台格庙矿区顶板涌（突）水危险性评价与矿井涌水量预测

发布时间：2017-07-18 11:28

  本文关键词：台格庙矿区顶板涌（突）水危险性评价与矿井涌水量预测

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【摘要】：鄂尔多斯能源基地煤炭资源储量丰富,煤层赋存稳定,开采难度小,有巨大的开发利用潜力。台格庙矿区位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗,煤层埋藏较深,采高大,煤层顶板隔水层分布不稳定,局部缺失,煤层顶板含水层厚度较大,因此,煤层开采后冒裂带极有可能成为导水通道造成矿井涌(突)水事故,因此非常有必要对其顶板含水层涌(突)水危险性进行评价,并进行矿井涌水量预测,就疏降水后地下水流场以及各含水层之间水力联系的变化进行分析。水文地质参数的准确计算对含水层的富水性评价及矿井涌水量预测至关重要,为了能够准确的计算水文地质参数,选取具有三次水位降深的抽水试验数据,整理出每个阶梯的抽水量、抽水时间和水位降深,依据井损与抽水井流量的三次方成正比的经验公式计算了抽水井实测水位降深的井损,得出理论水位降深。分析了研究区含水层的补径排条件,认为区内含水层较为封闭,阐述了在相对封闭含水层进行稳定流抽水试验不可能形成稳定降深的理论依据,因此可依据Theis多阶梯井流试验公式利用单孔“稳定流”抽水试验数据对含水层的渗透系数和贮水率进行求解,求解过程在MATLAB里编程完成。该方法克服了对于单孔“稳定流”抽水试验,依据Dupuit公式和“影响半径”经验公式进行迭代法求解渗透系数误差较大且不能求解贮水率的缺陷。水文地质参数的准确计算为客观的评价含水层的富水性和准确的预测矿井涌水量奠定了基础。针对煤层直接顶板隔水层沉积较薄或缺失、上覆充水含水层厚度大、富水性较弱条件下的顶板水害评价预测,在经典“三图”法的指导下,分别从顶板冒裂程度和含水层富水性强度这两个方面入手,进行煤层顶板含水层的涌(突)水危险性评价。顶板冒裂程度采用导水裂隙带对顶板含水层的破坏扰动范围来表征,依据导水裂隙带发育高度生成冒裂程度专题图。含水层富水性的评价方法则进一步提升,以富水性指数法为依托,一方面充分挖掘地质和水文地质勘查数据中与含水层富水性相关的信息,包括渗透系数、砂岩厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率和脆塑性岩厚度比等,并将其作为主控地质因素,另一方面将数量有限的单位涌水量数据作为含水层富水性的实测指标对富水性指数法的评价结果进行校正,该方法解决了在水文地质勘查程度较低情况下的含水层富水性合理准确评价与分区难题。在含水层富水性主控因素的权重确定方面,一方面通过征求专家意见,依据专家打分,通过层次分析法确定出各主控因素的主观权重,另一方面采用灰色关联分析法对各主控因素的关联程度进行计算,进而得出主控因素的客观权重,通过对主客观权重的加权平均得出了综合权重。依照最终确定的综合权重在GIS里对各专题图进行多源信息叠加生成含水层富水性分区图。最后,制定顶板冒裂程度分区图与含水层富水性分区图的叠加方案,并依照该方案对这两张图进行叠加,得出煤层顶板涌(突)水危险性分区方案。评价结果表明,2煤顶板涌(突)水相对危险区位于二井田的中北部、四井田也有小范围分布,该区含水层富水性相对较强、导水裂隙带对含水层的扰动破坏范围较大;位于二井田和四井田的交界处、一井田南部的相对较危险区含水层富水性较强,但导水裂隙带发育高度中等,位于三井田中部的相对较危险区含水层富水性中等但导水裂隙带发育高度较大;其它区域涌(突)水危险性相对较低;6煤顶板含水层受其弱富水性控制,涌(突)水危险性整体较小,大部分区域为较安全区和过渡区,应主要预防由2煤开采而形成的采空区积水的威协。最后,依据煤层顶板含水层的涌(突)水危险性评价与分区结果制定相应的防治水对策措施。掌握了台格庙矿区所在水文地质单元的水文地质条件后,建立研究区的水文地质概念模型;在水文地质概念模型的基础上,给出了能够描述和反映该区地下水流动特征的数学模型,应用国际上较为先进的可视化软件visualmodflow2011建立了研究区的拟三维非稳定流地下水流数值模型,首先对模型进行时空离散,输入数值模型所必须的水文地质参数、边界条件、源汇项和初始水位。利用winpest模块,应用抽水试验数据对含水层的水文地质参数进行了识别,应用长期观测孔水位观测数据对识别后的水文地质参数进行了验证,通过稳定流模拟对模型中弱透水层的水文地质参数进行了识别。为了找出对地下水位最为敏感的参数,对含水层水平方向和垂直方向的渗透系数以及贮水率,弱透水层水平和垂向的渗透系数进行了灵敏度分析,其中含水层的贮水率对水位影响最大,其次为含水层水平方向的渗透系数,含水层垂向的渗透系数对水位的影响最小;弱透水层的垂向渗透系数对含水层水位影响最大,水平方向的渗透系数对含水层水位影响较小。因此查明含水层的贮水率和弱透水层的垂向渗透系数对准确建立研究区的数值模型至关重要,在今后的水文地质勘查过程中要重点对这两个参数进行调查和计算。由于煤层顶板含水层具有厚度较大但富水性较弱的特点,因此不宜采用well(抽水井)模块进行矿井涌水量预测,因为抽水井只能设置在单个单元格中,含水层富水性弱将会导致添加抽水井的单元格被疏干而相邻单元格的水位降深依然较小,对此采用drain(排水沟)模块进行矿井涌水量的预测,该方法可避免疏降水过程中疏干单元格不参与均衡计算所造成的水量计算出现错误的问题。基于识别和验证后的数值模型,分别对2煤顶板含水层和6煤顶板含水层进行了天然和采动条件下的矿井涌水量预测,应用大井法的计算结果对数值法的矿井涌水量预测结果进行了对比验证。天然条件下的矿井涌水量预测运用模型识别矫正后的水文地质参数进行预测;采动条件下矿井涌水量预测方法为将导水裂隙带发育高度范围内岩层的渗透系数依据以往取得的研究结果进行调整,设置了两种方案,第一种方案将导水裂隙带发育范围内含水层水平向和垂向渗透系数调整为天然条件下的5倍和10倍,第二种方案将导水裂隙带发育范围内含水层的水平向和垂向渗透系数均调整为天然条件下的10倍。四种方案的预测结果表明,2煤顶板含水层的涌水量约为6煤顶板含水层涌水量的10倍;采动条件下的矿井涌水量是天然条件下的1.27~1.82倍,方案2的预测结果是方案一预测结果的1.26~1.41倍,说明含水层渗透性的增加会导致矿井涌水量的大幅增加,大井法的预测结果最小,分析其原因在于大井法计算的矿井涌水量未包括含水层的静储量,且大井法计算公式中,概化的引用半径、引用影响半径和影响半径均依据经验公式计算,精度较低,二井田西南角的葫芦素井田实测巷道涌水量与数值模模拟法计算的工作面涌水量较为接近,说明数值模拟法计算的涌水量较为准确,在设计防排水系统时可参照数值模拟法预测的采动条件下的矿井涌水量。进行水位疏降后,2煤层顶板含水层水位下降幅度较大,水位基本稳定在760m,6煤顶板含水层水位基本稳定在600m。基于本次模拟,煤层顶板含水层水位疏降后暂未对白垩系和第四系含水层地下水位造成影响,分析其原因一方面是由于煤层开采形成的导水裂隙带仅发育到了直罗组底部,尚未对白垩系含水层下部的安定组弱透水层造成破坏,该弱透水层阻挡了白垩系含水层与煤层顶板含水层的水力联系;另一方面本次矿井涌水量预测仅对矿区南部的一二三井田先期开采地段进行了较大范围的水位疏降,而矿区北部只对各井田的首采工作面进行了水位疏降,未进行大范围的疏降模拟,而矿区北部安定组弱透水层厚度较薄,较容易被导水裂隙带破坏,阻水能力较差,因此虽然本次疏降水预测虽未对白垩系地下水流场造成扰动,但不排除矿井大规模开采后不会扰动破坏矿区北部的白垩系含水层,在矿区完成详细的采掘方案设计后应重新对白垩系流场的变化进行预测。通过植被覆盖指数和地下水位埋深这两个指标对矿区地表生态环境进行了评价,矿区南部地表水系发育,地下水位埋深较浅,生态环境整体要优于矿区北部。白垩系含水层北厚南薄,而其底部的弱透水层北薄南厚,在煤层大范围开采以后北部弱透水层较薄区域的顶板含水层极有可能被导水裂隙带破坏,导致白垩系含水层地下水进入采空区,同时造成白垩系含水层地下水位大幅下降,因此在煤层开采前应做好相应的防治措施确保矿井安全开采,同时防止白垩系含水层地下水位大幅下降导致矿区北部生态环境遭到破坏。
【关键词】：顶板水害 薄隔水层 井损 采动效应 涌水量
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD745;P641.461
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 引言15-27
• 1.1 研究背景及意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-22
• 1.2.1 顶板涌（突）水危险性评价研究现状16-17
• 1.2.2 含水层富水性评价研究现状17-18
• 1.2.3 水文地质参数计算研究现状18-19
• 1.2.4 井损系数的研究现状19-20
• 1.2.5 矿井涌水量预测方法的研究现状20-21
• 1.2.6 煤矿开采对地下水和生态环境的影响评价研究现状21-22
• 1.3 存在的问题22-23
• 1.4 研究方案23-25
• 1.4.1 研究目的23
• 1.4.2 研究内容23-24
• 1.4.3 技术路线24-25
• 1.5 创新点25-26
• 1.6 本章小结26-27
• 2 研究区概况27-51
• 2.1 自然地理27-34
• 2.1.1 地形27-29
• 2.1.2 气象29-30
• 2.1.3 水文30-34
• 2.2 地质条件34-35
• 2.2.1 地层34
• 2.2.2 构造34-35
• 2.3 区域水文地质条件35-38
• 2.4 矿区水文地质条件38-43
• 2.4.1 含水岩组39-40
• 2.4.2 隔水层40-41
• 2.4.3 地下水补径排条件及动态特征41-43
• 2.5 水体间及含水层组之间的水力联系43-48
• 2.5.1 水体之间的水力联系43-45
• 2.5.2 含水层之间的水力联系45-48
• 2.6 矿区生态地质环境48-50
• 2.7 本章小结50-51
• 3 水文地质参数计算与分析51-77
• 3.1 井损值计算与分析51-64
• 3.1.1 井损值计算51-61
• 3.1.2 井损值分析61-64
• 3.2 水文地质参数的计算64-75
• 3.2.1 单孔多阶梯抽水试验非稳定流求参64-68
• 3.2.2 多孔非稳定流抽水试验求参68-70
• 3.2.3 群孔非稳定流抽水试验求参70-75
• 3.3 本章小结75-77
• 4 煤层顶板涌（突）水危险性评价与分区77-99
• 4.1 煤层顶板工程地质特征及其稳定性评价77-81
• 4.1.1 煤层顶板工程地质特征78-79
• 4.1.2 煤层顶板稳定性评价79-81
• 4.2 顶板冒裂程度评价与分区81-87
• 4.2.1 2 煤顶板冒裂程度评价与分区85-86
• 4.2.2 6 煤顶板冒裂程度评价与分区86-87
• 4.3 充水含水层富水性评价与分区87-95
• 4.3.1 2 煤顶板含水层富水性评价与分区88-91
• 4.3.2 6 煤顶板含水层富水性评价与分区91-92
• 4.3.3 白垩系含水层富水性评价与分区92-95
• 4.4 顶板涌（突）水危险性评价与分区95-97
• 4.4.1 2 煤层顶板涌（突）水危险性评价与分区95-96
• 4.4.2 6 煤层顶板涌（突）水危险性评价与分区96-97
• 4.5 煤矿防治水对策措施97-98
• 4.6 本章小结98-99
• 5 天然和采动条件下的矿井涌水量预测99-129
• 5.1 水文地质概念模型99-101
• 5.1.1 模型范围99-100
• 5.1.2 含水层的概化100
• 5.1.3 边界条件100-101
• 5.2 数学模型101-102
• 5.3 数值模型102-119
• 5.3.1 模型结构102-106
• 5.3.2 模型识别与验证106-113
• 5.3.3 参数分布规律分析113-116
• 5.3.4 参数灵敏度分析116-119
• 5.4 矿井涌水量预测与分析119-125
• 5.4.1 天然条件下矿井涌水量预测120-121
• 5.4.2 采动条件下矿井涌水量预测121-122
• 5.4.3“大井法”计算涌水量122-123
• 5.4.4 矿井涌水量对比分析123-125
• 5.5 采动条件下含水层之间的水力联系125-127
• 5.6 本章小结127-129
• 6 结论与展望129-133
• 6.1 结论129-130
• 6.2 展望130-133
• 参考文献133-143
• 致谢143-145
• 作者简介145

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本文编号：557545