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西部浅埋煤层开采顶板含水层水量损失动力学过程特征

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煤炭学报 2019年第3期44卷 690-700页

作者：靳德武周振方赵春虎冯龙飞许峰中煤科工集团西安研究院有限公司矿山灾害防治与环境治理技术研发中心陕西西安710054 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077 煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工集团西安研究院有限公司水文地质研究所陕西西安710054

受保护含水层水量损失的定量计算是"保水采煤"理论发展目前面临的瓶颈问题。利用覆岩破坏数值模拟方法,将陕北榆神矿区典型覆岩结构下煤层开采顶板水量损失过程划分成单一风化基岩失水和萨拉乌苏组、风化基岩复合失水模式;基于系统动力... 详细信息

受保护含水层水量损失的定量计算是"保水采煤"理论发展目前面临的瓶颈问题。利用覆岩破坏数值模拟方法,将陕北榆神矿区典型覆岩结构下煤层开采顶板水量损失过程划分成单一风化基岩失水和萨拉乌苏组、风化基岩复合失水模式;基于系统动力学理论,构建了2种水量损失模式动力系统模型,建立了实际疏放与无疏放状态水量损失过程之间的数学关系,求解了水量损失动力系统模型参数,确定了水量损失峰值及发生位置、水量损失动态平衡值及发生位置;通过开采扰动区水流数值模拟,计算了2种模式单位走向长度水量损失强度。结果表明:覆岩组合特征控制着煤层采动含水层动、静储量叠加释放过程,决定了工作面采动顶板水量损失模式; 2种水量损失模式相比,复合模式下水量损失峰值和动态平衡值均较大;钻孔疏放水显著削减了推采过程水量损失峰值强度,改变了水量损失方式和时机,但采动过程水量损失动态平衡值及顶板水资源损失总量并未发生变化;两种模式下工作面采动,水资源损失总量以及水资源损失强度中松散层和风化基岩水占比计算结果,揭示了古近系黏土隔水层对于萨拉乌苏组潜水保护的重要意义。研究结果为"保水采煤"理论在工作面尺度含水层水量损失及保护的定量计算提供了新思路。

关键词：煤矿工作面水量损失模型覆岩组合特征钻孔预疏放特征水量损失强度保水采煤

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陕北烧变岩水−岩作用的劣化特性

煤田地质与勘探 2023年第4期51卷 76-84页

作者：胡鑫孙强晏长根赵春虎王少飞陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室陕西西安710054 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 长安大学公路学院陕西西安710064 陕西理工大学土木工程与建筑学院陕西汉中723001

鄂尔多斯盆地东北缘陕晋蒙交界地区存在大量煤火高温烘烤形成的烧变岩。与原岩相比,烧变后的岩体结构破碎孔隙发育,在长期水–岩作用下,形成了大量危岩体。以陕北神木大柳塔地区的烧变岩为对象,开展了50次干湿循环试验,测试不同循环次... 详细信息

鄂尔多斯盆地东北缘陕晋蒙交界地区存在大量煤火高温烘烤形成的烧变岩。与原岩相比,烧变后的岩体结构破碎孔隙发育,在长期水–岩作用下,形成了大量危岩体。以陕北神木大柳塔地区的烧变岩为对象,开展了50次干湿循环试验,测试不同循环次数后烧变岩物理性质与力学性质及其变化,探讨不同烧变程度烧变岩劣化特性。结果表明:烧变岩质量、硬度、力学性质下降,表面亮度降低,粗糙度与红黄色度增强;基于低场核磁共振技术(NMR)测试,烧变岩孔隙体积比例曲线右移,最大孔径扩张;微孔向大孔转化,大孔含量与总孔隙率升高;烧变作用使岩体孔隙发育,且提高了烧变岩的抗侵蚀能力,降低了色度、质量、粗糙度、硬度、力学性质的变化程度。长期水–岩作用可对烧变岩的物理力学性质与孔隙结构造成明显改变,烧变程度与初始孔隙结构能够影响劣化效果。根据研究不同烧变岩的劣化过程,得出加固低烧变程度岩体表面、加固沉积层理与原有裂隙、堵塞高烧变程度岩体孔隙,可降低水−岩作用的侵蚀破坏强度。

关键词：烧变岩水−岩作用劣化特性干湿循环孔隙结构陕北地区

西部浅埋矿区采煤对地下水系统扰动的数值模拟

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煤矿安全 2017年第1期48卷 168-171页

作者：赵春虎靳德武中国煤炭科工集团西安研究院有限公司陕西西安710054 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710177

针对西部浅埋矿区煤层开采对地下水扰动问题,通过分析浅埋煤层开采形成的导水断裂带直接揭露松散含水层扰动形式,提出了将覆岩导水断裂与含水层接触带处理成一类水头边界的数值方法,并通过构建神东矿区补连塔井田地下水扰动的计算机评... 详细信息

针对西部浅埋矿区煤层开采对地下水扰动问题,通过分析浅埋煤层开采形成的导水断裂带直接揭露松散含水层扰动形式,提出了将覆岩导水断裂与含水层接触带处理成一类水头边界的数值方法,并通过构建神东矿区补连塔井田地下水扰动的计算机评价模型,模拟得出,由于采掘扰动使井田地下水水位下降30 m以上(至2012年),地下水资源损失量约为1.90×104m^3/d。

关键词：地下水松散含水层定量评价数值模拟导水断裂带

榆神矿区中深煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水模型构建

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煤炭学报 2019年第7期44卷 2227-2235页

作者：赵春虎靳德武王皓王强民王世东刘洋中国煤炭科工集团西安研究院有限公司陕西西安710054 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710177

煤层开采覆岩变形损伤是含水层失水主要原因,针对榆神矿区中深煤层开采影响下含水层失水规律研究程度不高问题,根据矿区主采煤层覆岩的地质与水文地质结构特征,总结提出中深煤层开采覆岩损伤变形影响下含水层“侧向直接与垂向渗漏”复... 详细信息

煤层开采覆岩变形损伤是含水层失水主要原因,针对榆神矿区中深煤层开采影响下含水层失水规律研究程度不高问题,根据矿区主采煤层覆岩的地质与水文地质结构特征,总结提出中深煤层开采覆岩损伤变形影响下含水层“侧向直接与垂向渗漏”复合失水模式,以COMSOL多物理场耦合数值分析软件为平台,提出了中深煤层开采覆岩变形损伤与含水层失水数值分析模型的构建方法:①利用岩石力学模块,通过建立煤层开采条件下覆岩采动应力、孔隙率与渗透率耦合关系,模拟输出弯曲带覆岩各剖分节点的位移变形量,计算采动渗透系数变化;利用Mohr-Coulomb塑性破坏准则识别出采掘扰动下导水裂隙带的发育范围;②利用COMSOL软件平台中大变形几何体自动重新剖分计算模块,重新进行网格剖分,形成采动变形二次剖分网格;③在达西渗流模块中,根据含水层与导水裂隙带间的地下水运动状态的转化特征,把采动导水裂隙范围数值处理成达西渗流边界,重新输入采动渗透系数参数,以建立含水层地下水失水分析模型。最后以榆神矿区曹家滩煤矿为分析案例,建立工作面尺度上煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水分析模型,模拟得出工作面2-2煤层分层开采(5m采高)条件下导水裂隙最大高度为128m,发育至直罗与延安组基岩含水层内部,含水层失水总量35.84m3/h,其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为23.17,12.67m3/h,煤层开采对近地表松散含水层影响小;一次采全高(10m采高)条件下导水裂隙最大高度为202m,发育至富水性好的风化基岩含水层内部,失水总量增加至130.31m3/h,其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为92.65,37.66m3/h,煤层开采对松散含水层影响较大。

关键词：松散含水层导水裂隙带岩层变形失水数值模拟

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美丽中国之节约资源 1

东部草原区露天煤矿开采对地下水系统影响与帷幕保护分析

丛书名：生态文明知识科普丛书

2013年

作者：张小平赵春虎禹奇才

本丛书是十八大主题出版物，是生态文明知识科普读物。本书介绍节约资源的基本知识，然后介绍广东省(特别是广州市)节约资源的主要成果，最后介绍国外先进的经验。

ISBN: (纸本)9787535962560

关键词：节约资源

来源：汇雅图书（南通市图书馆... 评论

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煤炭学报 2019年第12期44卷 3685-3692页

作者：赵春虎王强民王皓杨建刘基张雁煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司陕西西安710054 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077

我国东部呼伦贝尔草原地区是以露天开采为主的重要煤电基地,但是针对草原区露天煤矿开采对地下水系统影响及其水资源保护等问题研究较为不足。以呼伦贝尔草原宝日希勒露天矿区为研究对象,根据矿区煤炭资源开发与疏排水特征,将矿区露天... 详细信息

我国东部呼伦贝尔草原地区是以露天开采为主的重要煤电基地,但是针对草原区露天煤矿开采对地下水系统影响及其水资源保护等问题研究较为不足。以呼伦贝尔草原宝日希勒露天矿区为研究对象,根据矿区煤炭资源开发与疏排水特征,将矿区露天矿开采历史划分为初期、剧增期与稳定期3个阶段。应用地下水系统数值仿真技术,系统分析了露天矿区疏排水对地下水系统的影响规律。结果显示:第1阶段(初期),由于宝日希勒露天煤矿首采区疏排水影响(疏排水强度2.3×104 m 3/d),矿区范围内平均水位降深小于5 m;第2阶段(剧增期),宝日希勒露天矿西侧的东明露天矿相继开发,由于东明露天井田富水性好的松散含水层(渗透系数大于35 m/d)接受莫日格勒河地表水体补给充分,导致矿区疏排水强度增加至19.47×104 m 3/d,矿区范围内平均水位降深大于10 m;第3阶段(稳定期),宝日希勒露天矿首采区闭坑后2采区相继开采,矿区疏排水量趋于稳定(14.93×104 m 3/d),莫日格勒河地表水体渗漏补给松散层地下水强度约为11.02×104 m 3/d,约占东明露天矿疏排水量的80%,平均水位降深大于15 m。最后,根据矿区水文地质条件、帷幕减渗条件下地下水流场以及露天矿剥离开采条件下含水层涌水特征,构建了受强富水强补给露天矿在帷幕墙减渗条件下地下水系统仿真模型,评价了帷幕墙构建对疏排水的影响程度,模拟得出帷幕墙长度为4 km的条件下,疏排水量减少至6.65×104 m 3/d,降幅约为51.81%,总结提出帷幕墙阻水减渗方案是矿区针对强富水、强补给含水层地下水保护性开采与露天矿减少疏排水量的有效手段。

关键词：地下水东部草原区露天煤矿帷幕墙

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矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析

煤田地质与勘探 2021年第5期49卷 36-44页

作者：赵春虎杨建王世东周建军许峰刘基中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077

矿井水深井回灌是矿井水“转移存储”处理的主要形式,根据鄂尔多斯盆地煤矿区地质和矿井水特征,从回灌目的层地下水与矿井水的匹配性、上下岩层的隔水性、回灌层的渗透性以及封闭性角度提出了矿井水回灌目的层选取依据。并以地下水达西... 详细信息

矿井水深井回灌是矿井水“转移存储”处理的主要形式,根据鄂尔多斯盆地煤矿区地质和矿井水特征,从回灌目的层地下水与矿井水的匹配性、上下岩层的隔水性、回灌层的渗透性以及封闭性角度提出了矿井水回灌目的层选取依据。并以地下水达西定律和Dupuit理论为基础,建立极坐标系完整注水井稳定流数学模型,得出在稳定注水条件下,回灌量与注水层渗透系数、厚度、回灌压力、水位埋深以及回灌井直径正相关,与影响半径负相关,与回灌层埋深无关。提出了矿井水深层回灌水动力和溶质运移耦合仿真模型构建方法,并以矿井水回灌试验案例为分析对象,模拟得出矿井水回灌过程中含水层水压形成以注水井为中心的“高位水丘”,且注水压力越大,回灌量增加较为明显,模型分析结果与现场试验结果基本一致。溶质运移范围形成以注水井为中心的“圆柱状”弥散形态,特征离子浓度沿回灌井两侧变化剧烈,回灌层特征离子浓度被迅速稀释,随着时间的延伸,弥散稀释范围增加相对较小,说明矿井水回灌对深部高浓度含水层地下水水化学影响程度不大,研究成果可为西部煤矿区矿井水高效回灌处理提供科学依据。

关键词：矿井水处理回灌溶质运移渗流数值模拟

寒旱区井工煤矿开采与含水层失水协同分析模型构建及应用

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干旱区资源与环境 2020年第6期34卷 109-116页

作者：赵春虎王强民靳德武张雁煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司西安710054 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室北京100013 煤炭科学研究总院西安710077

针对寒旱草原区煤矿开采对地下水资源影响研究不足、评价方法定量程度不高等问题,文中以位于我国东北呼伦贝尔草原敏东井工矿为研究对象,通过分析井工煤矿开采引起的覆岩含水层失水特征,以地下水系统数值模拟软件为平台,提出将采煤形成... 详细信息

针对寒旱草原区煤矿开采对地下水资源影响研究不足、评价方法定量程度不高等问题,文中以位于我国东北呼伦贝尔草原敏东井工矿为研究对象,通过分析井工煤矿开采引起的覆岩含水层失水特征,以地下水系统数值模拟软件为平台,提出将采煤形成的导水裂隙空间范围的处理成地下水系统的内部边界,以及调整不同开采期模型的初始水头,形成了敏东煤矿开采与含水层失水协同分析的数值模型构建方法。模拟分析得出研究区水均衡总量受大气降水控制明显,随着年降雨量增加水均衡总量增加,同时受到季节性冻土层隔水效应的影响,年均降雨入渗系数仅为0.12;煤层采动裂隙沟通的III含水层形成一般小于5m的水位降深,近地表的第四系Q含水层水位下降降深一般小于1m;地下水系统扰动程度指标E_q受矿井涌水(含水层地下水失水量)控制明显,矿井涌水量越大扰动程度E_q越高,2012年最大为9.8%,同时受大气降水补给影响,2013丰水年E_q减少至6.3%。

关键词：地下水草原寒旱数值模拟导水裂隙

蒙陕矿区深部煤层开采顶板含水层失水特征与钻孔注水帷幕保护分析

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煤田地质与勘探 2023年第5期51卷 88-98页

作者：赵春虎王世东姬中奎朱开鹏杨建许峰蔚波中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077

我国蒙陕接壤深部矿区主采煤层赋存地质与水文地质特征较之浅部矿区差异较大。文章通过系统分析呼吉尔特、台格庙、新街等蒙陕深部矿区主采煤层地质、水文地质特征以及采动导水裂隙等相关研究成果,总结出巨厚白垩系孔隙−裂隙含水层作为... 详细信息

我国蒙陕接壤深部矿区主采煤层赋存地质与水文地质特征较之浅部矿区差异较大。文章通过系统分析呼吉尔特、台格庙、新街等蒙陕深部矿区主采煤层地质、水文地质特征以及采动导水裂隙等相关研究成果,总结出巨厚白垩系孔隙−裂隙含水层作为矿区保水目标层,在侏罗系安定组砂质泥岩弱隔水关键层间隔保护下,在煤层开采驱动下易形成典型的间接涌(失)水模式。并以研究区案例矿井为分析对象,数值模拟深部煤层开采过程中地下水流场变化规律。结果显示,煤层回采扰动下地下水流场以采掘空间为中心形成降落漏斗,并随着回采进尺的增加,降落漏斗影响范围与工作面总涌水量均增加,上部白垩系含水层越流失水量增加幅度小于总涌水量增加幅度,模拟结果与案例实测结果基本一致。最后,针对深部煤炭资源开采与研究区水源地保护“煤−水矛盾”问题,以保护白垩系含水层地下水水位为目标,提出以白垩系为回灌层、安定组顶部为终孔层位、注水井尽量远离煤矿区为基本原则的白垩系含水层地下水水位钻孔注水帷幕保护思路。并模拟分析案例矿井在正常开采与注水帷幕墙体建设条件下白垩系含水层地下水流场的变化规律,结果显示“钻孔注水帷幕”在低渗透性含水层水位保护具有较好的可行性,对于深部矿区煤层开采顶板水资源保护具有借鉴意义。

关键词：水害防治保水采煤涌水失水注水帷幕