典型井工矿山开采对地下水环境影响及涌水量动态预测

发布时间：2018-11-15 08:58

【摘要】：铁矿石和煤炭分别作为我国重要的原材料和主要能源,在国民经济发展中起到重要的支柱作用。地下水系统是生态环境系统中的重要组成部分,地下水资源具有分布广泛、开采便利、水质优良等特点,一方面为人类提供优质水源,另一方面对于维持生态平衡具有至关重要的作用。地下水资源通常与矿产资源伴生在一起,在矿产资源的开发过程中会引发一系列地下水环境问题。为同时保护矿区地下水资源和保障矿井生产安全,本文以河北大贾庄铁矿和陕北大海则煤矿为例,基于煤田地质学、矿床地质学、水文地质学等基础理论,在总结前人工作成果的基础上,通过野外调查、资料分析、水文地质试验、数值模拟等方法手段,分别评价、预测了铁矿和煤矿井工开采对地下水环境的影响,并预测了两个典型矿区动态涌水量,为实现矿区地下水资源保护和矿产资源安全高效开采协调发展提供科学依据。取得了以下研究成果:(1)本文根据研究区的自然地理、地质背景、水文地质条件、地下水赋存条件,将大贾庄铁矿含水层自上而下依次划分为第四系孔隙水含水层、基岩风化裂隙水含水层和基岩构造裂隙水含水层。根据岩性、渗透性及富水性强弱,第四系含水层可以进一步划分为第四系上部强含水层和第四系下部中等含水层。矿区内主要隔水层有第四系中部“主隔层”和第四系底部“底隔层”。隔水层的存在阻碍了孔隙水和裂隙水的水力联系。矿区地下水总体流向均为自北向南,水力坡度较为平缓。区内断裂构造发育,多条断层相互影响,互相沟通,形成北宽南窄、上大下小的“花朵状”构造裂隙含水带,构成矿床充水空间和导水通道;大海则矿区地下水为多层含水系统,划分为第四系松散层孔隙水含水层、白垩系洛河组砂岩裂隙水含水层、侏罗系安定组砂岩裂隙水含水层、侏罗系直罗组砂岩裂隙水含水层和延安组砂岩裂隙含水层。地下水流向为东北向西南。矿区地质构造简单,确定洛河组含水层和直罗组含水层作为该区主要研究目标含水层。进行了矿井充水条件分析,确定了2煤开采矿井充水水源、充水通道和充水强度。(2)通过分析采动过程中覆岩破坏机理,得出矿山开采对地下水环境的影响是由于采矿导致地下含水空间结构破坏及其性质改变和矿坑大量排水所造成的。地下含水空间结构破坏表现为含(隔)水层破坏,进而导致其渗透性、储水性、入渗性及含水层厚度等性质的改变。分析确定采矿对地下水环境影响的主要控制因素为含(隔)水层特征及组合模式、地质构造、开采方式及顶板管理方法、矿体赋存特征。根据地下含水系统中含水层、隔水层和矿体赋存空间关系,将研究区地下水系统划分为双层强越流型和多层越流型两种典型矿区含(隔)水层组合模式。采动条件下,含(隔)水层结构被破坏,性质改变、矿坑大量疏排地下水,各层地下水子系统之间水力联系增强,矿区地下水环境逐渐发生改变。(3)根据大贾庄铁矿水文资料,分析了第四系地下水和基岩地下水天然流场特征,得出天然条件下,地下水流向与地层倾斜方向基本一致,基岩地下水位高出第四系地下水位0.2m~0.3m。建立矿区开采条件下地下水水文地质概念模型和数学模型,通过观测孔曲线拟合完成模型识别和验证,获得相应水文地质参数空间分布和有关源汇项水量大小,并进行了地下水均衡分析。根据矿山开采方案预测未来30年各含水层流场,结果表明:矿区各含水层流场均受到不同程度的干扰,在采场周围形成了明显的地下水位降落漏斗、地下水由四周向矿坑集中排泄,流场呈现明显的三维流状态,含水层之间表现为多级次、连锁式越流特征。采动对基岩含水层影响最大,平面上,地下水降落漏斗主要沿断层带及其影响带呈南北向条带状分布,漏斗范围在南北方向上波及较远、东西方向基本不变,这与基岩构造裂隙发育规律相一致;垂向上,随着开采水平的提高,漏斗面积不断扩大,这与基岩构造裂隙垂向发育规律是一致的,地下水降落漏斗形态变化规律表明,基岩构造裂隙带成为矿坑导水通道。虽然有多层隔水层的存在,基岩矿坑大量排水还是会通过逐层越流影响到上覆第四系含水层。第四系下部中等含水层首先受到影响,在采区上部出现明显降落漏斗,漏斗中心水位下降约45m。第四系上部含水层水位大幅下降波及到其上部强含水层,第四系上部强含水层由于渗透性较强,地下水径流速度快,水位表现为整体式下降。(4)采用flac3d对20602工作面回采过程顶板稳定性进行模拟计算,得出冒裂带发育高度约为125m,据此对最新《煤矿防治水手册》中综放开采经验公式进行修正作为研究区2煤层顶板冒裂带发育高度计算修正公式,经计算,2煤层开采后冒裂带发育高度为97.15~153.24m,平均121.05m,结果表明导水裂隙带完全导通直罗组砂岩含水层,但并未影响到上覆其他各含水层。因此确定直罗组含水层为2煤开采直接充水含水层,上覆其他各层为间接充水含水层。根据大海则矿区地下水系统特征,建立矿区水文地质概念模型,通过识别验证完成大海则煤矿地下水流数值模拟,分别预测了开采计划条件下未来1年、3年、5年及10年直罗组含水层和白垩系含水层流场,通过与初始流场对比分析得出:直罗组作为2煤顶板直接充水含水层,地下水流场发生剧烈变化,形成了以采掘工作面为中心不断变化的地下水位降落漏斗,研究区构造条件简单,因此地下水位降落漏斗分布主要受回采工作面控制,且随着回采工作面增多,地下水位降落漏斗面积也不断增大,四周地下水集中向采空区排泄,地下水补径排条件发生改变,逐渐形成了受回采工作面控制的局部流场。距煤层上方较远的白垩系含水层也受到一定程度的影响,采空区上方局部流场形态逐渐发生改变,最终形成地下水位降落漏斗,至第10年末,漏斗中心水位下降了近100m,四周地下水向漏斗区集中汇集,垂直下渗补给下部直罗组含水层。白垩系地下水流场局部发生改变,但整体地下水流场形态并无较大变化,预测结果表明,采矿对白垩系含水层的影响程度要小于直罗组含水层。(5)矿山采动是一个动态过程,对地下水系统的扰动也是一个动态过程,在此过程中,开采位置及范围和地下水流场和补径排条件不断发生变化,这就揭示了涌水量是一个动态的数值。本文提出了基于数值模拟涌水量动态预测基本方法。据此,结合采掘计划,分别预测了大海则煤矿首采区四个工作面和大贾庄铁矿三个开采水平矿井(坑)动态涌水量。根据预测结果,大海则煤矿第一阶段至第三阶段涌水量随采区面积增加而增大,正常涌水量由580m3/h增加到2221m3/h,至第四阶段逐渐回落到约1500m3/h。这表明在一定范围内涌水量随采空区范围扩大而增加,达到一定程度后,矿井涌水量逐渐趋于稳定甚至减少。地下水系统特征发生改变,影响控制涌水量动态变化过程。大贾庄铁矿分-450m、-350m和-250m三个开采水平自下而上开采,结果表明,随着开采水平提高逐渐靠近第四系含水层,矿坑正常涌水量由47500m3/d增加到57800m3/d。(6)通过大贾庄铁矿和大海则煤矿开采对地下水环境影响预测对比,对比分析开采方法及顶板管理方式、含(隔)水层特征及组合模式、地质构造、矿体(煤层)赋存特征等控制因素,得出:铁矿和煤矿虽然控制因素存在差异,对地下水环境的影响方式是相同或相似的,即长期井工开采均会影响到上覆各含水层,导致矿区地下水位下降,地下水资源量减少,矿区地下水流场发生改变,水力梯度增加,径流速度加快,整个矿区地下水流场呈现明显的空间三维流状态。同时,毕竟条件不同,二者对地下水环境的影响程度也表现出明显的差异性。
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【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】：2015
【分类号】：P641.4

【参考文献】