本文關(guān)鍵詞：臺格廟礦區(qū)頂板涌（突）水危險性評價與礦井涌水量預(yù)測

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【摘要】：鄂爾多斯能源基地煤炭資源儲量豐富,煤層賦存穩(wěn)定,開采難度小,有巨大的開發(fā)利用潛力。臺格廟礦區(qū)位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗,煤層埋藏較深,采高大,煤層頂板隔水層分布不穩(wěn)定,局部缺失,煤層頂板含水層厚度較大,因此,煤層開采后冒裂帶極有可能成為導(dǎo)水通道造成礦井涌(突)水事故,因此非常有必要對其頂板含水層涌(突)水危險性進(jìn)行評價,并進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測,就疏降水后地下水流場以及各含水層之間水力聯(lián)系的變化進(jìn)行分析。水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確計算對含水層的富水性評價及礦井涌水量預(yù)測至關(guān)重要,為了能夠準(zhǔn)確的計算水文地質(zhì)參數(shù),選取具有三次水位降深的抽水試驗數(shù)據(jù),整理出每個階梯的抽水量、抽水時間和水位降深,依據(jù)井損與抽水井流量的三次方成正比的經(jīng)驗公式計算了抽水井實測水位降深的井損,得出理論水位降深。分析了研究區(qū)含水層的補徑排條件,認(rèn)為區(qū)內(nèi)含水層較為封閉,闡述了在相對封閉含水層進(jìn)行穩(wěn)定流抽水試驗不可能形成穩(wěn)定降深的理論依據(jù),因此可依據(jù)Theis多階梯井流試驗公式利用單孔“穩(wěn)定流”抽水試驗數(shù)據(jù)對含水層的滲透系數(shù)和貯水率進(jìn)行求解,求解過程在MATLAB里編程完成。該方法克服了對于單孔“穩(wěn)定流”抽水試驗,依據(jù)Dupuit公式和“影響半徑”經(jīng)驗公式進(jìn)行迭代法求解滲透系數(shù)誤差較大且不能求解貯水率的缺陷。水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確計算為客觀的評價含水層的富水性和準(zhǔn)確的預(yù)測礦井涌水量奠定了基礎(chǔ)。針對煤層直接頂板隔水層沉積較薄或缺失、上覆充水含水層厚度大、富水性較弱條件下的頂板水害評價預(yù)測,在經(jīng)典“三圖”法的指導(dǎo)下,分別從頂板冒裂程度和含水層富水性強度這兩個方面入手,進(jìn)行煤層頂板含水層的涌(突)水危險性評價。頂板冒裂程度采用導(dǎo)水裂隙帶對頂板含水層的破壞擾動范圍來表征,依據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度生成冒裂程度專題圖。含水層富水性的評價方法則進(jìn)一步提升,以富水性指數(shù)法為依托,一方面充分挖掘地質(zhì)和水文地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)中與含水層富水性相關(guān)的信息,包括滲透系數(shù)、砂巖厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率和脆塑性巖厚度比等,并將其作為主控地質(zhì)因素,另一方面將數(shù)量有限的單位涌水量數(shù)據(jù)作為含水層富水性的實測指標(biāo)對富水性指數(shù)法的評價結(jié)果進(jìn)行校正,該方法解決了在水文地質(zhì)勘查程度較低情況下的含水層富水性合理準(zhǔn)確評價與分區(qū)難題。在含水層富水性主控因素的權(quán)重確定方面,一方面通過征求專家意見,依據(jù)專家打分,通過層次分析法確定出各主控因素的主觀權(quán)重,另一方面采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對各主控因素的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行計算,進(jìn)而得出主控因素的客觀權(quán)重,通過對主客觀權(quán)重的加權(quán)平均得出了綜合權(quán)重。依照最終確定的綜合權(quán)重在GIS里對各專題圖進(jìn)行多源信息疊加生成含水層富水性分區(qū)圖。最后,制定頂板冒裂程度分區(qū)圖與含水層富水性分區(qū)圖的疊加方案,并依照該方案對這兩張圖進(jìn)行疊加,得出煤層頂板涌(突)水危險性分區(qū)方案。評價結(jié)果表明,2煤頂板涌(突)水相對危險區(qū)位于二井田的中北部、四井田也有小范圍分布,該區(qū)含水層富水性相對較強、導(dǎo)水裂隙帶對含水層的擾動破壞范圍較大;位于二井田和四井田的交界處、一井田南部的相對較危險區(qū)含水層富水性較強,但導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度中等,位于三井田中部的相對較危險區(qū)含水層富水性中等但導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較大;其它區(qū)域涌(突)水危險性相對較低;6煤頂板含水層受其弱富水性控制,涌(突)水危險性整體較小,大部分區(qū)域為較安全區(qū)和過渡區(qū),應(yīng)主要預(yù)防由2煤開采而形成的采空區(qū)積水的威協(xié)。最后,依據(jù)煤層頂板含水層的涌(突)水危險性評價與分區(qū)結(jié)果制定相應(yīng)的防治水對策措施。掌握了臺格廟礦區(qū)所在水文地質(zhì)單元的水文地質(zhì)條件后,建立研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型;在水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上,給出了能夠描述和反映該區(qū)地下水流動特征的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用國際上較為先進(jìn)的可視化軟件visualmodflow2011建立了研究區(qū)的擬三維非穩(wěn)定流地下水流數(shù)值模型,首先對模型進(jìn)行時空離散,輸入數(shù)值模型所必須的水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件、源匯項和初始水位。利用winpest模塊,應(yīng)用抽水試驗數(shù)據(jù)對含水層的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了識別,應(yīng)用長期觀測孔水位觀測數(shù)據(jù)對識別后的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了驗證,通過穩(wěn)定流模擬對模型中弱透水層的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了識別。為了找出對地下水位最為敏感的參數(shù),對含水層水平方向和垂直方向的滲透系數(shù)以及貯水率,弱透水層水平和垂向的滲透系數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析,其中含水層的貯水率對水位影響最大,其次為含水層水平方向的滲透系數(shù),含水層垂向的滲透系數(shù)對水位的影響最小;弱透水層的垂向滲透系數(shù)對含水層水位影響最大,水平方向的滲透系數(shù)對含水層水位影響較小。因此查明含水層的貯水率和弱透水層的垂向滲透系數(shù)對準(zhǔn)確建立研究區(qū)的數(shù)值模型至關(guān)重要,在今后的水文地質(zhì)勘查過程中要重點對這兩個參數(shù)進(jìn)行調(diào)查和計算。由于煤層頂板含水層具有厚度較大但富水性較弱的特點,因此不宜采用well(抽水井)模塊進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測,因為抽水井只能設(shè)置在單個單元格中,含水層富水性弱將會導(dǎo)致添加抽水井的單元格被疏干而相鄰單元格的水位降深依然較小,對此采用drain(排水溝)模塊進(jìn)行礦井涌水量的預(yù)測,該方法可避免疏降水過程中疏干單元格不參與均衡計算所造成的水量計算出現(xiàn)錯誤的問題。基于識別和驗證后的數(shù)值模型,分別對2煤頂板含水層和6煤頂板含水層進(jìn)行了天然和采動條件下的礦井涌水量預(yù)測,應(yīng)用大井法的計算結(jié)果對數(shù)值法的礦井涌水量預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。天然條件下的礦井涌水量預(yù)測運用模型識別矯正后的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測;采動條件下礦井涌水量預(yù)測方法為將導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍內(nèi)巖層的滲透系數(shù)依據(jù)以往取得的研究結(jié)果進(jìn)行調(diào)整,設(shè)置了兩種方案,第一種方案將導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍內(nèi)含水層水平向和垂向滲透系數(shù)調(diào)整為天然條件下的5倍和10倍,第二種方案將導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍內(nèi)含水層的水平向和垂向滲透系數(shù)均調(diào)整為天然條件下的10倍。四種方案的預(yù)測結(jié)果表明,2煤頂板含水層的涌水量約為6煤頂板含水層涌水量的10倍;采動條件下的礦井涌水量是天然條件下的1.27~1.82倍,方案2的預(yù)測結(jié)果是方案一預(yù)測結(jié)果的1.26~1.41倍,說明含水層滲透性的增加會導(dǎo)致礦井涌水量的大幅增加,大井法的預(yù)測結(jié)果最小,分析其原因在于大井法計算的礦井涌水量未包括含水層的靜儲量,且大井法計算公式中,概化的引用半徑、引用影響半徑和影響半徑均依據(jù)經(jīng)驗公式計算,精度較低,二井田西南角的葫蘆素井田實測巷道涌水量與數(shù)值模模擬法計算的工作面涌水量較為接近,說明數(shù)值模擬法計算的涌水量較為準(zhǔn)確,在設(shè)計防排水系統(tǒng)時可參照數(shù)值模擬法預(yù)測的采動條件下的礦井涌水量。進(jìn)行水位疏降后,2煤層頂板含水層水位下降幅度較大,水位基本穩(wěn)定在760m,6煤頂板含水層水位基本穩(wěn)定在600m。基于本次模擬,煤層頂板含水層水位疏降后暫未對白堊系和第四系含水層地下水位造成影響,分析其原因一方面是由于煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶僅發(fā)育到了直羅組底部,尚未對白堊系含水層下部的安定組弱透水層造成破壞,該弱透水層阻擋了白堊系含水層與煤層頂板含水層的水力聯(lián)系;另一方面本次礦井涌水量預(yù)測僅對礦區(qū)南部的一二三井田先期開采地段進(jìn)行了較大范圍的水位疏降,而礦區(qū)北部只對各井田的首采工作面進(jìn)行了水位疏降,未進(jìn)行大范圍的疏降模擬,而礦區(qū)北部安定組弱透水層厚度較薄,較容易被導(dǎo)水裂隙帶破壞,阻水能力較差,因此雖然本次疏降水預(yù)測雖未對白堊系地下水流場造成擾動,但不排除礦井大規(guī)模開采后不會擾動破壞礦區(qū)北部的白堊系含水層,在礦區(qū)完成詳細(xì)的采掘方案設(shè)計后應(yīng)重新對白堊系流場的變化進(jìn)行預(yù)測。通過植被覆蓋指數(shù)和地下水位埋深這兩個指標(biāo)對礦區(qū)地表生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評價,礦區(qū)南部地表水系發(fā)育,地下水位埋深較淺,生態(tài)環(huán)境整體要優(yōu)于礦區(qū)北部。白堊系含水層北厚南薄,而其底部的弱透水層北薄南厚,在煤層大范圍開采以后北部弱透水層較薄區(qū)域的頂板含水層極有可能被導(dǎo)水裂隙帶破壞,導(dǎo)致白堊系含水層地下水進(jìn)入采空區(qū),同時造成白堊系含水層地下水位大幅下降,因此在煤層開采前應(yīng)做好相應(yīng)的防治措施確保礦井安全開采,同時防止白堊系含水層地下水位大幅下降導(dǎo)致礦區(qū)北部生態(tài)環(huán)境遭到破壞。
【關(guān)鍵詞】：頂板水害 薄隔水層 井損 采動效應(yīng) 涌水量
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD745;P641.461
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 引言15-27
• 1.1 研究背景及意義15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-22
• 1.2.1 頂板涌（突）水危險性評價研究現(xiàn)狀16-17
• 1.2.2 含水層富水性評價研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.3 水文地質(zhì)參數(shù)計算研究現(xiàn)狀18-19
• 1.2.4 井損系數(shù)的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.2.5 礦井涌水量預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀20-21
• 1.2.6 煤礦開采對地下水和生態(tài)環(huán)境的影響評價研究現(xiàn)狀21-22
• 1.3 存在的問題22-23
• 1.4 研究方案23-25
• 1.4.1 研究目的23
• 1.4.2 研究內(nèi)容23-24
• 1.4.3 技術(shù)路線24-25
• 1.5 創(chuàng)新點25-26
• 1.6 本章小結(jié)26-27
• 2 研究區(qū)概況27-51
• 2.1 自然地理27-34
• 2.1.1 地形27-29
• 2.1.2 氣象29-30
• 2.1.3 水文30-34
• 2.2 地質(zhì)條件34-35
• 2.2.1 地層34
• 2.2.2 構(gòu)造34-35
• 2.3 區(qū)域水文地質(zhì)條件35-38
• 2.4 礦區(qū)水文地質(zhì)條件38-43
• 2.4.1 含水巖組39-40
• 2.4.2 隔水層40-41
• 2.4.3 地下水補徑排條件及動態(tài)特征41-43
• 2.5 水體間及含水層組之間的水力聯(lián)系43-48
• 2.5.1 水體之間的水力聯(lián)系43-45
• 2.5.2 含水層之間的水力聯(lián)系45-48
• 2.6 礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境48-50
• 2.7 本章小結(jié)50-51
• 3 水文地質(zhì)參數(shù)計算與分析51-77
• 3.1 井損值計算與分析51-64
• 3.1.1 井損值計算51-61
• 3.1.2 井損值分析61-64
• 3.2 水文地質(zhì)參數(shù)的計算64-75
• 3.2.1 單孔多階梯抽水試驗非穩(wěn)定流求參64-68
• 3.2.2 多孔非穩(wěn)定流抽水試驗求參68-70
• 3.2.3 群孔非穩(wěn)定流抽水試驗求參70-75
• 3.3 本章小結(jié)75-77
• 4 煤層頂板涌（突）水危險性評價與分區(qū)77-99
• 4.1 煤層頂板工程地質(zhì)特征及其穩(wěn)定性評價77-81
• 4.1.1 煤層頂板工程地質(zhì)特征78-79
• 4.1.2 煤層頂板穩(wěn)定性評價79-81
• 4.2 頂板冒裂程度評價與分區(qū)81-87
• 4.2.1 2 煤頂板冒裂程度評價與分區(qū)85-86
• 4.2.2 6 煤頂板冒裂程度評價與分區(qū)86-87
• 4.3 充水含水層富水性評價與分區(qū)87-95
• 4.3.1 2 煤頂板含水層富水性評價與分區(qū)88-91
• 4.3.2 6 煤頂板含水層富水性評價與分區(qū)91-92
• 4.3.3 白堊系含水層富水性評價與分區(qū)92-95
• 4.4 頂板涌（突）水危險性評價與分區(qū)95-97
• 4.4.1 2 煤層頂板涌（突）水危險性評價與分區(qū)95-96
• 4.4.2 6 煤層頂板涌（突）水危險性評價與分區(qū)96-97
• 4.5 煤礦防治水對策措施97-98
• 4.6 本章小結(jié)98-99
• 5 天然和采動條件下的礦井涌水量預(yù)測99-129
• 5.1 水文地質(zhì)概念模型99-101
• 5.1.1 模型范圍99-100
• 5.1.2 含水層的概化100
• 5.1.3 邊界條件100-101
• 5.2 數(shù)學(xué)模型101-102
• 5.3 數(shù)值模型102-119
• 5.3.1 模型結(jié)構(gòu)102-106
• 5.3.2 模型識別與驗證106-113
• 5.3.3 參數(shù)分布規(guī)律分析113-116
• 5.3.4 參數(shù)靈敏度分析116-119
• 5.4 礦井涌水量預(yù)測與分析119-125
• 5.4.1 天然條件下礦井涌水量預(yù)測120-121
• 5.4.2 采動條件下礦井涌水量預(yù)測121-122
• 5.4.3“大井法”計算涌水量122-123
• 5.4.4 礦井涌水量對比分析123-125
• 5.5 采動條件下含水層之間的水力聯(lián)系125-127
• 5.6 本章小結(jié)127-129
• 6 結(jié)論與展望129-133
• 6.1 結(jié)論129-130
• 6.2 展望130-133
• 參考文獻(xiàn)133-143
• 致謝143-145
• 作者簡介145

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本文編號：557545