【摘要】：鐵礦石和煤炭分別作為我國(guó)重要的原材料和主要能源,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到重要的支柱作用。地下水系統(tǒng)是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分,地下水資源具有分布廣泛、開采便利、水質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn),一方面為人類提供優(yōu)質(zhì)水源,另一方面對(duì)于維持生態(tài)平衡具有至關(guān)重要的作用。地下水資源通常與礦產(chǎn)資源伴生在一起,在礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中會(huì)引發(fā)一系列地下水環(huán)境問題。為同時(shí)保護(hù)礦區(qū)地下水資源和保障礦井生產(chǎn)安全,本文以河北大賈莊鐵礦和陜北大海則煤礦為例,基于煤田地質(zhì)學(xué)、礦床地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)理論,在總結(jié)前人工作成果的基礎(chǔ)上,通過野外調(diào)查、資料分析、水文地質(zhì)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法手段,分別評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)了鐵礦和煤礦井工開采對(duì)地下水環(huán)境的影響,并預(yù)測(cè)了兩個(gè)典型礦區(qū)動(dòng)態(tài)涌水量,為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地下水資源保護(hù)和礦產(chǎn)資源安全高效開采協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。取得了以下研究成果:(1)本文根據(jù)研究區(qū)的自然地理、地質(zhì)背景、水文地質(zhì)條件、地下水賦存條件,將大賈莊鐵礦含水層自上而下依次劃分為第四系孔隙水含水層、基巖風(fēng)化裂隙水含水層和基巖構(gòu)造裂隙水含水層。根據(jù)巖性、滲透性及富水性強(qiáng)弱,第四系含水層可以進(jìn)一步劃分為第四系上部強(qiáng)含水層和第四系下部中等含水層。礦區(qū)內(nèi)主要隔水層有第四系中部“主隔層”和第四系底部“底隔層”。隔水層的存在阻礙了孔隙水和裂隙水的水力聯(lián)系。礦區(qū)地下水總體流向均為自北向南,水力坡度較為平緩。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,多條斷層相互影響,互相溝通,形成北寬南窄、上大下小的“花朵狀”構(gòu)造裂隙含水帶,構(gòu)成礦床充水空間和導(dǎo)水通道;大海則礦區(qū)地下水為多層含水系統(tǒng),劃分為第四系松散層孔隙水含水層、白堊系洛河組砂巖裂隙水含水層、侏羅系安定組砂巖裂隙水含水層、侏羅系直羅組砂巖裂隙水含水層和延安組砂巖裂隙含水層。地下水流向?yàn)闁|北向西南。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,確定洛河組含水層和直羅組含水層作為該區(qū)主要研究目標(biāo)含水層。進(jìn)行了礦井充水條件分析,確定了2煤開采礦井充水水源、充水通道和充水強(qiáng)度。(2)通過分析采動(dòng)過程中覆巖破壞機(jī)理,得出礦山開采對(duì)地下水環(huán)境的影響是由于采礦導(dǎo)致地下含水空間結(jié)構(gòu)破壞及其性質(zhì)改變和礦坑大量排水所造成的。地下含水空間結(jié)構(gòu)破壞表現(xiàn)為含(隔)水層破壞,進(jìn)而導(dǎo)致其滲透性、儲(chǔ)水性、入滲性及含水層厚度等性質(zhì)的改變。分析確定采礦對(duì)地下水環(huán)境影響的主要控制因素為含(隔)水層特征及組合模式、地質(zhì)構(gòu)造、開采方式及頂板管理方法、礦體賦存特征。根據(jù)地下含水系統(tǒng)中含水層、隔水層和礦體賦存空間關(guān)系,將研究區(qū)地下水系統(tǒng)劃分為雙層強(qiáng)越流型和多層越流型兩種典型礦區(qū)含(隔)水層組合模式。采動(dòng)條件下,含(隔)水層結(jié)構(gòu)被破壞,性質(zhì)改變、礦坑大量疏排地下水,各層地下水子系統(tǒng)之間水力聯(lián)系增強(qiáng),礦區(qū)地下水環(huán)境逐漸發(fā)生改變。(3)根據(jù)大賈莊鐵礦水文資料,分析了第四系地下水和基巖地下水天然流場(chǎng)特征,得出天然條件下,地下水流向與地層傾斜方向基本一致,基巖地下水位高出第四系地下水位0.2m~0.3m。建立礦區(qū)開采條件下地下水水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型,通過觀測(cè)孔曲線擬合完成模型識(shí)別和驗(yàn)證,獲得相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)空間分布和有關(guān)源匯項(xiàng)水量大小,并進(jìn)行了地下水均衡分析。根據(jù)礦山開采方案預(yù)測(cè)未來(lái)30年各含水層流場(chǎng),結(jié)果表明:礦區(qū)各含水層流場(chǎng)均受到不同程度的干擾,在采場(chǎng)周圍形成了明顯的地下水位降落漏斗、地下水由四周向礦坑集中排泄,流場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的三維流狀態(tài),含水層之間表現(xiàn)為多級(jí)次、連鎖式越流特征。采動(dòng)對(duì)基巖含水層影響最大,平面上,地下水降落漏斗主要沿?cái)鄬訋Ъ捌溆绊憥С誓媳毕驐l帶狀分布,漏斗范圍在南北方向上波及較遠(yuǎn)、東西方向基本不變,這與基巖構(gòu)造裂隙發(fā)育規(guī)律相一致;垂向上,隨著開采水平的提高,漏斗面積不斷擴(kuò)大,這與基巖構(gòu)造裂隙垂向發(fā)育規(guī)律是一致的,地下水降落漏斗形態(tài)變化規(guī)律表明,基巖構(gòu)造裂隙帶成為礦坑導(dǎo)水通道。雖然有多層隔水層的存在,基巖礦坑大量排水還是會(huì)通過逐層越流影響到上覆第四系含水層。第四系下部中等含水層首先受到影響,在采區(qū)上部出現(xiàn)明顯降落漏斗,漏斗中心水位下降約45m。第四系上部含水層水位大幅下降波及到其上部強(qiáng)含水層,第四系上部強(qiáng)含水層由于滲透性較強(qiáng),地下水徑流速度快,水位表現(xiàn)為整體式下降。(4)采用flac3d對(duì)20602工作面回采過程頂板穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算,得出冒裂帶發(fā)育高度約為125m,據(jù)此對(duì)最新《煤礦防治水手冊(cè)》中綜放開采經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正作為研究區(qū)2煤層頂板冒裂帶發(fā)育高度計(jì)算修正公式,經(jīng)計(jì)算,2煤層開采后冒裂帶發(fā)育高度為97.15~153.24m,平均121.05m,結(jié)果表明導(dǎo)水裂隙帶完全導(dǎo)通直羅組砂巖含水層,但并未影響到上覆其他各含水層。因此確定直羅組含水層為2煤開采直接充水含水層,上覆其他各層為間接充水含水層。根據(jù)大海則礦區(qū)地下水系統(tǒng)特征,建立礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型,通過識(shí)別驗(yàn)證完成大海則煤礦地下水流數(shù)值模擬,分別預(yù)測(cè)了開采計(jì)劃條件下未來(lái)1年、3年、5年及10年直羅組含水層和白堊系含水層流場(chǎng),通過與初始流場(chǎng)對(duì)比分析得出:直羅組作為2煤頂板直接充水含水層,地下水流場(chǎng)發(fā)生劇烈變化,形成了以采掘工作面為中心不斷變化的地下水位降落漏斗,研究區(qū)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單,因此地下水位降落漏斗分布主要受回采工作面控制,且隨著回采工作面增多,地下水位降落漏斗面積也不斷增大,四周地下水集中向采空區(qū)排泄,地下水補(bǔ)徑排條件發(fā)生改變,逐漸形成了受回采工作面控制的局部流場(chǎng)。距煤層上方較遠(yuǎn)的白堊系含水層也受到一定程度的影響,采空區(qū)上方局部流場(chǎng)形態(tài)逐漸發(fā)生改變,最終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,四周地下水向漏斗區(qū)集中匯集,垂直下滲補(bǔ)給下部直羅組含水層。白堊系地下水流場(chǎng)局部發(fā)生改變,但整體地下水流場(chǎng)形態(tài)并無(wú)較大變化,預(yù)測(cè)結(jié)果表明,采礦對(duì)白堊系含水層的影響程度要小于直羅組含水層。(5)礦山采動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,對(duì)地下水系統(tǒng)的擾動(dòng)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,在此過程中,開采位置及范圍和地下水流場(chǎng)和補(bǔ)徑排條件不斷發(fā)生變化,這就揭示了涌水量是一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)值。本文提出了基于數(shù)值模擬涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)基本方法。據(jù)此,結(jié)合采掘計(jì)劃,分別預(yù)測(cè)了大海則煤礦首采區(qū)四個(gè)工作面和大賈莊鐵礦三個(gè)開采水平礦井(坑)動(dòng)態(tài)涌水量。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果,大海則煤礦第一階段至第三階段涌水量隨采區(qū)面積增加而增大,正常涌水量由580m3/h增加到2221m3/h,至第四階段逐漸回落到約1500m3/h。這表明在一定范圍內(nèi)涌水量隨采空區(qū)范圍擴(kuò)大而增加,達(dá)到一定程度后,礦井涌水量逐漸趨于穩(wěn)定甚至減少。地下水系統(tǒng)特征發(fā)生改變,影響控制涌水量動(dòng)態(tài)變化過程。大賈莊鐵礦分-450m、-350m和-250m三個(gè)開采水平自下而上開采,結(jié)果表明,隨著開采水平提高逐漸靠近第四系含水層,礦坑正常涌水量由47500m3/d增加到57800m3/d。(6)通過大賈莊鐵礦和大海則煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)對(duì)比,對(duì)比分析開采方法及頂板管理方式、含(隔)水層特征及組合模式、地質(zhì)構(gòu)造、礦體(煤層)賦存特征等控制因素,得出:鐵礦和煤礦雖然控制因素存在差異,對(duì)地下水環(huán)境的影響方式是相同或相似的,即長(zhǎng)期井工開采均會(huì)影響到上覆各含水層,導(dǎo)致礦區(qū)地下水位下降,地下水資源量減少,礦區(qū)地下水流場(chǎng)發(fā)生改變,水力梯度增加,徑流速度加快,整個(gè)礦區(qū)地下水流場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的空間三維流狀態(tài)。同時(shí),畢竟條件不同,二者對(duì)地下水環(huán)境的影響程度也表現(xiàn)出明顯的差異性。
[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】：2015
【分類號(hào)】：P641.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2332831