取模型中未模拟岩层平均容重1666.7kg/m3(原型2500kg/m3)。所以模型需要施加的重力补偿荷载为2.67kPa。相似模拟实验结果表明，灵新煤矿下行开采，14煤开采覆岩导水裂缝带法向发育高度约为8.6cm(约为7.8倍14煤煤厚)，连通裂缝发育至K4含水层底部，K4含水层与工作面导通涌水；15煤重复开采覆岩导水裂缝带法向发育高度约为36cm(约为15倍14、15煤煤厚之和)，连通裂缝发育至K3与K4含水层之间，K4含水层与工作面导通涌水，K3含水层不导通涌水；16煤重复开采覆岩导水裂缝带法向发育高度约为48cm(约为11.7倍14、15、16煤煤厚之和)，连通裂缝发育至K3含水层内，K4、K3含水层均与工作面导通涌水。煤层群开采后覆岩位移观测显示，覆岩位移呈现明显的盆地特征，同一岩层下沉以采空区为中心，中间下沉量大，两侧下沉量小；覆岩位移自下往上传播方向表现为竖直方向而不是岩层法向；上组煤层(14煤)开采隔离煤柱能够起到较好的岩层移动变形控制效果，下组煤重复开采将破坏上组煤隔离煤柱，覆岩破坏剧烈，移动变形将显著增加。采用基于图像处理的非规则形状检测方法对覆岩发育孔隙进行了自动识别与分析，结果显示：井下煤层采动不充分时，覆岩离层发育，封闭离层空间面积占比大，采空区覆岩连通孔隙空间面积占比小，覆岩破坏连通孔隙面积约占开采总面积(即孔隙率)约占20％左右；井下煤层采动充分时，覆岩破坏剧烈，覆岩破坏裂隙相互连通，连通孔隙面积显著增加。

数值模拟实验。数值模拟的采动裂隙网络分布与相似模拟试验结果相似，在16和18号煤层开采后，覆岩裂隙扩展至K3含水层内，且数值模拟中裂隙网络分布范围与相似模拟试验接近，表明数值模拟模型和参数具有很好的适用性，可以为后续数值模拟研究分析提供基础。数值模拟计算注水条件下采动裂隙渗流及浓度场结果表明，高浓度盐水首先在裂隙采空区流动，随后沿着覆岩断裂裂隙进入K4含水层，并最终在K4含水层及其邻近覆岩断裂裂隙中流动，渗流场离K3含水层较远。在50年内，浓度场主要在K4含水层邻近覆岩、K4含水层和底部泥岩中扩散。浓度场在自身重力所用下，在10年后扩散速度减缓，K3含水层中有少量盐水分布。总体上，盐水浓度几乎不能扩散到K3含水层。

通过以上结论可以获得灵新缓倾斜煤层地下水库存储浓盐废水时，废水渗流产生的环境风险较小，不会对周边水系产生影响。

本发明以上实施例中的方案克服了目前尚无评价煤矿地下水库存储高盐废水环境风险的方法的问题，为煤矿地下水库存储高盐废水在环境安全方面提供了一条评价途径，扩展了地下水库的应用领域。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。