【摘要】：我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量居世界前列,作為煤炭消費(fèi)大國(guó),我國(guó)也是世界上生產(chǎn)原煤最多的國(guó)家。但是,我國(guó)煤礦床水文地質(zhì)條件多種多樣,礦床充水條件極為復(fù)雜,水害在煤礦重特大事故中所占比例高,已成為僅次于瓦斯事故的第二大殺手。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)礦井水排放量達(dá)71.7億m3。由于礦井排水量大,昂貴的排水費(fèi)用使得煤礦企業(yè)負(fù)擔(dān)過(guò)重。另外,礦區(qū)的大量排水導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降,煤礦區(qū)及周?chē)貐^(qū)的生產(chǎn)生活用水緊張;如果直接排放礦井水,則造成地表水體和地下水體污染;礦井大量疏排水易導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化。更為嚴(yán)重的是,我國(guó)水資源的人均占有量?jī)H為世界人均值的1/4,而且分布不均一,煤炭資源與水資源呈逆向分布,我國(guó)煤礦集中分布在缺水的華北和西北地區(qū),其中70%的礦區(qū)缺水,40%的礦區(qū)嚴(yán)重缺水。因此,我國(guó)大部分煤礦受到頂板水害的威脅,而且在煤礦區(qū)也存在排水、供水、生態(tài)環(huán)境保護(hù)三者之間的矛盾與沖突問(wèn)題�！绊敯逅ν{下“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采模式與應(yīng)用”針對(duì)安全采煤、水資源供給、生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的尖銳矛盾和沖突問(wèn)題,以興源礦和錦界礦為工程背景進(jìn)行了研究,主要成果如下:(1)探討了影響覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的地質(zhì)因素、采動(dòng)因素及時(shí)間因素,以采厚、覆巖巖性為主控因素,利用32個(gè)綜放開(kāi)采工作面導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)據(jù)樣本,基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了綜放開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)模型,采用7個(gè)樣本數(shù)據(jù)測(cè)試了模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明,7個(gè)測(cè)試樣本預(yù)測(cè)值與真實(shí)值非常接近,基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。(2)提出了“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采的概念與內(nèi)涵,進(jìn)而提出了“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采的主要技術(shù)與方法。(1)“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采概念:在確保礦井生產(chǎn)安全、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的前提下實(shí)施的有效的開(kāi)采技術(shù)與方法,以達(dá)到水害防控、水資源保護(hù)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)三位一體結(jié)合系統(tǒng)整體最優(yōu)的目的。(2)“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采內(nèi)涵:在煤炭資源開(kāi)采工程中,將地下水視作資源,通過(guò)合理的開(kāi)采技術(shù)方法,不僅消除其“災(zāi)害屬性”的負(fù)效應(yīng),通過(guò)將礦井水資源化利用,挖掘其“資源屬性”的正效應(yīng),同時(shí)盡量避免破壞擾動(dòng)與煤系同沉積的含水層結(jié)構(gòu),達(dá)到煤炭和水的“雙資源”共同開(kāi)發(fā)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展目的,最終實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)水害防控、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)境改善的多贏目標(biāo)。(3)提出了根據(jù)礦井主采煤層的具體充水水文地質(zhì)條件優(yōu)化開(kāi)采方法和參數(shù)工藝、多位一體優(yōu)化結(jié)合、井下潔污水分流分排、人工干預(yù)水文地質(zhì)條件、充填開(kāi)采等“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采的主要技術(shù)與方法。(3)高效率的長(zhǎng)壁大采高采煤法忽視了對(duì)水資源和生態(tài)環(huán)境的影響,企業(yè)成本是不完全成本,企業(yè)利益是以破壞環(huán)境為代價(jià)的�；谕耆杀纠碚�,長(zhǎng)壁大采高采煤法是高效率但是低效益,短壁機(jī)械化采煤法、限高開(kāi)采或分層間歇開(kāi)采是高效益低效率,企業(yè)最終追求目標(biāo)是可持續(xù)的高效益。礦業(yè)工程是一項(xiàng)協(xié)調(diào)安全、資源、生態(tài)和環(huán)境的綜合性工作,采煤只是其中一個(gè)子系統(tǒng),厚煤層長(zhǎng)壁一次采全高或綜放采煤法追求的是高產(chǎn)量、高效率、高采出率,但并不考慮采后的環(huán)境負(fù)效應(yīng)�；谙到y(tǒng)論觀點(diǎn),煤炭企業(yè)最終追求的應(yīng)是整個(gè)礦業(yè)工程系統(tǒng)總體效益最優(yōu)最大化,而不是系統(tǒng)中某個(gè)子系統(tǒng)效益最優(yōu)。當(dāng)長(zhǎng)壁大采高采煤法無(wú)法保障控水采煤時(shí),將其優(yōu)化為高效益短壁機(jī)械化采煤法(如短壁、條帶、房式/房柱式等采煤法)或限高開(kāi)采或分層間歇開(kāi)采,在某些地質(zhì)條件下又能煥發(fā)出新的生命力,不失為一種好的方法。(4)“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采模式:在“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采概念與內(nèi)涵的指導(dǎo)下,對(duì)采煤方法和防治水技術(shù)、措施進(jìn)行的優(yōu)化組合,旨在建立解決采煤保水、水資源合理開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題的方法集,使得礦井開(kāi)采目的由之前的采煤和安全兩元性向保障井下安全、合理地配置水資源、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境并盡可能進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的多元性發(fā)展。(5)開(kāi)采模式包含防治水工程措施和開(kāi)采技術(shù)兩部分,前者是采用防、堵、疏、排、截的手段對(duì)水體進(jìn)行隔離、控制、疏干、改造,后者包括長(zhǎng)壁綜采/綜放開(kāi)采、限高開(kāi)采/分層間歇開(kāi)采、短壁機(jī)械化開(kāi)采和充填開(kāi)采。論文基于含水層性質(zhì)構(gòu)建了8種頂板水害威脅下“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采模式,即:“留設(shè)安全煤巖柱+長(zhǎng)壁綜采/綜放開(kāi)采”模式、“留設(shè)安全煤巖柱+限高開(kāi)采/分層間歇開(kāi)采”模式、“邊采邊疏+井下潔污水分流分排+礦井水分級(jí)分質(zhì)利用+長(zhǎng)壁綜采/綜放開(kāi)采”模式、“超前疏干+井下潔污水分流分排+多位一體優(yōu)化結(jié)合+長(zhǎng)壁綜采/綜放開(kāi)采”模式、“人工干預(yù)水文地質(zhì)條件+長(zhǎng)壁綜采/綜放開(kāi)采”模式、“人工干預(yù)水文地質(zhì)條件+超前疏干+井下潔污水分流分排+多位一體優(yōu)化結(jié)合+長(zhǎng)壁綜采/綜放開(kāi)采”模式、“天然水文地質(zhì)條件+短壁機(jī)械化開(kāi)采”模式、“天然水文地質(zhì)條件+充填開(kāi)采”模式。(6)論文以興源礦四采區(qū)薄基巖區(qū)為工程背景,研究了薄基巖區(qū)新生界松散層底部含水層沉積與水文地質(zhì)特征,基于Surfer軟件重新繪制了薄基巖區(qū)基巖厚度等值線,提出了薄基巖區(qū)“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采的不同模式,并對(duì)房式短壁機(jī)械化開(kāi)采條件下采留寬和覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究。(1)基于含水層厚度、粘土層占底部含水層比例、鉆孔單位涌水量及滲透系數(shù)建立了松散含水層富水性分類(lèi)等級(jí),利用層次分析法確定了各指標(biāo)的權(quán)重,基于可拓物元模型和Arcgis軟件對(duì)薄基巖區(qū)松散層底部含水層富水性進(jìn)行了等級(jí)評(píng)定與分區(qū)。根據(jù)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果可知,該區(qū)域整體富水性為中等~強(qiáng),在薄基巖區(qū)的西南部及東部富水性極強(qiáng)。(2)煤柱單側(cè)屈服區(qū)寬度為2.2~2.6m,若煤柱寬度小于等于雙側(cè)屈服區(qū)寬度,則待下一個(gè)煤房開(kāi)采后,煤柱整體處于塑性狀態(tài),煤柱呈“拱形”應(yīng)力狀態(tài)。(3)論文提出了極窄條帶煤柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系,包括:煤柱屈服區(qū)寬度和煤柱寬度要匹配,避免臨界煤柱的出現(xiàn);覆巖中存在主關(guān)鍵層,覆巖在變形過(guò)程中能夠產(chǎn)生離層,進(jìn)而形成穩(wěn)定壓力拱,壓力拱支撐拱上方的覆巖重量;屈服煤柱具有足夠的強(qiáng)度支撐擴(kuò)大壓力拱下方的覆巖重量。(4)若采用“人工干預(yù)水文地質(zhì)條件+超前疏干+井下潔污水分流分排+多位一體優(yōu)化結(jié)合+長(zhǎng)壁綜采/綜放開(kāi)采”模式,則需在井田西北邊界實(shí)施帷幕注漿,預(yù)先截取地下水的補(bǔ)給;若采用“天然水文地質(zhì)條件+短壁機(jī)械化開(kāi)采”模式,則采5留4、采5留5、采6留5等方案具有可靠的安全系數(shù)。(7)煤層埋藏淺、基巖薄、頂板上覆有富水性較強(qiáng)的松散孔隙水、風(fēng)化基巖裂隙水或燒變巖強(qiáng)富水區(qū),是陜北侏羅紀(jì)煤田易發(fā)生頂板潰水潰砂事故的主要條件。論文以錦界礦為工程背景,建立了潰水危險(xiǎn)區(qū)和潰水潰砂危險(xiǎn)區(qū)煤層——隔水層——含水層空間賦存關(guān)系,探討了“煤-水”雙資源型礦井開(kāi)采模式的可行性,基于FLAC3D軟件研究了不同采煤方法的煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度規(guī)律。(1)在新近系保德組與第四系離石組隔水層缺失的薄基巖區(qū),煤層與含水層之間的巖(土)層的隔水性受采動(dòng)影響后的控水控砂能力均減弱甚至消失。(2)基于數(shù)值模擬結(jié)果,建立了研究區(qū)域?qū)严稁Ц叨扰c條帶開(kāi)采采寬之間關(guān)系,即Hli=0.01995x2-1.08809x+24.36,其中,Hli為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,m;x為條帶開(kāi)采采寬(25≤x≤70),m。當(dāng)采用窄條帶(10x25)開(kāi)采時(shí),導(dǎo)水裂隙帶為7.1m,即只有直接頂垮落帶。當(dāng)采用極窄條帶(5≤x≤10)開(kāi)采時(shí),頂板形成類(lèi)似“梁”的結(jié)構(gòu),直接頂可以暫時(shí)穩(wěn)定幾天,之后同窄條帶類(lèi)似形成垮落帶。(3)當(dāng)充填體彈性模量0.05GPa、0.1GPa、0.2GPa、0.4GPa時(shí),煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大值分別為34.4m、16.2m、9.6m、7.1m。隨充填體彈性模量增大,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度逐漸趨于穩(wěn)定,兩者關(guān)系為:Hli=Ef-0.5025(Hli為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,m;Ef為充填體彈性模量,GPa)。當(dāng)彈性模量較小時(shí),充填開(kāi)采煤層覆巖中存在兩種類(lèi)型的裂隙,即上行裂隙和下行裂隙,且均是因?yàn)楦矌r下沉過(guò)程中拉應(yīng)力超過(guò)巖層最大抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生的。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TD745.2

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本文編號(hào)：2461511