陜蒙煤炭開采對地下水環(huán)境系統(tǒng)擾動機理及評價研究.pdf

1、我國西部地區(qū)煤炭資源總體埋藏淺、厚度大、儲量豐富，隨著煤炭資源開采西移戰(zhàn)略的加快推進(jìn)，全國煤炭基地分布與水資源豐富程度已呈逆向分布。尤其是位于陜西省和內(nèi)蒙古交界的陜北、神東煤炭基地，以其大規(guī)模、高強度、高效、高回收率的開采特征被合稱為現(xiàn)代煤炭開采區(qū)。開采區(qū)在煤炭資源開發(fā)的同時不可避免地對地下水環(huán)境造成影響或破壞，由此產(chǎn)生的地下水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境破壞問題日益突顯，制約著我國大型煤炭基地“安全、持續(xù)、綠色、生態(tài)”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
　　

2、論文以我國西部陜西省與內(nèi)蒙古接壤地區(qū)的陜北和神東煤炭能源基地為研究對象，在水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，綜合采用理論分析、實驗室測試、計算機模擬等方法，針對研究區(qū)煤炭資源開發(fā)對地下水環(huán)境擾動機理及定量評價技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在正確認(rèn)識煤礦開采對地下水的擾動機制及其影響程度，探索定量化程度高的評價方法，為我國西部礦區(qū)煤-水資源合理開發(fā)、科學(xué)管控、制度建設(shè)提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。本項研究得到的主要結(jié)論和認(rèn)識如下:
　　1)采煤活動對覆巖結(jié)構(gòu)控

3、制層的破壞是地下水環(huán)境系統(tǒng)擾動的根本原因。論文在系統(tǒng)分析陜蒙現(xiàn)代煤炭開采區(qū)水、煤、環(huán)及煤炭資源開發(fā)特征的基礎(chǔ)上，提出了地下水環(huán)境系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、要素及其功能。地下水環(huán)境系統(tǒng)的概念是指在一定空間范圍內(nèi)，以地下水體為系統(tǒng)中心，以控制地下水存儲和運動形式的各種要素為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以地下水的資源與生態(tài)價值為核心系統(tǒng)功能的整體;人類活動導(dǎo)致地下水環(huán)境系統(tǒng)某項或多項功能的削弱、消失、增強或增加即稱為地下水環(huán)境系統(tǒng)的擾動。另外從系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)、范圍以及

4、功能內(nèi)涵出發(fā)，將地下水環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)成分為“結(jié)構(gòu)控制層”、“水力驅(qū)動層”和“外圍擾動層”三個部分;得出采煤活動通過對地下水環(huán)境中結(jié)構(gòu)控制層的擾動而導(dǎo)致水力驅(qū)動層的響應(yīng)是煤炭開采區(qū)地下水環(huán)境系統(tǒng)演化的根本原因。
　　2)“三帶一區(qū)”是地下水環(huán)境結(jié)構(gòu)控制層擾動的主要形式。論文以采動覆巖附加應(yīng)力變化-損傷變形-介質(zhì)滲透能力變化為研究技術(shù)思路，對采掘擾動下地下水環(huán)境結(jié)構(gòu)控制層的演化機理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。從采掘擾動形成的附加應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，總結(jié)了

5、拉應(yīng)力區(qū)、拉壓應(yīng)力區(qū)、壓應(yīng)力區(qū)三個區(qū)段的應(yīng)力狀態(tài)與覆巖變形、損傷的一般關(guān)系;分析得出典型覆巖“三帶一區(qū)”（冒落帶、裂隙帶、彎曲帶、地面沉陷區(qū)）變形損傷規(guī)律。
　　3)不同類型的地下水環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制層煤層開采覆巖變形損傷的規(guī)律差距較大。應(yīng)用實驗室相似材料模擬技術(shù)、計算機數(shù)值模擬技術(shù)(FLAC3D，F(xiàn)-RFPA2D)定量研究了淺埋松散孔隙型（紅柳林）和深埋孔隙-裂隙復(fù)合型（沙拉吉達(dá)）煤層開采覆巖擾動特征。案例結(jié)果顯示，淺埋松散孔隙型

6、煤層開采范圍小于60m時，可形成典型的“三帶”變形損傷，當(dāng)大于100m后，采動裂縫直達(dá)地表，地表發(fā)生地塹式垮落，而形成最終的“兩帶”型破壞;深埋孔隙-裂隙復(fù)合型煤層開采過程中均可形成典型的“三帶”變形損傷，當(dāng)采掘范圍大于300m后，“三帶一區(qū)”結(jié)構(gòu)控制層損傷形式趨于穩(wěn)定。
　　4)采動覆巖結(jié)構(gòu)控制層變形損傷導(dǎo)致覆巖滲透能力變化具有差異性。通過實驗室軸向壓縮伺服滲透試驗，得出巖石在變形損傷不同階段滲透能力變化具有差異性:在受力初期巖

7、石由于空隙壓密滲透率在最低點減少了70％以上，巖石過渡為剪裂變形后滲透率在突增點減少50％左右，巖石在軟化變形階段滲透率在峰值點增大了5倍以上，在出現(xiàn)塑性流變階段后滲透率基本趨于穩(wěn)定，殘余強度下的滲透率增大了3倍左右;通過流固耦合數(shù)值模擬（COMSOL多物理場耦合軟件），得出采動覆巖不同區(qū)段滲透能力變化具有差異性:采動覆巖應(yīng)力拉伸區(qū)巖體的滲透率相對增大，在采掘空間的直接頂滲透率增大15％，在地表沉陷盆地邊緣增大3％;覆巖壓縮區(qū)滲透率相對

8、減小，在煤巖柱兩側(cè)滲透率減小26％，在采掘空間正上方約300m處孔隙率減小10％。
　　5)采動覆巖結(jié)構(gòu)控制層的變形損傷尺度是控制水力驅(qū)動層擾動程度的主要因素。運用地下水動力學(xué)分析方法，得出覆巖擾動的面積越大、冒裂帶高度越高、彎曲帶滲透能力越強、地下水壓力越大，則地下水環(huán)境系統(tǒng)擾動越大;通過數(shù)值模擬研究（COMSOL多物理場耦合軟件），得出采掘后井下采掘空間直接與大氣連通，形成了以導(dǎo)水裂縫帶上限圈閉的井下水壓“自由表面”，并以“自

9、由表面”為中心，其水位降落漏斗明顯、垂向水力梯度和流速加劇的水力驅(qū)動層響應(yīng)。
　　6)提出了構(gòu)建地下水環(huán)境水力驅(qū)動層擾動的定量評價模型的技術(shù)思路，定量地回答了在采掘擾動影響下具體地下水資源的漏失量、水位降幅等，并給出三大評價指標(biāo)。從地下水環(huán)境系統(tǒng)擾動因素出發(fā)，在地下水系統(tǒng)數(shù)值建模(MODFLOW)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值化處理采掘擾動結(jié)構(gòu)變異要素（三帶一區(qū)），提出了導(dǎo)水裂縫帶（冒落帶和裂縫帶）內(nèi)邊界化、彎曲帶覆巖滲透能力分區(qū)化，地面沉陷

10、區(qū)重新剖分的模型化處理手段，以系統(tǒng)構(gòu)建地下水環(huán)境水力驅(qū)動層擾動定量評價模型。并從地下水水位、含水層厚度、水均衡分配角度提出了表征地下水環(huán)境系統(tǒng)擾動程度三大評價指標(biāo)。
　　7)不同地下水環(huán)境系統(tǒng)類型的煤層開采擾動程度差異大。通過分別建立研究區(qū)深埋孔隙-裂隙型（沙拉吉達(dá)）和淺埋松散孔隙型（補連塔）煤層開采條件下的地下水演化的定量評價模型，研究得出沙拉吉達(dá)井田導(dǎo)水裂縫帶直接揭露延安組基巖裂隙含水層，基巖裂隙含水層形成明顯的降落漏斗，由于

11、導(dǎo)水裂縫帶不能溝通近地表的松散孔隙含水巖系，松散含水層流場受采掘擾動小，其最大水位附加降深約為0.25m，通過繪制生態(tài)擾動指標(biāo)EHe和含水層擾動指標(biāo)EHa等值線，識別得出在沙拉吉達(dá)井田范圍內(nèi)生態(tài)擾動指標(biāo)EHe≥1，表明局部地段為生態(tài)環(huán)境影響區(qū)，而含水層擾動指標(biāo)EHa均小于0.07。水均衡總量稍有增加，水資源的損失量約為2040m3/d，水均衡擾動指標(biāo)EQ值為2.8％，說明該井田采掘擾動對松散層地下水影響極小。
　　淺埋松散孔隙型（

12、補連塔礦）煤層采掘擾動形成的導(dǎo)水裂縫直接發(fā)育至地表，導(dǎo)致采掘區(qū)段頂部松散含水層被直接疏干，通過繪制生態(tài)擾動指標(biāo)EHe和含水層擾動指標(biāo)EHa等值線，分析得出在該井田內(nèi)均兩指標(biāo)均大于1，說明含水層已被大范圍疏干，生態(tài)破壞嚴(yán)重。隨著采掘范圍逐年增加，地下水總補給量稍有增加，其補給增量主要是襲奪了區(qū)外側(cè)向補給增量、河流排泄減量和潛水蒸發(fā)減量。地下水的排泄量增加明顯，其排泄增量主要是由于地下水向采掘區(qū)段滲漏排泄，而導(dǎo)致了井田地下水資源損失，案例顯