分类号：分类号：TD167TD167 密密 级：级：公公 开开 U D CU D C ： 单位代码：单位代码：104210424 4 学学 位位 论论 文文 煤炭开采对地下水资源的破坏机理煤炭开采对地下水资源的破坏机理和保护对策研究和保护对策研究 以华丰煤矿为例以华丰煤矿为例 曾曾 庆庆 铭铭 申请学位级别申请学位级别：硕士学位硕士学位 专业专业名名称：称：地质地质工程工程 指导教师姓名指导教师姓名：施施 龙龙 青青 职职 称：称：教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一零二零一零年年六六月月 论文题目：论文题目： 煤炭开采对地下水资源的破坏机理煤炭开采对地下水资源的破坏机理 和保护对策研究和保护对策研究 以华丰煤矿为例以华丰煤矿为例 作者姓名：作者姓名：曾 庆曾 庆 铭铭 入学时间：入学时间：2007 年年 9 月月 专业名称：专业名称：地质地质工程工程 研究方向：研究方向：水文地质与水资源工水文地质与水资源工程程 指导教师：指导教师：施 龙施 龙 青青 职职 称：称：教教 授授 论文提交日期：论文提交日期：2010 年年 5 月月 25 日日 论文答辩日期：论文答辩日期：2010 年年 6 月月 11 日日 授予学位日期：授予学位日期： STUDY ON THE DAMAGE MECHANISM OF COAL MINING ON GROUNDWATER RESOURCES AND ITS PROTECTION COUNTERMEASURES TAKING HUAFENG COALMINE AS AN EXAMPLE A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Zeng Qingming Supervisor: Professor Shi Longqing College of Geological Science and Engineering June 2010 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名：硕士生签名： 日日 期：期： AFFIRMATION I declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date: 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 本文针对我国煤矿区严重缺水、 矿井水大量排放造成地下水资源浪费和污染的现状，采用实地调查、理论分析和数值模拟等多种方法，对煤炭开采对地下水资源的破坏机理进行了研究，并提出了煤炭开采过程中保护地下水资源的对策与措施。 用矿山压力控制理论、采动岩体结构理论、弹性力学理论、损伤力学理论及断裂力学理论等为指导，从理论上研究了煤炭开采活动对顶底板含水层的破坏机理，并对覆岩导水裂缝带发育高度和采场底板破坏深度的确定方法及其影响因素进行了研究； 以华丰煤矿 1409 工作面具体的地质及采矿条件为依据， 应用岩石破裂过程流固耦合分析系统 RFPA2D-Flow，对围岩随着开采的逐步进行，采动裂隙逐渐发展并贯通顶底板含水层的过程进行了数值模拟，对采动围岩变形破坏过程中导水裂隙的发育特征和围岩渗透性的变化规律进行了研究； 结合华丰煤矿的开采情况和矿井水排放现状，分析了华丰煤矿煤炭开采对井田砾岩含水层、煤系地层含水层、徐灰和奥灰含水层的影响；并对华丰煤矿煤炭开采对地下水环境的影响进行了分析和评价； 对部分开采、充填开采等水资源保护性采煤方法进行了研究，提出了合理留设防水煤柱和底板注浆改造等保护地下水资源的措施，最后提出了矿井水资源化利用的建议。 关键词关键词：煤炭开采；地下水资源；破坏机理；保护对策；水资源保护性采煤方法 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract Based on the present situation of serious water scarcity and groundwater resources waste and pollution induced by mine water massive discharge in our countrys coal mine area, this paper studies the damage mechanism of coal mining on groundwater resources by using the method of field investigation, theoretical analysis and numerical simulation; Moreover puts forward the protection countermeasures of groundwater resources in coal mining process. With the strata pressure control theory, mining rock mass structure theory, elasticity theory, damage mechanics and fracture mechanics theory as a guide, the paper theoretically studies the damage mechanism of coal mining activities on the coal seam roof and floor aquifer, and discusses the influence factors and determination method of the height of overlying strata water flowing fractured zone and the depth of destroyed floor. Based on the specific geological and mining condition of Huafeng coal mine No.1409 working face, the paper simulates the process of the mining-induced fractures development and the transfixion to the roof and floor aquifer with the rock failure process fluid-solid coupling analysis system RFPA2D-Flow, and studies the development characteristics of water flowing fractured zone and variation of surrounding rocks permeability. Combined with the situation of mining and mine water discharge, the paper analyzes the influence of mining on the coal fields conglomerate aquifer, coal measure strata aquifer, Xujiazhuang limestone aquifer and Ordovician limestone aquifer. Then analyzes and evaluates the influence of coal mining activities on the groundwater environment. This paper studies the partial mining, backfill mining and other coal mining method with groundwater resources protection; and proposes some measures to protect groundwater resources, such as retaining reasonable waterproof coal pillar and grouting reconstruction technology of footwall stratum. Finally puts forward a suggestion of the resource utilization of mine drainage. Keywords: Coal mining; Groundwater resources; Damage mechanism; Protection countermeasures; Coal mining method with groundwater resources protection 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 1 绪论绪论 . 1 1 1.1 选题依据及研究意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 本文的主要研究内容 . 6 1.4 研究方法和技术路线 . 6 2 2 华丰井田地质及水文地质概况华丰井田地质及水文地质概况 . . 8 8 2.1 井田自然地理概况 . 8 2.2 井田地质概况 . 10 2.3 井田水文地质概况 . 15 3 3 煤炭开采煤炭开采对地下水含水层的破坏对地下水含水层的破坏机理研究机理研究 . 2020 3.1 煤炭开采对覆岩含水层的破坏机理研究 . 20 3.2 煤炭开采对底板含水层的破坏机理研究 . 31 3.3 煤炭开采对地下水含水层破坏的数值模拟研究 . 39 4 4 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 . 4747 4.1 矿井排（涌）水和供水分析 . 47 4.2 煤炭开采对地下水资源的影响分析 . 49 4.3 煤炭开采对地下水环境的影响分析和评价 . 53 5 5 矿区地下水资源保护对策研究矿区地下水资源保护对策研究 . 5858 5.1 水资源保护性采煤方法研究 . 58 5.2 合理留设防水煤柱 . 65 5.3 底板含水层注浆改造 . 68 5.4 矿井水资源化利用研究 . 70 6 6 结论与展望结论与展望 . 7474 6.1 结论 . 74 6.2 展望 . 75 致致 谢谢 . 7676 攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文 . 7777 参考参考文献文献 . 7878 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction1 1.1 Basis of Topic and Research Significance1 1.2 Study Status Quo on Domestic and Overseas2 1.3 The Main Study Content6 1.4 The Study Method and Technical Route6 2 General Situation of Geology and Hydrologic Geology8 2.1 General Situation of Physical Geography8 2.2 General Situation of Geology10 2.3 General Situation of Hydrologic Geology15 3 Study on The Damage Mechanism of Mining on Groundwater Aquifer20 3.1 Study on The Damage Mechanism of Mining on the Overburden Aquifer20 3.2 Study on The Damage Mechanism of Mining on the Floor Aquifer31 3.3 Numerical Simulation Study on The Damage of Mining on Groundwater Aquifer39 4 Impact Analysis of Mining on Groundwater Resources and Environment47 4.1 Analysis on Mine Water Discharge and Supply47 4.2 Impact Analysis of Mining on Groundwater Resources49 4.3 Impact Analysis and Evaluation of Mining on Groundwater Environment53 5 Protection Countermeasures Study of Mine Area Groundwater Resources58 5.1 Study on Coal Mining Method with Groundwater Resources Protection58 5.2 Retain Reasonable Waterproof Coal Pillar65 5.3 Grouting Reconstruction Technology of Coal Seam Floor Aquifer68 5.4 Resource Utilization of Coal Mine Drainage70 6 Conclusion and Prospect74 6.1 Conclusion74 6.2 Prospect75 Acknowledgement76 Participation of the Research Projects and Published Papers77 References78 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 1 绪论绪论 1 1.1 .1 选题依据及研究意义选题依据及研究意义 1 1.1.1 .1.1 选题依据选题依据 水是一切生命的源泉，是人类生存环境中最主要的基本要素和物质基础，更是人类社会可持续和谐发展无可替代的基础性自然资源和战略性经济资源。随着经济社会的发展和人口的增长，人类的用水量日益剧增。城市生活、工农业用水的迅速增加和水污染的不断加剧，使水的供求矛盾日益突出。我国水资源总量为 2.8 万亿 m3，居世界第六位，人均水资源占有量约 2240 m3，仅为世界人均占有量的 1/4，在世界银行统计的 153 个国家中仅排在第 88 位，我国所面临的水资源问题十分严峻。 我国水资源贫乏，水资源的分布又极不平衡，而且水资源与煤炭资源的匹配也不平衡。全国水资源的 81%分布在长江流域及其以南地区，而煤炭资源只占 25%。淮河流域及其以北的广大地区水资源仅占全国的 19%，煤炭资源却占全国总量的 75%。因此形成了北方地区的富煤贫水格局。在神东、晋北、晋东、蒙东（东北） 、云贵、河南、鲁西、晋中、两淮、黄陇(华亭)、冀中、宁东和陕北这十三个规划建设的大型煤炭基地中，除云贵、两淮和蒙东（东北）基地外，其余十个基地都存在不同程度的缺水问题，尤其是晋陕蒙宁地区，水资源最为匮乏，而煤炭资源和煤炭基地却最为集中1。 随着我国煤炭工业的迅速发展，煤炭开采在为国民经济的持续稳定发展做出巨大的贡献的同时，也对矿区珍贵的水资源造成了大量的浪费和破坏，尤其是对矿区地下水资源的破坏越来越严重。我国煤炭系统每年排水大约在 42 亿 m3左右，其中中性水约占70%80%，硬度符合饮水要求的占 40%50%，这是数量相当可观的水资源，但长期以来由于技术所限和认识不足，矿井水被当成水害加以预防和治理，许多矿井水被白白排放掉而未加以综合利用和保护，目前矿井水的利用率只有 26%左右。毫无节制的排水不仅大大增加了吨煤成本，加剧了矿区水资源短缺的局面，还引起了一系列的生态环境问题，诸如地表水、地下水污染，地下水水位持续下降，水资源枯竭，地面沉降，生态系统退化，生物多样性丧失，地表景观受到破坏，农作物减产等。 我国煤矿大量矿井水外排与矿区严重缺水局面并存，并随着我国煤矿建设战略向西北推进， 煤矿区缺水问题将越来越突出。 如何在防治地下水对煤炭开采造成危害的同时，山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 有效地保护和利用地下水资源，是我国可持续发展战略的必然要求。 本课题是根据施龙青教授承担的教育部科学技术研究重点资助项目采场与地下水流场耦合作用及矿区水资源保护与可持续利用研究而确定。 1 1.1.1.2 2 研究目的和意义研究目的和意义 随着水资源问题的日益严峻和人们环境保护意识的不断提高，煤炭开采活动对矿区地下水资源的破坏影响，正被逐渐重视起来，而这方面的深入研究还很少，而且不够全面。因此开展煤炭开采对地下水资源的破坏机理和过程的深入研究，并提出保护地下水资源的相应措施，不但丰富了对煤炭开采破坏地下水资源的理论的研究，而且可防止地下水资源流失，避免对矿区水环境造成污染，对于缓解矿区水资源供需矛盾、改善矿区生态环境、最大限度地满足生产和生活及生态用水具有重要的现实意义，对促进矿区及周边地区经济社会的可持续发展有着深远的战略意义。因此，本研究具有十分重要的理论意义与实际应用价值。 1.2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 煤矿开采活动对地下水影响的研究始于上世纪七十年代末，起步比较晚。由于其研究范围广、涉及领域多，人们从不同角度出发，得到了不同的研究成果。 1.2.1 1.2.1 采动岩体导水裂隙研究采动岩体导水裂隙研究 岩层受采动影响形成的导水裂隙是形成矿井涌（突）水的通道，地下水就是通过导水裂隙涌入巷道或工作面而遭到破坏的。在采动岩体导水裂隙研究方面，虽然完整地描述采动岩体变形破坏及裂隙演化全过程十分困难，但采矿和力学等领域工作者仍从不同视角开展了有自己特色的研究。 刘天泉院士等对我国煤矿开采覆岩破坏与导水裂隙分布作了大量的实测和理论研究， 获得了采场上覆岩层移动破断与采动裂隙分布规律， 提出了“横三区”、 “竖三带”的总体认识2。此后，山东科技大学高延法教授(1996)突破了传统的三带观念，从地表沉陷控制研究出发提出了岩移“四带”模型， 进一步拓宽了对采动覆岩移动破坏的认识3。钱鸣高院士、许家林博士等(1995，1997，1998)应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法，在关键层理论的基础上，对上覆岩层采动裂隙分布特征进行了研究，揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征4。李树刚教授等(1999)分析了采动后覆岩关键层活动特征对裂缝带分布形态的影响，首次提出了上覆岩层中破山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成的覆岩采动裂隙椭抛带分布5。谢和平院士、于广明教授(1998，1999)采用分形几何理论，借助计算机模拟技术和相似材料模型实验得出了采动岩体裂隙分布规律及裂隙网络的分形特征， 提出了采动岩体分形裂隙网络的概念，为采动岩体裂隙网络发展规律提供了一种新的定量描述方法6。 邓喀中教授等(1998)在相似材料模型试验基础上，获得了岩体破裂、离层裂缝发育及采动岩体碎胀规律，给出了离层裂缝高度和长度的计算表达式7。 在采场底板破坏研究方面， 1981 年刘天泉院士在国内率先提出了煤层采空区底板岩层破坏的“三带”概念，即底板自上而下由鼓胀开裂带(815m)、微小变形与移动带(2025m)及应力微变化带(6080m)三带组成2。1987 年刘天泉院士、张金才博士从力学分析角度首次提出了底板岩体“两带”模型，即底板岩体由采动导水裂隙带及底板隔水带组成，并得出了“两带”的厚度。张金才、刘天泉(1990、1992、1995)详细分析了底板采动裂隙带的深度及分布形态，并得出了底板导水裂隙带深度的计算公式8。山东矿业学院特采所李白英教授及其同事们(1999)在相似材料模拟实验和现场观测的基础上提出了开采煤层底板“下三带”理论， 即从煤层底面至承压含水层顶面分为底板破坏带、完整岩层带或阻水带、承压水导升带或原始导升带9。施龙青教授(2005)基于损伤力学、断裂力学和矿山压力理论，在开采煤层底板“三带”划分理论的基础上，提出了开采煤层底板“四带”划分理论，即开采煤层底板可以划分出矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带、原始导高带10。 由于对岩层内部移动的动态过程难以清楚地了解，因而难以掌握采动岩体裂隙演化规律及涌（突）水通道的形成机理，这显然不能更好地适应煤矿突水防治和对地下水资源保护的需求。 1.2.2 1.2.2 煤煤炭开采对地下水资源的影响研究炭开采对地下水资源的影响研究 煤炭的开采与地下水资源紧密相连，煤层往往与地下含水层相邻，采煤时会疏干地下水，这不仅影响了地下水资源的数量和质量，而且破坏了地下水的动态平衡和生态环境，造成一系列不良后果。 国外对因煤层开采引发的地下水问题研究较早，比如 Stoner(1983)，Lines(1985)，Booth(1986)，Zipper(1997)等许多学者曾对此进行了深入的研究，并首先提出了“水文地质效应”一词，其工作对矿区煤炭开采活动引起的水质、水量变化及其对当地生态系统的影响较为关注11,12,13,14。我国学者韩宝平、郑世书等(1994)对煤矿地下开采活动诱发的山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 水文地质效应进行了系统研究，揭示出水文地质效应具有系统性和连锁性的特点15。孙秀玲(1998)、张建成(2005)等从煤矿开采对水资源循环、水资源量及水环境的影响方面进行了分析和探讨16-17。张伟(2002)、林岚(2006)等分析了煤矿疏干排水对地下水资源的影响，并论述了疏干排水引发的环境问题：地下水位下降、水资源枯竭、岩溶塌陷和地面沉降、地表水污染、地下水环境恶化、海水倒灌等18-19。张发旺(1996)等从煤矿区水文地质条件变化出发，系统地阐述了煤矿开采条件下地下水资源破坏的机制和影响因素20。袁传芳等(2003)论述了煤矿开采过程中的疏干排水和突水事故对明水泉群产生的极大破坏21。 在煤炭开采对地下水水质的影响方面， 不少学者也对此作了大量研究。 李定龙(1995)从地下水化学特征方面进行研究，探讨了矿井开采前后主要含水层水化学特征变化规律及其形成作用，认为煤炭开采后含水层水化学类型总体趋向复杂，导致该变化的主要作用是溶滤溶解、脱碳酸、掺杂混合及交替吸附等作用22。钟佐燊等(1999)以淄博煤田富硫煤矿作为典型研究区，阐述了由于直接排放酸性、高 SO42-离子、高硬度和较高矿化度的矿坑水导致的地表水体及地下水的污染23。武强等(2002)以西山矿区为例，研究了煤矿开采诱发的水环境问题，主要探讨了煤矿开采对河川径流、煤矿排渣对水源的影响，分析了酸性水的形成机制24。余运波等(2001)、 白国良等(2004)等通过浸泡实验和淋滤实验探讨了煤矸石的堆放对地下水的污染25-26。赵燕(2006)对煤矸石对地下水污染的机理和过程进行了研究，认为大气降水对煤矸石中可溶组分的淋滤主要通过以下几种方式进行：无机盐类矿物的直接溶解；风化作用加速了煤矸石的分解，使难溶组分变得较易溶解；黄铁矿的氧化促使淋滤溶液的酸度大幅提高，并可与其他矿物发生化学反应，使溶出组分复杂化27。徐卫东(2006)以抚顺市煤矸石场为例，阐述了煤矸石的作用模式，从煤矸石堆积体的风化作用、自燃火作用、溶滤作用、水动力学作用、环境生态效应等方面探讨了煤矸石的环境水文地质作用模式和抚顺市煤矸石场对周围环境污染的机理及污染现状28。 煤炭资源的大规模开发，不可避免地对自然生态环境产生极大的扰动，特别是对开采区域内的水文地质环境产生极为明显的破坏作用。由此引起的水资源环境问题日益突出，已为社会多方所关注29。 1.2.3 1.2.3 对矿区地下水资源保护的研究对矿区地下水资源保护的研究 国外最早涉及矿区地下水资源保护方面的成果要属原苏联 B.M 福明 1983 年的专著山东科技大学硕士学位论文 绪论 5 采矿水文地质条件变化及保护 ， 该书对采矿引起地下水位下降、 水资源枯竭及其他地下水有关的问题有些不太透彻的论述，在水资源保护建议中也只是就水的综合利用本身提出了建议。从国际矿山水会议、国际性水会议及矿山水方面的刊物上也可以看出，西方发达国家和东欧一些矿山水文地质研究处于领先的国家中，对矿山水资源的保护也都是从水本身的综合利用和矿山水处理再利用角度提出的。 我国是个矿业大国，而且煤矿大都分布在缺水的北方，因此我国学者在进行矿井突水防治的同时也开始注重地下水资源的保护研究，并提出了不少新的概念。我国最早探讨煤矿开采水资源保护的是山西阳泉矿区，由于阳泉煤矿开采疏干排水引起阳泉市供水水源娘子关泉的干涸和断流，于 20 世纪 80 年代组织专家研究煤炭开采过程中的水资源保护措施，提出了“排供结合”的概念。之后，在国家计委和地质矿产部、煤炭工业部、有色金属总公司和冶金工业部的联合攻关下开展了中国北方岩溶地下水资源及大水矿区岩溶水的预测、利用与管理研究，该项目利用排供结合技术探讨了北方矿区水资源保护问题。 进入 20 世纪 90 年代，许多矿区相继开展了矿井排水资源化工作，以达到保护水资源的目的，如焦作煤矿、开滦赵各庄矿、淄博矿区等都在矿区“排供结合”方面取得了很好的经验。武强等(1999)针对华北型煤田提出了排、供、生态环保三位一体优化结合的新思路，较好地解决了结合系统中因排水子系统水量变化而引起供水子系统供水不稳的难题30。李文平等(2000)针对陕北榆神府矿区特殊的煤层赋存和区域水文地质条件提出了保水采煤的设想31。孙洪星等(2000)立足于矿井水资源化，论述了我国煤矿水资源防治与协调开发、资源保护的关系及应当采取的对策；指出必须提高矿井水的利用率，实行矿区水资源化的政策，从而实现矿区环境综合治理和煤矿可持续发展32。张乃宝(2001)阐述了业庄煤矿采用坑下灰岩底部注浆堵水与采空区充填治水的方案是保护矿山环境、减少矿山地下水资源浪费的根本性措施，提供了地下矿山防治水与环境资源保护的新思路33。张发旺(2006)提出了“含水层再造”的概念，研究了煤层顶板含水层再造与地下水资源保护的相互关系，并提出了利用含水层再造保护水资源的措施34。缪协兴等(2008)通过研究建立了保水采煤的隔水关键层矿压模型，同时提出了可用于指导开发保水采煤技术的隔水关键层理论。隔水关键层模型有 3 层含意，即软弱层岩性隔水、坚硬层结构隔水和裂隙通道弥合隔水。保水采煤原理可分解为 4 个步骤，即隔水关键层位置判别、结构稳定性判别与控制、渗流稳定性判别与控制以及渗流突变通道控制35。白山东科技大学硕士学位论文 绪论 6 海波等(2009)基于绿色开采理念和采动岩体渗流理论，提出区别于疏干开采和排供结合的煤与水共采的观点，以潞安矿区为基地，分析地下水系统特点，发现并利用了奥陶系顶部隔水层，成功实施矿井水资源化利用和煤与水共采36。 尽管在保护和利用地下水资源方面取得了不少成果，但从采煤源头出发，在防治矿井突水的同时，注重保护水资源的保水采煤和煤水共采的理论和方法尚未完全建立。 1.3 1.3 本文的本文的主要研究内容主要研究内容 本课题针对我国煤矿区严重缺水、矿井水大量排放造成地下水资源浪费和污染的现状，对煤炭开采对地下水资源的破坏机理进行深入研究，结合华丰煤矿的开采现状和矿井水排放现状，对华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响进行分析探讨，最后提出煤炭开采过程中保护地下水资源的对策与措施。本课题主要研究内容如下： 1用矿山压力控制理论、采动岩体结构理论、弹性力学理论、损伤力学理论及断裂力学理论等为指导，从理论上研究煤炭开采活动对顶底板含水层的破坏机理，并对覆岩导水裂缝带发育高度和采场底板破坏深度的确定方法及其影响因素进行分析； 2 以华丰煤矿具体的地质及采矿条件为依据， 应用岩石破裂过程中流固耦合分析系统 RFPA2D-Flow，对煤层围岩随着开采的逐步进行，采动裂隙逐渐发展并贯通顶底板含水层的过程进行数值模拟，研究采动围岩变形破坏过程中导水裂隙的发育特征和围岩渗透性的变化规律； 3 结合华丰煤矿的开采情况和矿井水排放现状， 分析华丰煤矿煤炭开采对井田地下水资源和水环境的影响，并对煤炭开采对地下水环境的影响进行评价； 4 在研究煤炭开采对地下水资源和水环境影响的基础上， 提出煤炭开采过程中保护地下水资源的对策措施。 1.4 1.4 研究方法研究方法和和技术路线技术路线 本课题以煤炭开采活动对地下水资源的破坏研究为核心，在查阅国内外研究现状和收集研究区地质和水文地质资料、煤矿开采现状资料、矿井排水资料和水质分析资料等的基础上，综合运用岩石力学、实用矿山压力控制理论、采动岩体结构理论、弹性力学、损伤力学、断裂力学、渗流理论、水文地质学及水文地球化学等多学科及其交叉前沿理山东科技大学硕士学位论文 绪论 7 论，采用实地调查、理论分析和数值模拟等多种方法，对煤炭开采对顶底板含水层的破坏机理、含水层采动破坏的影响因素、采动围岩变形破坏过程中导水裂隙的发育特征和围岩渗透性的变化规律、开采前后地下水渗流场的变化规律以及煤炭开采活动对地下水环境的影响等开展系统的研究，最后提出研究区煤炭开采过程中地下水资源保护利用的对策措施。本课题研究的技术路线如图 1.1 所示。 围岩导水裂隙及其渗透性变化规律顶底板含水层采动破坏的影响因素对顶底板含水层的破坏机理煤炭开采对地下水资源的破坏机理煤矿区地下水资源保护对策理论分析数值模拟研究内容涉及学科研究方法预期成果水文地 质学水文地球化学岩石力学采矿工程弹性力学断裂力学损伤力学渗流理论研究对象实地调查煤炭开采对地下水资源和环境影响国内外研究现状研究区资料收集 图 1.1 技术路线图 Fig.1.1 The figure of technical route 山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 8 2 2 华丰井田地质及水文地质概况华丰井田地质及水文地质概况 2.12.1 井田井田自然地理概况自然地理概况 2.1.1 2.1.1 井田位置井田位置、范围、范围与交通与交通 华丰井田位于山东省宁阳县华丰镇境内，是新汶矿业集团公司所属的、位于新汶煤田最西端的相对独立的井田。地理坐标：东经 117o07281171111，北纬 35o5149355452。井田东西边界均为古近系砾岩侵蚀面，南界为煤层露头，北至-1000m 水平。井田走向长度 7.7km， 倾斜宽度 2.14km， 面积约为 16.49km2， 开采标高 130m1000m。 磁莱铁路、蒙阴馆陶公路（S333）自西向东从华丰井田南侧通过；西距京沪铁路、京福高速公路和 104 国道 6km 左右，交通极为方便（图 2.1） 。 济南市长清县肥城市泰安市历城区章丘市淄博市莱芜市新泰市磁 莱 线华丰井区磁窑宁阳县曲阜市泗水县蒙阴县平邑县兖州市胶济线线太辛沪京线线石兖030kmNSEW 图 2.1 华丰井田交通位置示意图 Fig.2.1 The transportation and location map of Huafeng coalmine 2.1.2 2.1.2 自然地理自然地理概况概况 2.1.2.1 地形地貌 华丰井田位于徂徕山和蒙山两大分水岭之间，地形属山间凹地，南高北低，地面标高117135m。南北两大分水岭均系太古界片麻岩构成，分水岭脊峰标高+750m 左华丰井田 山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 9 右。井田西部与开阔的泰（宁）肥平原为邻，北部与柴汶河泛滥平原及柴汶河河漫滩接触，东部有柴汶河支流故城河穿过，南部为寒武系及奥陶系石灰岩构成的低山，中部为古近系砾岩构成的低缓丘陵。 2.1.2.2 气象水文 本区属于北温带大陆性季风气候，四季分明。年平均气温 13.6，多年平均降水量709.4mm（19912005 年） ，年最大 1016.8mm（2005） ，年最小 225mm（2002） ，降水多集中于 69 月份。多年平均蒸发量 1648.7mm（19701989 年） 。结冰期每年 11 月至次年3月， 最大冻土深度为0.5m。 风向春季以西南风为主， 秋冬以北风较多， 最大风速20m/s。 故城河为华丰井田的主要地表水系，横穿井田东部，流向北西，属于季节性河流。河道宽 3050m，河漫滩宽达 50100m，最大流量 528 m3/s，洪水期河道宽 285m，最高洪水位 119.7m（1900 年） 。 2.1.2.3 地震 据国家地震局、建设部震发办1992160 号文“关于发布中国地震烈度区划图（1990） 和中国地震烈度区划图（1990）使用规定的通知”：泰安市地震烈度为 7度，地震动峰加速度值 0.1g。据资料记载，本区地震活动不强，但无感地震频发。 华丰煤矿由于采动引起的冲击地压活动导致矿区矿山地震活动频发。 1995 年 2 月在矿区建立地震台，到 2006 年 10 月已累计记录 0.5 级以上地震活动 2 万余次，其中破坏性的有 101 次。这些矿震大多在里氏震 1.7 级左右，最高达 2.9 级。 2.1.3 2.1.3 矿井矿井生产建设情况生产建设情况 华丰煤矿于 1956 年经济南煤炭管理局批准建井，1959 年投产，设计能力 60 万 t/a，两对斜井开拓。1983 年进行改扩建，生产能力提高到 90 万 t/a。二号井于 1996 注销生产许可证，停止生产。2006 年核定生产能力为 120 万 t/a。2008 年实际生产原煤 118.4 万 t。华丰煤矿开采为单一矿种，可采煤层 7 层，1、4、6、11、13、15 和 16 层，其中 4 煤厚6.5m 左右，是华丰矿主采煤层；目前开采以 4、6 煤层为主，11、13、15、16 等煤层有少量开采，1 层煤已注销。 矿井开拓方式为斜井多水平开拓，分阶段集中运输巷、采区石门联络煤层，中央分列式通风。华丰煤矿为煤层群开采，前组采区开采 4、6 煤，后组采区开采 11、13、15、16 煤。采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。从 2003 年开始，4 煤开始用综采放顶煤开采，6 煤采用综采。 目前华丰煤矿已结束了两个水平即第一水平（-90m） 、第二水平（-210m-270m，山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 10 一号井为-210m，二号井为-270m） 。现生产水平为第三水平（-450m） 、第四水平（-750m）和第五水平（-1000m） 。现生产采区有-450 水平后组二采 15、16 层；-750 水平前组三采区的 4、6 层；-1000 水平前组一采区的 4、6 层。 2.2.2 2 井田地质概况井田地质概况 2.2.2 2. .1 1 地层地层及煤层及煤层 华丰井田地层属华北型石炭二叠系海陆交互相含煤沉积，假整合于奥陶系中下统石灰岩之上，由老至新由太古界泰山群，下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭二叠系，新生界古近系及第四系组成（见图 2.2） 。现将本区地层由老至新分述如下： 1、太古界泰山群（Art） ：主要分布于井田以南的山区，构成中高山，其岩性主要为黑云斜云片麻岩和花岗片麻岩，厚度不详。 2、寒武系（） ：出露于爵山、簸箕山、五灵山及玉皇堂山一带，厚约 700m，分下、中、上三统，下统主要为紫红色页岩及薄层灰岩，中上统为青灰色厚层状灰岩夹竹叶状灰岩及鲕状灰岩。以角度不整合于太古界泰山群之上。 3、奥陶系中下统（O1+2） ：出露于爵山、簸箕山、五灵山及玉皇堂山等山麓地带，厚约 800m。 下统以灰至灰白色白云岩及白云质灰岩为主， 夹泥岩、 泥灰岩、 竹叶状灰岩、豹皮状灰岩；中统以厚层状灰岩、豹皮状灰岩及白云质灰岩为主，夹数层泥灰岩及泥岩。与下伏寒武系呈整合接触，为煤系基底。 4、石炭二叠系（C-P） 为了便于叙述，本文将石炭二叠系放在一起进行叙述。 （1）上石炭统本溪组（C2b） 本溪组厚 35.3047.90m，平均 44.89m，在井田范围内较为稳定，厚度变化不大。以石灰岩和粘土岩为主，与下伏中奥陶统石灰岩呈假整合接触。以徐灰以上的一层黑色粘土岩或粉砂岩与太原组分界。 （2）上石炭统下二叠统太原组（C2-P11t） 太原组厚 156.34236.04m，平均厚为 195.21m，为本区主要含煤地层。岩性主要为灰黑色-灰白色泥岩、粉砂岩、中细砂岩、灰岩及煤层交互发育，本组共含煤 21 层，其中可采者 5 层（第 6、11、13、15、16 煤层） 。本组属典型的海陆交互相沉积，旋回结构及粒度韵律清晰而明显。底部以一层中细砂岩与本溪组分界。 山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 11 下统中统质纯、厚层石灰岩为主，岩溶、裂隙发育，为井田及区域的强含水层，对后组煤开采影响极大。以泥岩、粘土岩为主，含徐灰和草灰。徐灰富水性中等，是开采后组煤的主要影响含水层。中细砂岩、泥岩和粉砂岩为主，夹4层薄层石灰岩。含可采及局部可采的6、11、13、15、16煤层。薄层灰岩为富水弱的含水层，对开采有一定的影响。中、细砂岩和粉砂岩为主，含可采的1、4煤层。4煤层顶板砂岩是开采4煤的直接充水含水层。由泥质砂岩、粘土岩及泥岩组成。分三段：上段以石灰质砾岩为主，夹少量粘土岩，裂隙、岩溶发育，富水性、导水性均较好，中段以石灰质砾岩为主，粘土岩较上段发育，裂隙岩溶发育程度较上段差，富水性与导水性较差。下段为粘土岩、粉砂岩与石灰质砾岩互层但以粘土岩为主，砾岩层厚度较小，富水性与导水性差。砾岩含水层岩组为开采前组煤的主要矿井涌水来源。含砂砾层和黄土层，局部底部发育粘土层奥灰草灰徐灰16煤15煤13煤四灰11煤二灰一灰6煤4煤顶板砂岩1煤本溪组太原组山西组下石盒子组古生界中统奥陶系上统石炭系二叠系80044.89195.21127.574001239.5下段中段上段地层与水文地质特征描述柱状煤层、含水层与标志层（m）厚度官庄组下统古近系新生界第四系界组统系地 层 系 统 /06.69 图 2.2 华丰井田地层与水文地质综合柱状图 Fig.2.2 Synthetical stratum and hydrological geology histogram of Huafeng coalmine （3）二叠系山西组（P12sh） 山西组为陆相沉积为主的过渡型含煤地层，厚 92.85139.95m，平均 127.57m。山西组被剥蚀严重，仅保存于井田中深部。下部由灰灰黑色中细砂岩、粉砂岩及煤层组成，夹有粗砂岩、泥岩及粘土岩。本组共含煤 3 层，其中第 1、4 层煤可采。山西组上部由灰绿色中细砂岩、粉砂岩、灰色泥岩及杂色粘土岩组成，夹有薄层粗砂岩、泥山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 12 岩及粘土岩。山西组底部以一层灰白色中细砂岩与下伏太原组分界。 （4）中二叠统下石盒子组（P2x） 下石盒子组为陆相沉积，井田内揭露该组钻孔较少，最大残厚 40m。其岩性主要为灰绿黄褐色含砾粗砂岩、 中粗砂岩及薄层粘土岩组成。 砾岩成分主要为石英， 砾径 28mm，发育大型交错层理。下石盒子组仅在井田深部保存，分布局限。 5、古近系官庄组（E） ：区内厚 01239.50m，广泛分布于井田内及东、西、北侧，厚度由南向北增大，与下伏地层呈角度不整合接触。本组地层一般由巨厚砾岩和红色砂岩组成，在地表大面积出露，构成了低缓的丘陵地貌。 6、第四系（Q） ：厚 06.69m，分布于地表平缓、低洼地带及故城河两岸，由褐色土壤及粘土、亚粘土组成，在河流及冲沟两侧还发育了厚度不等的流砂层，以角度不整合覆于古近系官庄组砾岩之上。 华丰井田主要含煤地层总厚度 325.86m，共含煤 24 层，平均总厚度 15.50m，含煤系数 4.76%；其中可采煤层 7 层，平均总厚度 13.01m，可采系数 3.99%。其中 4 煤平均厚度 5.22m，属较稳定厚煤层，是华丰煤矿的主采煤层。各可采煤层特征见表 2.1。 表 2.1 可采煤层特征一览表 Table 2.1 The characteristics of minable coal seam 煤 层 煤层厚度(m) 煤厚变异系数（r%） 可采性指数(km) 稳定 程度 夹 矸 结 构 间距（m） 最小最大 平均（点数） 最小最大 平均（点数） 1 0 1.08 0.82（8） 23 0.88 稳定 无 简单 25.99 57.49 44.88（9） 36.2446.68 40.35（15） 75.12120.17 100.67（13） 26.0338.99 32.47（28） 16.0830.77 22.53（27） 2.5812.00 6.05（47） 4 06.43 5.22（17） 28 1 较稳定 不稳定夹矸 1层 较复杂 6 01.21 1.10（25） 10 1 稳定 无 简单 11 0.042.22 0.97（28） 31 0.9 较稳定 12 层 复杂 13 01.91 0.92（33） 43 0.88 较稳定 03 层 较复杂 15 0.042.38 0.84（52） 29 0.94 稳定 12 层 复杂 16 0.533.18 1.51（53） 25 1 稳定 01 层 简单 2.2.2 2. .2 2 构造构造 华丰井田位于新汶煤田的最西端，为一东、北、西三面被断层围限的断块凹陷。断块北界为蒙山断裂，东界为南故城断裂，西界为磁窑断裂。由于断块南侧的掀斜作用和后期侵蚀，含煤地层总体向北东倾斜且仅保存于断块的中南部。地层走向西部为 340 山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 13 360 ，中部为 290 310 ，东部渐变为 30 60 ，总体呈一向北东倾伏、开口的簸箕状向斜构造，地层倾角 17 40 ，一般 33 左右。 井田内仅发育部分落差不大于 30m 的正断层及少数逆断层， 一般延展较短且向深部尖灭，方向一般为 NEE近 EW 向和 NNE近 SN 向两组，倾角一般为 70 以上。此外还发育了多个次级褶曲，除两翼拐弯处的两个向斜较明显外，一般规模很小，且向深部变的非常舒缓以至消失（见图 2.3） 。因此，井田深部构造发育程度较浅部简单。 F55F54F53F51F52F35F37F34F33F3bF25F32F30F13F12F33F9F15F14F11F10F29F8F28F5F4F3F2F6F7S1S2F1F2700.51.0km北 图 2.3 华丰井田构造纲要图 Fig.2.3 The structure outline map of Huafeng coalmine 2.2.2.1 褶皱 华丰井田总体为一向 NE 倾伏的簸箕状向斜构造，在该向斜中，发育了多个次级褶曲，较为明显的有两个：S1向斜、S2向斜。S1向斜位于总体向斜的东翼，轴向近 SN，浅部略向东弯曲。该次级向斜在浅部表现明显，至深部变的较为宽缓。S2向斜位于西翼，轴向近东西，较为宽缓。此外，在井田中部还发育规模较小的一向一背，浅部在近露头处表现为断层（F12） ，中深部褶皱明显，往深部逐渐消失。 2.2.2.2 断层 据勘探和矿井生产揭露资料表明，华丰井田内落差大于 30m 的大型断层不发育，而落差在 5m30m 之间的中小型断层较为发育。在早期的勘探阶段，煤系露头附近利用探槽和浅孔揭露控制了 25 条断层， 这些断层除了少部分向深部延伸较长外， 多数向深部尖灭；在煤矿生产过程中，又揭露出一系列规模大小不同的断层，共计 37 条，其中规模较大，对煤矿生产影响严重的有 17 条，其特征见表 2.2。 山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 14 表 2.2 主要断层特征一览表 Table 2.2 The characteristics of principal faults 华丰煤矿深部专门进行了钻探和地震勘探，深部地震勘探控制了 F51F57共 7 条断层，其中 F51、F52发育于煤 4 中，F53F57发育于 16 煤中。经过综合分析认为 4 煤中的F51与 16 煤中的 F56、4 煤中的 F52与 16 煤中的 F57均各是同一条断层在两个煤层反射波中的反映。故将 F51与 F56合并，称为 F51；将 F52与 F57合并，称为 F52。这样包括钻孔和井巷控制的 F27深部区内共控制断层 6 条， 均为高角度正断层。 按走向分， NE 向 3 条 （F51、F52、F55） ，NW 向 3 条（F27、F53、F57） 。其特征见表 2.3。 表 2.3 深部区各断层特征一览表 Table 2.3 The characteristics of faults in deep region 序号 断层 名称 性质 产状 落差 (m) 影响煤层 延展长度(m) 控 制 情 况 控制 程度 走向 倾向 倾角 地震线 断点级别 钻孔及其它 A B C 1 F27 正 325 NE 75 030 1116 煤层 400 81-6、66-6 孔穿过。井下工程控制 基本查明 2 F51 正 3050 SE 7078 020 116 煤层 550 L3、L4、HF4 2 3 1 井下工程揭露 基本查明 3 F52 正 45 SE 70 08 116 煤层 200 L6、HF3 3 1 井下工程揭露 查明 4 F53 正 315 SW 68 010 1116 煤层 350 L4、HF6 2 基本查明 5 F54 正 325 SW 65 010 1116 煤层 660 L3、HF6 2 基本查明 6 F55 正 60 SE 60 08 1116 煤层 350 L2、HF6 1 1 基本查明 断层名称 性质 产状 落差(m) 延展长度(m) 控制情况 查明程度 走向 倾向 倾角 F1 逆 357 267 62 23 650 探槽揭露 控制差 F3 逆 317 227 45 21 500 探槽揭露 控制差 F4 正 317 227 50 20 500 探槽揭露 控制差 F11 正 38 128 75 20 200 探槽揭露 控制差 F12 正 75105 165195 72 22 700 探槽揭露 控制差 F13 正 10 100 60 20 500 探槽揭露 控制差 F14 正 10 280 70 20 500 探槽揭露 控制差 F15 正 10 280 70 1820 1500 探槽及 2 号井第一、二水平基本大巷揭露 查明 F16 正 10 280 70 20 300 探槽揭露 控制差 F17 正 10 280 70 20 300 探槽揭露 控制差 F22 正 94 184 75 30 200 探槽揭露 控制差 F23 正 94 4 70 20 200 探槽揭露 控制差 F25 正 94 184 75 1030 850 探槽揭露 初步查明 F27 正 314 44 75 030 1300 探槽揭露，观 8、观 18 控制 控制差 F271 正 318 42 75 020 800 666，816 穿过 控制差 F36 正 20355 265290 5265 621 1000 2 号井一水平大巷，二水平3 采区 11、13 煤巷道揭露 基本查明 F37 正 1020 SEE 85 28 1500 -90 水平大巷， 4 号井主副井及 11、13、15 煤巷揭露 基本查明 山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 15 2.2.2 2. .3 3 岩浆岩岩浆岩 华丰井田岩浆岩不发育，仅见于井田东部边缘附近，在浅部勘探及开采过程中均有揭露。 岩性为闪长玢岩， 以岩床状侵入 13 煤层和 15 煤层中。 13 煤层侵蚀面积约 0.5km2，15 煤层约 0.9km2。靠近岩浆岩的煤层变质为天然焦，影响到工作面的划分和正常开采。 深部区范围内，81-6 号钻孔有岩浆岩侵入 11 煤层附近，总厚 22.80m，造成 11 煤层变成岩浆岩及天然焦的混合物，推断 11 煤层影响范围约 0.1km2。东部边界附近的 81-1号孔 15 煤层遭受岩浆岩侵蚀，影响范围约 0.1km2。岩浆岩对 11 煤层及 15 煤层的稳定性及煤质影响轻微。岩浆侵入期应为燕山运动晚期。 2.2.2 2. .4 4 岩溶陷落柱岩溶陷落柱 华丰煤矿生产过程中共发现岩溶陷落柱 21 处，经过分析确认、控制的有 14 个，分别破坏不同煤层， 其分布方向总体与地层走向一致， 发育标高主要集中在-100m-200m，发育煤层主要为第 11 层至 16 层，平面形态呈圆形、椭圆形和长条形，空间形态为圆锥体、椭圆锥体和六面体，深部大，浅部小。由于华丰井田为向斜构造，地层转弯部位为应力集中带和构造破坏带，故陷落柱发育密度高。在井田深部区，构造比浅部简单，故陷落柱发育也比浅部大为稀少。 2.3 2.3 井田水文地质概况井田水文地质概况 2.3.1 2.3.1 地表水系地表水系 华丰煤矿界于蒙山山脉西延丘陵与莲花山徂徕山山脉构成的两大分水岭之间，柴汶河自东向西流过， 古河床内充填砂砾石和粘土， 宽达 4000m， 河床最低标高为 109.35m。柴汶河属于季节性河流，冬春两季河水流量显著减小，甚至干涸。柴汶河距井田北部边界 7001000m，对矿井充水影响较小。故城河位于矿井东部，流向北西，在本区内河流长度约 1100m， 河漫滩宽 50100m， 古河床宽 230m， 沉积砂砾石层， 厚度为 0.455.62m，含水丰富， 与煤系、 奥灰有密切的水力联系。 根据 1900 年观测资料， 最高洪水位为 133.9119.7m，流速为 1.14m/s，流量为 582m3/s。2001 年雨季期间观测到的洪水位为+108.0m，流量为 1m3/s 左右，干旱季节河水断流，也属季节性河流。 2.2.3 3. .2 2 含水层含水层与隔水层与隔水层 2.3.2.1 含水层特征 井田内直接充水含水层为古近系砾岩、山西组砂岩、太原组薄层灰岩、本溪组徐灰，山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 16 间接充水含水层为第四系含水砂砾层及奥陶系灰岩，其中古近系砾岩、徐灰和奥灰为主要含水层。各含水层特征由上而下分述如下： 1、第四系砂砾层含水层 据钻孔揭露资料，第四系全层厚度 06.69m，但除故城河及其它冲沟附近发育含水砂砾层外，其它地段均为土壤层及粘土、亚粘土，含水性差。矿区内大部分地段缺乏表土及流砂层，古近系砾岩直接暴露于地表。 2、古近系砾岩含水层 古近纪砾岩含水层以角度不整合覆盖于煤系地层之上，在矿区东北部和西北部，砾岩直接覆盖于奥灰之上。砾岩层在东部、西部和南部边缘，厚度很小，由西南向东北厚度逐渐增厚，钻孔揭露最大厚度为 1239.50m（05-1 孔） 。 本含水层水质类型为 HCO3- SO42-K+Na+型水，矿化度多在 1g/L 以下，属低矿化度水，pH 值 78。本区砾岩上段为裂隙岩溶潜水段，局部具有承压性质，总体含水丰富但富水性由浅向深变弱。中段为岩溶裂隙半承压水段，含水性较上段差，富水性不均一，由于较多粘土夹层的存在，该带水具有半承压至承压性质。下段为裂隙承压含水段，总体含水较弱，但在裂隙发育段局部富水性较强。由于井田内第四系厚度较小，因此，古近系砾岩含水层可直接通过第四系接受大气降水的补给。 3、山西组砂岩含水层 山西组砂岩岩性主要以砂岩、粉砂岩为主，夹煤层及粘土岩。其中中细砂岩 45层，总厚一般在 55m 左右，单层厚度 2.5028.20m，主要有三层即：1 煤老顶中细砂岩，厚 4.1024.20m，一般 10m 左右；4 煤老顶中细砂岩，厚 5.827.30m，一般 20m 左右；山西组底部分界砂岩， 一般厚 20m 左右， 下距太原组 6 煤层 10.0220.72m， 平均 15.31m。这三层砂岩呈厚层状，岩性为灰白灰色中细粒长石石英砂岩，钙质至泥质胶结，中间夹有薄层粉砂岩，是开采 4、6 煤的直接充水含水层。根据井下出水资料测定 q 最大为0.018L/sm，属含水小的含水层，水质类型为 Cl-K+Na+型水，矿化度高，绝大多数在3g/L 以上，有的高达 10g/L 以上，属中等强矿化水。 4、太原组薄层灰岩含水层 太原组发育灰岩或泥灰岩 35 层，其中以一灰、二灰、四灰发育稳定。一灰真厚2.103.40m，平均 2.89m，上距 6 煤平均 14.12m。二灰真厚 0.711.85m，平均 1.39m，下距 11 煤平均 31.41m。四灰真厚 4.836.68m，平均 5.71m，为 13 煤的直接顶板。据井下及钻探揭露，裂隙均不甚发育且充填方解石脉。据浅部开采资料，一灰、二灰基本山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 17 无水，四灰突水点也较少，且水量不大。 各层灰岩在浅部均有露头发育，接受大气降水补给，具有一定的富水性，但随着埋藏深度的增加，裂隙发育程度及富水性均明显减弱。华丰煤矿的深部，薄层灰岩埋深较大，动水补给循环条件较差，岩溶裂隙发育程度及富水性明显减弱，属富水性弱的岩溶裂隙承压含水层。 5、本溪组徐家庄灰岩含水层（简称徐灰） 徐灰，灰黄色，厚层状，质较纯，结构致密，含燧石条带。厚度变化较大，一般为818m。井田浅部，在倾向上厚度存在随深度的增加而逐渐减小的趋势，但中、深部揭露的钻孔少，其变化规律性有待进一步探查。 徐灰的含水性与构造发育程度、埋藏条件和水循环条件有密切关系。总体而言浅部的徐灰含水性较强， 至深部则逐渐变弱。 根据对浅部徐灰的群孔抽水试验资料， q=0.710.79 L/sm，为含水中等的含水层。在井田深部，徐灰埋深大，补给循环条件较差，岩溶裂隙发育程度及富水性明显变弱，应属富水性弱至中等的非均质岩溶裂隙承压含水层。但因徐灰距离 16 煤及奥灰均较近， 较小的断层错动都会使徐灰与后组煤对口接触或接受奥灰水的直接补给；在剥蚀面附近徐灰还可能接受砾岩水的补给。 6、奥陶纪灰岩含水层（简称奥灰） 奥灰为煤系基底，总厚在 800m 以上，与本溪组假整合接触。岩性以灰岩、白云质灰岩和泥灰岩为主。浅部大面积出露于地表，广泛接受大气降水和地表水的补给，洞穴、裂隙普遍发育，含水丰富，是开采下组煤的间接充水含水层。据浅部奥灰水井抽水资料，流量在 36.079.8m3/h，属富含水层。但向深部岩溶裂隙发育减少，富水性减弱，富水部位主要在断裂构造附近。但因其厚度大，分布广，其静储量不容忽视。由于奥灰原始水位高， 水头压力大， 在隔水层薄弱地带， 奥灰水有可能突破隔水层， 通过徐灰造成徐奥灰联合突水，或作为徐灰等含水层的补给水源以底鼓水形式涌入矿井。 2.3.2.2 隔水层特征 华丰井田内古近系底部的粘土质粉砂岩，石盒子组杂色粘土岩，山西组及太原组各含水层间的粉砂岩、粘土岩、泥岩，本溪组粘土岩、粉砂岩均具有良好的隔水性，正常情况下隔断了各含水层之间的水力联系，也隔断了大气降水及地表水与煤系地层的水力联系。 1、古近系红砂岩 古近系官庄组底部有一层粘土岩或粘土质砂岩、粘土岩和砾岩互层，俗称红砂岩或山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 18 红层，厚度 0124.0m，一般在 50m 左右。红层由于粘土矿物含量较高且主要为蒙脱石(膨润土)，具有遇水膨胀的特征，对导水裂隙的闭合起重要作用，导水裂隙如进入红砂岩，粘土矿物充水膨胀导致裂隙闭合，因此红砂岩具有良好的隔水性能。 2、石盒子组粘土岩 岩性以厚层状的杂色粘土岩为主，次为砂岩及粉砂岩。除底部分界砂岩外，砂岩的单层厚度一般小于 5m，以细砂岩为主。粘土岩和粉砂岩疏松、无层理、易碎、细腻，主要由粘土矿物组成，遇水膨胀，具有粘舌感、吸水性强，具有良好的隔水性能。此外大部分细砂岩裂隙不甚发育，也具有一定隔水性。 3、山西组、太原组粉砂岩、粘土岩 山西组地层除 1 煤、4 煤老顶砂岩和山西组底部砂岩以外，以粉砂岩为主，次为粘土岩和粉砂岩互层，约占总厚的 50%左右。太原组除 35 层灰岩、11 煤老顶砂岩外，其它层段砂岩单层厚度一般小于 5m 且多以细砂岩为主，主要岩性为粉砂岩、粘土岩、泥岩，越向下部，泥质含量越高，厚度约占总厚的 60%以上。煤系中各层粘土岩均具有明显的吸水膨胀性，吸水率一般大于 5%，硬度小、密度较低，具有良好的隔水性能。粉砂岩也具有一定的吸水性，吸水率一般大于 2%，遇水易碎。连同广泛发育的粉细砂岩互层，均是很好的隔水层，切断了煤系中含水层之间的联系。 4、16 煤至徐灰粘土岩、砂岩隔水岩组 太原组底部 16 煤至本溪组徐灰间距为 20m 左右，上部以粘土岩和粉砂岩为主，夹18 煤和薄层灰岩，下部为细粗砂岩。 5、徐灰至奥灰粘土岩隔水岩组 奥灰与徐灰间距为 21.636.5m，奥灰与徐灰之间的岩层多为杂色粘土岩夹少量砂岩、粉砂岩，泥质岩厚度约占 65%。其中粘土岩厚度大、分布广、疏松、细腻、具粘舌感，吸水性强、遇水膨胀易碎。因此，各层粘土岩和粉砂岩均是良好的隔水层，切断了徐、奥灰水之间的煤系含水层间的水力联系。 2.2.3 3.3 .3 断层导水性断层导水性 华丰煤矿构造简单，中、小断层发育较多，多为落差小于 30m 的正断层。井下生产中揭露大量中、小型断层，含导水性一般较差，断层带一般较致密，多数情况下无水或有少量淋水。 但井下遇到的徐、奥灰突水一般均与断层有关，砾岩突水点有些也与断层有关。据山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 19 钻孔及井下抽排水资料证实，断层带一般不导水，但位于强含水层间时某些断层也具导水性。井下放水试验和钻孔抽水试验均证明由于断层作用，徐、奥灰发生水力联系，断层带具有导水性。 2.2.3 3.4 .4 地下水的补给、径流与排泄条件地下水的补给、径流与排泄条件 华丰井田浅部砾岩、煤系含水层、奥灰均有露头分布，广泛接受大气降水和地表水的补给；由于断裂活动和砾岩的不整合接触面，使各含水层之间发生不同程度的水力联系，相互补给关系较复杂。在井田深部，除砾岩外其他含水层均无露头分布，不接受大气降水、地表水补给，仅在剥蚀面附近接受砾岩水或奥灰水的补给。正常情况下，由于古近系红砂岩和煤系地层中隔水层的隔水作用，各含水层间基本无水力联系，仅接受微弱的侧向补给，包括从浅部生产区来的水量补给。本区地下水自然排泄条件差，除砾岩水有一定的地表和地下径流（潜水）外，其他含水层仅在矿井排水时通过人工排泄途径泄出，最终排入柴汶河。 2EC-PO爵山东磁窑柴汶河故城河良父NE 图 2.4 华丰井田地下水补给、径流、排泄示意图 Fig.2.4 Sketch map of groundwater recharge, runoff and excretion in Huafeng coalmine 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 20 3 3 煤炭开采煤炭开采对对地下地下水含水层水含水层的破坏的破坏机理研究机理研究 煤矿区地下水含水层采动破坏主要有三种形式： 一是矿井建设和生产时期开凿井筒、开掘巷道等活动直接揭露了含水层，造成矿井涌水；二是采空区覆岩导水裂缝带波及顶板含水层，使其中的地下水渗漏到井下遭到破坏；三是在采矿裂隙诱导下，底板高压水突破煤层隔水底板进入采空区，造成底板突水。下面对后两种含水层采动破坏机理进行研究。 3.1 3.1 煤炭开采煤炭开采对对覆岩含水层的覆岩含水层的破坏机理破坏机理研究研究 3.1.1 3.1.1 采场围岩应力分布采场围岩应力分布 煤及岩层采动前，一般都在覆盖层重力、构造运动作用力等作用之下，处于三向受力的原始平衡状态。煤及岩层采动后，由于支承条件的改变，其原始平衡状态即遭破坏，各岩层边界上的作用力及分布在各点的应力（包括大小及方向）随之改变。采动后重新分布于采动空间周围岩体中的应力就是矿山压力，它是围岩产生变形、移动和破坏的根源，它来源于自身的重力及其上覆各岩层传递来的压力支承压力。典型的采场覆岩运动与煤体上支承压力分布如图 3.1 所示，图中反映了工作面开采到一定步距后，覆岩在煤壁前方断裂及对应煤体力学状态和支承压力分布的情况。只有当矿山压力达到或超过围岩移动破坏的强度极限时才会发生明显的压缩和破坏37。 图 3.1 采场上覆岩层运动状态与支承压力分布 Fig.3.l Movement state of the overlying strata and the distribution of abutment pressure 回采工作面前后方的应力分布如图 3.2 所示。在距工作面一定距离的 A 区，处于三向应力状态（原始应力状态） ，一般可用 H 来表示。在 B 区由于支承压力的作用，出现应力升高区，这时煤体可能沿工作面方向产生某些变形而处于二向应力状态。应力升高山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 21 区的范围及其应力集中系数，主要受煤层及顶底板岩石性质的影响，另外，与煤层倾角和采高也有一定的关系。此范围的应力状态可用 KH 表示（K 为应力集中系数，一般取1.253） 。在 C 区靠近煤壁部分因煤体已遭破坏，应力状态已不明显，一般认为像采空区一样已处于应力降低状态。D 区位于垮落矸石压实区，此处属应力稳定区，近似原始应力区，其应力状态可用 H 表示38-39。 HHK HDCBA 图 3.2 回采工作面前后方的应力分布 Fig.3.2 The distribution of stress before and after working face 工作面前方应力变化区；工作面控顶区；垮落岩石松散区；垮落岩石逐渐压缩区；垮落岩石压实区；A原始应力区；B应力增高区；C应力降低区；D应力稳定区； 3.1.2 3.1.2 覆岩覆岩破坏破坏形式形式和和运动运动过程过程 3.1.2.1 覆岩破坏的两种基本形式 由于煤壁前方支承压力的作用，顶板岩层在未悬露之前就产生了变形，下沉量集中在 1560mm 之间；工作面推采过后，顶板岩层失去支撑，变形进一步加剧，直到顶板破坏冒落。理论与实践的研究结果表明，采场上覆岩层悬露后发展到破坏有二种运动形式：弯拉破坏和剪切破坏37。 弯拉破坏的发展过程是：随采场推进，上覆岩层悬露在其重力作用下弯曲岩层悬露达到一定跨度，弯曲沉降发展到一定限度后，在伸入煤壁的端部开裂中部开裂形成“假塑性岩梁”当其沉降值超过“假塑性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自行冒落。岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达到其抗拉强度。即： m a xtt （3.1） 式中，maxt悬露岩层弯曲时的最大拉应力，Pa； t悬露岩层的允许拉应力，Pa。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 22 图 3.3 覆岩弯曲离层示意图 Fig.3.3 Bending and bed separation of the overlying strata 岩层剪切（断）破坏的发展过程是：刚性的岩层悬露后只产生不大的弯曲，悬露岩层端部开裂在岩层中部未开裂（或开裂很小）的情况下，整体切断垮塌。悬露岩层剪断的充分必要条件是：当采场推进至岩梁端部开裂位置附近，剩余抗剪断面上的剪应力超过限度，虽其中部还未裂开，只要岩层下部有少量运动空间，岩层即被剪断。剪切破坏产生的力学条件为： m a x （3.2） 式中，max梁端开裂后，其端部抗剪断面上产生的最大剪应力，Pa； 岩层的抗剪强度，Pa。 3.1.2.2 覆岩运动过程 回采工作面从开切眼开始推进以后， 顶板悬露面积逐渐增大， 在矿山压力的作用下，受采动影响的上覆岩体将发生极为复杂的运动过程。已有研究和开采实践表明，受采动影响上覆岩层运动过程可分为四个阶段40： （1）变形阶段 当采掘空间很小时，其周围岩体在矿压作用下会产生较大的应力集中，并产生微小的变形，但一般不会导致较大的移动和变形。随着工作面的推进，开采空间不断扩大，顶板岩层裸露，跨度增加，并在应力作用下上覆岩体中产生相对初始时期较大的变形和移动。移动变形的主方向为岩层法线方向，法向移动永远不会达到采出的煤层厚度，更远小于岩层自身厚度。 （2）弯曲离层阶段 覆岩一般都是由若干力学性质各异的岩层组成，在运动过程中以单层或叠层(硬岩及其上覆的软岩)形式来实现。 下位岩层弯曲下沉时，在围岩横向挤压力作用下，各层面或软弱夹层上产生剪应力，岩层在垂直于层面方向处于受拉状态，当其与上位相邻岩层间产生的拉应力超过层间抗拉强度极限时，层与层之间的粘结力作用丧失，从而在层间产生层与层的脱开离层（图 3.3） 。 （3）断裂阶段 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 23 断裂是岩层运动中较为剧烈的阶段，主要发生在直接顶和基本顶岩层中（图 3.4a） 。由于离层的产生，层间粘聚力丧失，下位岩层的挠曲度迅速加大；同时，岩石脆性及不抗拉特性表现明显，在岩层板的边界处及下边缘层面处将产生不同程度的断裂现象。 （4）垮落阶段 岩层的垮落现象是覆岩运动中最为剧烈的阶段，只发生在采空区上方有限范围内的伪顶与直接顶岩层中（图 3.4b） 。在该范围内的岩层由于下方失去了支撑，其运动过程在瞬间即可完成，由变形、断裂迅速转为垮落，充填入采空区中。 （a） （b） 图 3.4 覆岩断裂和垮落示意图 Fig.3.4 Fracture and caving of the overlying strata 3 3.1.1.3 3 覆岩覆岩移动稳定后的分带移动稳定后的分带 煤层采出后，上覆岩层要发生移动和破坏。覆岩的移动和破坏具有明显的分带性，其特征与地质、采矿等条件密切相关。在采用走向长壁全部垮落法开采缓倾斜中厚煤层的条件下，只要采深达到一定深度，覆岩的移动和破坏可出现三个不同的开采影响带，由下至上依次为垮落带、裂缝带和弯曲带，一般简称“三带” ，如图 3.5 所示41。 h1h2h3/ 图 3.5 上覆岩层移动“三带”示意图 Fig.3.5 Sketch map of three zones of overlying strata movement （）跨落带（或冒落带）(h1) 垮落带是指脱离岩层母体，失去连续性，呈不规则岩块或似层状巨块向采空区跨落的那部分岩层。垮落带位于覆岩的最下部，紧贴煤层。煤层采出后，上覆岩层失去平衡，由直接顶板岩层开始跨落，并逐渐向上发展，直到开采空间被跨落岩块充满为止。垮落带内岩块之间空隙多，连通性强，是上覆水体和泥砂溃入井下的通道。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 24 （）裂缝带（或裂隙带）(h2) 裂缝带是指位于垮落带之上，具有与采空区连通的导水裂隙，但连续性未受破坏的那一部分岩层。裂缝带内的裂隙主要有两种：垂直或斜交于岩层的新生张裂隙和沿层面的离层裂隙。根据裂缝带裂隙的不同张裂程度和裂隙的连通性好坏，裂缝带可以分为严重断裂、一般开裂和微小开裂 3 个部分。裂缝带若波及上覆水体，可将水导入井下。 （）弯曲带（或整体移动带）(h3) 自裂缝带顶界到地表的那部分岩层称为弯曲带。弯曲带内岩层基本上为整体移动，移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，特别是当带内岩层为软弱岩层及松散土层时。弯曲带内岩层具有较好的隔水能力，成为水体下采煤的良好保护层。 以上划分的“三带”虽各带的特征明显不同，但带间的界面是逐渐过渡的。上覆岩层中的上述三带不一定同时存在。当开采的煤层埋深较前而采厚又较大时，有可能没有弯曲带，而采用充填法处理采空区时，只有裂缝带和弯曲带。 通常把垮落带和裂缝带合称为导水裂缝带。当一个煤层开采后，其上覆岩层的移动破坏了覆岩中的隔水层和含水层，形成了导水通道。如果导水裂缝带范围达到地表，就会使地表水体与井下连通，增加矿井涌水量；如果导水裂缝带达不到地表，但达到了煤系地层上部某一含水层，就会使该含水层遭到破坏，改变其径流特征，使含水层中的地下水通过岩体破断裂缝流入采空区，形成矿坑水。煤矿在开采过程中有大量的地下水要排出，其原因就在于此。 3.1.3.1.4 4 覆岩含水层覆岩含水层采动采动破坏机理破坏机理研究研究 煤层开采后，不可避免地对围岩造成破坏，其上部岩层移动和破坏形成“上三带” ，对覆岩含水层和隔水层的结构和渗透性产生不同程度的影响和破坏。下面具体分析一下采动对覆岩含水层和隔水层的影响。 3.1.4.1 采动对隔水层的影响41 地下开采后隔水层的隔水性能可能受到影响。 1）当隔水层位于垮落带内时，其隔水性能会完全被破坏，变为透水层； 2）隔水层位于裂缝带内时，其隔水性也被破坏，破坏的程度由导水裂缝带的下部向上部逐渐减弱； 3）隔水层位于上覆岩层的弯曲带下部时，其隔水性可能受到微小影响； 4）隔水层位于覆岩弯曲带中部或上部时，其隔水性不受采动影响。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 25 3.1.4.2 采动对含水层的影响 煤矿在进行浅部开采时，煤系上部主要的水体是第三、第四纪沉积的砂层水、砂砾层水及砂石层水等松散含水层孔隙水。若松散含水层底部无隔水粘土层或隔水粘土层较薄（图 3.6a、b） ，则导水裂缝带可能波及松散含水层水体，松散层中的地下水就会渗漏到井下遭到破坏，导致含水层水位下降，增大矿井涌水量。 若松散含水层底部有较厚的隔水粘土层（图 3.6c） ，则采动形成的导水裂缝带发育受到抑制，波及不到上覆松散含水层，因而开采对松散含水层水体无影响或影响较小。另外由于松散含水层主要接受大气降水和地表水的补给，因此地表水体也常常受到破坏，可能导致河流断流、水库干涸。 /导水裂缝带导水裂缝带导水裂缝带 （a） （b） （c） 图 3.6 采动对松散含水层水体的影响示意图 Fig.3.6 Influence sketch map about mining to water in loose aquifer 当煤矿开采深度大时（图 3.7） ，煤层上部有若干层基岩含水层，若导水裂缝带波及上覆某一含水层，就会使该含水层遭到破坏，改变其径流特征，使含水层中的地下水通过覆岩破断裂缝流入采空区，形成矿坑水。 /导水裂缝带 图 3.7 采动对基岩含水层水体的影响示意图 Fig.3.7 Influence sketch map about mining to water in bedrock aquifer 当导水裂缝带距离上覆含水层还有一定的距离，但其影响范围内发育有导水断层、导水陷落柱和封闭不良钻孔等时（图 3.8） ，覆岩含水层中的地下水也会通过这些导水通道而漏入井下遭受破坏。比如华丰煤矿 2405 西工作面(68-5 孔附近)出水就是因 68-5 封孔不良而导致砾岩水下漏。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 26 /导水断层导水裂缝带导水裂缝带导水陷落柱导水裂缝带封闭不良钻孔图 3.8 非正常情况下覆岩含水层采动破坏示意图 Fig.3.8 Non-normal destroy sketch map about mining to aquifer in overlying strata 采动对覆岩含水层的破坏，使地下水沿着导水裂隙进入采空区。如果上覆水体水量少或为弱含水层，且补给不足，这种涌水将增大矿井涌水量、恶化井下作业条件、长期水动力作用而导致矿井工程失稳等。若导水裂缝带沟通的是地表水、采空区水、溶洞水或地下暗河等大型水体，且这些水体补给充足时，充水通道由于水流冲刷而逐渐畅通，就会造成上覆水体溃入井下甚至挟泥沙涌入井下的严重水害，当井下排水能力难以满足时，就会导致人员和设备严重损失的淹井事故。 3.1.3.1.5 5 导水裂缝带导水裂缝带高度高度预测方法预测方法研究研究 导水裂缝带高度是指裂缝带最高点到回采上边界的垂直距离。 煤矿在进行含水层 （水体）下采煤时，为了实现安全开采和保护地下水资源，需要合理地确定煤层安全开采上限和采煤方法，使得煤层开采后的覆岩导水裂缝带波及不到上覆含水层或水体。因此准确预测覆岩导水裂缝带发育的最大高度是十分必要的42。 20 世纪 60 年代以前，我国对于导水裂缝带高度的研究处于认识性阶段，只是定性地描述与分析，进而利用经验公式法43或类比法对导水裂缝带高度进行初步预测；20 世纪 80 年代至今， 我国开展了许多水体下采煤的专题性研究， 对于导水裂缝带高度的研究，将定性模型分析与数值模拟44、物理模拟45、现场实测46等方法相结合。 本文以华丰煤矿 1410 工作面综采放顶煤开采为背景条件， 采用岩层沉降推断法， 从理论上分析 4 煤开采的冒落带高度来间接地计算导水裂缝带的发育高度，从而揭示导水裂缝带对古近系砾岩水的破坏影响。 华丰煤矿生产实践表明，一次采全高的综采放顶煤条件下裂缝带发育的高度 HL与冒落带高度 h1成正比，现场实测关系为47： HL=8.2h1 （3.3） 由式（3.3）可知，只要确定了冒落带高度 h1，就能确定导水裂缝带发育高度的大山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 27 小。现采用岩层沉降的推断方法来确定冒落带高度 h1。此方法认为，除了整体切断的岩层以外，所有岩层的冒落都是由弯曲沉降运动发展而来的。弯曲沉降的悬露岩层是否发展至冒落，是由其下部允许运动的空间高度决定的，只有其下部允许运动的空间高度超过岩层的允许沉降值，岩层运动才会由弯曲沉降发展至冒落。否则岩层将保持“假塑性岩梁”状态37。因此，确定冒落带高度必须考虑岩层的沉降（SA）和岩层变形能力的影响以及下部允许运动的空间高度。这种推断方法的几何模型如图 3.9 所示。图中煤层上方第 i 个岩层保持不冒落的条件为： -1imim2mm1hzmAS 图 3.9 考虑岩层弯曲沉降时的冒高 Fig.3.9 Consider the settlement at the time of bending rock caving zone height ) 1(AzAKmhSS0 （3.4） 式中 SA煤层上方第 i 个岩层实际沉降值； S0该岩层保持假塑性允许的沉降值； h煤层采高，m； mz冒落带高度，m； KA岩梁触矸处下部已冒岩层的碎胀系数。 由式（3.4）可直接推导出冒落带高度 mz的表达式为： 1AAzKShm （3.5） 其中 SAS0，KA一般为 1.251.35 之间。 从式（3.5）可知，影响冒落带高度的主要因素是岩梁的允许沉降值 S0、岩梁的实际沉降值 SA和采高 h。实验研究证明，S0值的大小主要由岩层的厚度、强度及推进方向上的裂隙发育情况等因素决定。对于简单结构的均质岩层，岩梁的允许沉降值 S0可以近似等于岩层的厚度，即：S0=m。 显然，只要知道采场上覆岩层的厚度分布情况，就可以确定冒落带的高度。现在我们利用华丰煤矿五水平1410工作面覆岩的具体情况来确定该工作面4煤层开采时的冒落带高度。 表 3.1 为根据 1410 工作面井下钻孔资料得到的 4 煤层部分上覆岩层的厚度情况。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 28 表 3.1 1410 工作面 4 煤层部分上覆岩层 Table 3.1 Partial stratum over No.4 coal layer of 1410 working face 岩层编号 岩层名称 岩层厚度（m） m5 中砂岩 9.7 m4 细砂岩 2.3 m3 粉砂岩 1.9 m2 中细砂岩 4.2 m1 粉砂岩 2.5 m0 4 煤 6.5 根据上述推断方法，不难计算出该采场的冒高为 10.9 m，即 m1、m2、m3、m4冒落后，m5仍将处于假塑性岩梁状态，这是因为： 对于 m1岩层：S0=m1=2.5 m，如保持 m1不冒则下部必须冒落的岩层厚度为： 13 . 15 . 25 . 610AzKShm13.3m 而该岩层下部实际冒落岩层厚度为 0m，可见 m1岩层必须冒落。 对于 m2岩层：S0=m2=4.2 m，如保持 m2不冒下部必须冒落的岩层厚度为： 13 . 12 . 45 . 610AzKShm7.7m 而该岩层下部实际冒落厚度为 2.5m，可见 m2岩层必须冒落。 对于 m3岩层：S0=m3=1.9 m，如保持 m3不冒下部必须冒落的岩层厚度为： 13 . 19 . 15 . 610AzKShm15.3m 而该岩层下部实际冒落厚度为 6.7m，可见 m3岩层必须冒落。 对于 m4岩层：S0=m4=2.3 m，如保持 m4不冒下部必须冒落的岩层厚度为： 13 . 13 . 25 . 610AzKShm14.0m 而该岩层下部实际冒落厚度为 8.6m，可见 m3岩层必须冒落。 对于 m5岩层：S0=m5=9.7 m，如保持 m5不冒下部必须的冒落岩层的厚度为： 13 . 17 . 95 . 610AzKShm-10.7m0 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 29 可见 m5岩层不会冒落，则 4 煤顶板冒落带高度 h1=2.5+4.2+1.9+2.3=10.9m，其实际沉降值 SA为： SA=h-mz(KA-1)=6.5-10.9 (1.3-1)=3.23 m S0=9.7 m 综上所述， 华丰煤矿 1410 工作面在采厚为 6.5 m 的情况下， 冒落带的高度为 10.9m。 将冒落带的高度 10.9 m 代入公式（3.3） ，得华丰煤矿 1410 工作面 4 煤层开采时导水裂缝带发育的高度 H 理论推导为： HL=8.2h1=8.2 10.9=89.38m 根据钻孔资料，在 1410 工作面 4 煤到古近系底界砾岩的距离约为 80140 m，并且古近系下尚有 5 m 砾岩风化带。可见，在一定的区域内，4 煤层开采形成的导水裂缝带高度是能够直接贯通砾岩，导致古近系下部的砾岩水突出。 3 3.1.1.6 6 影响覆岩破坏影响覆岩破坏高度高度的因素的因素分析分析2,41 覆岩破坏，无论是其形态、最大高度还是裂缝的连通性都有一定的规律性。影响覆岩破坏的因素有很多， 其中有些因素的影响可以定量地描述， 有些只能定性地加以说明。 1、覆岩力学性质及其组合特征 覆岩破坏高度与覆岩力学性质密切相关。如果工作面上覆岩层为刚性、脆性岩层，受采动影响后很容易断裂，冒落发展比较充分，而且裂缝不易闭合，裂缝可发展到较大高度；若覆岩为塑性、韧性岩层，受开采影响后不易断裂、但容易下沉，裂缝难以长期贯通或遇水闭合，对导水裂缝带的发育有抑制作用。 不同力学性质的覆岩组合也会对覆岩破坏产生不同的影响。 1）坚硬坚硬型：由于坚硬顶板下沉缓慢，下沉量小，开采空间需碎胀岩块充填，所以冒落发展得最充分。又由于坚硬岩层弯曲易断裂，且开裂后不易闭合与恢复原有的隔水能力，故两带较发育，导水裂缝带高度也就最大，可达采厚的 1828 倍。 2）软弱坚硬型：直接顶冒落后，老顶的下沉速度很慢，下沉量很小，开采空间和冒落岩层本身的空间几乎全靠冒落的碎胀岩块充填。若直接顶薄，则冒落不充分，冒高、裂高均较小；若直接顶厚，则冒落充分，冒高大，但相对而言，裂高较小。 3）坚硬软弱型：直接顶冒落后，老顶随即下沉，减少了开采空间，因此冒落过程得不到充分发展，覆岩裂隙不发育，导水裂缝带高度比较小。 4）软弱软弱型：软岩易弯曲、冒落、下沉快、幅度大。直接顶冒落快，老顶迅速下沉占据采空区上部空间，岩块很快充满采空区，冒落过程得不到充分发展，加之软岩不利于裂隙发育， 岩层开裂后易于闭合和恢复原有隔水能力， 导水裂缝带高度也就最小。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 30 2、采煤方法和顶板管理方法 采煤方法和顶板管理方法是影响覆岩破坏程度的重要因素，在相同的地质条件下采用不同的采煤方法或顶板管理方法，可以导致不同结果。 我国通常采用的顶板管理方法有：全部跨落法、充填法和煤柱支撑法。全部跨落法使上覆岩层破坏最严重，导水裂缝带也发育的最高。充填法管理顶板时，若充填质量较好，煤层的直接顶可以不发生冒落，覆岩仅遭受开裂性破坏，一般不会发生冒落性破坏，与全陷法相比，导水裂缝带高度要小很多。采用煤柱法管理顶板时，若所留煤柱能够支撑住顶板，尽管开采部分的顶板局部冒落，导水裂缝带还能孤立存在且高度很小。如果所留煤柱太窄，煤柱会被压垮，此时的覆岩破坏高度与全部跨落法无异。 3、开采强度 开采强度指单位时间内采出煤量的多少，主要包括开采面积和开采厚度两个方面。煤层开切后， 导水裂缝带高度随采空区的扩大而不断增大。 当采空区扩大到一定范围后，导水裂缝带高度达到该条件下的最大值。以后尽管开采面积继续扩大，但导水裂缝带基本上不再向上发展；相反，当采空区尺寸不足以使导水裂缝带内岩层达到充分采动时，则导水裂缝带高度的发育将受到限制。 开采厚度对覆岩破坏的影响是直观的。开采单一薄、中厚煤层或厚煤层第一分层所形成的导水裂缝带与初次采厚之间基本呈线性的关系，采厚增大，导水裂缝带高度也增大。分层开采条件下累积采厚小于 15 m 时，导水裂缝带高度与累积采厚呈式（3.6）所示分式函数关系，即随着分层数的增加，导水裂缝带高度 HL随采厚增加的速率变小。 banMHL100 （3.6） 式中，a 和 b 为常数；M 为累积采厚；n 为分层数。 4、地质构造 断层、褶曲等地质构造对导水裂缝带高度的影响是十分复杂的。高角度、落差大的正断层活化后导水性、连通性往往较好，导水裂缝带高度发展大。特别值得注意的是，断层与导水裂缝带的相对位置将对导水裂缝带的高度产生较大影响：当断层位于正常导水裂缝带范围之内时（图 3.10a） ，这种情况对导水裂缝带高度的发展影响不大，但导水裂缝带内岩层的破坏程度和透水性可能加剧； 当断层位于正常导水裂缝带范围以外时 （图3.10b） ，则导水裂缝带的范围可能被扩大，可能与上覆的水体通过断层连通，等于相应增加了导水裂缝带的高度。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 31 / （a）断层位于裂缝带内 （b）断层位于裂缝带附近 图 3.10 断层对导水裂缝带高度的影响示意图 Fig.3.10 Influence sketch map about fault to height of water flowing fractured zone 5、时间因素 覆岩导水裂缝带高度的发展是个时间过程，一般可以分为两个阶段。在导水裂缝带发展到最大高度之前，它随时间的推移（即工作面的推进）而增大的。当导水裂缝带发展到最大高度以后，上覆岩层还在移动，当覆岩坚硬时，导水裂缝带的高度随时间延续基本上不再发生变化；当覆岩为中硬或软弱时，导水裂缝带的高度随着时间的延续还会略有减小。时间因素的影响还表现在随着时间的增加，导水裂缝带内的裂隙有可能闭合一部分而减小渗透性或恢复其原有的隔水性能，在软弱岩层条件下这种恢复尤为显著。 3.23.2 煤炭开采煤炭开采对底板含水层的破坏机理对底板含水层的破坏机理研究研究 煤层开采后不仅引起顶板岩层的移动和破坏，也将导致底板岩层在一定范围的移动和破坏，从而有可能造成底板承压含水层的破坏。煤层开采后引起的底板破坏，其范围将与开采范围及采空区周围的支承压力分布有关。 3.2.1 3.2.1 底板底板岩层岩层采动破坏的水平分段采动破坏的水平分段规律规律 煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围煤体（柱）上造成应力集中，还会向底板深部传递，在底板岩层一定范围内重新分布应力。当工作面从切眼开始回采后，采场围岩的应力发生变化。随着工作面的推进，煤层底板前方在超前支承压力的作用下受到压缩。工作面推过后，应力释放，底板处于膨胀状态。随着顶板的垮落， 采空区垮落矸石的压实， 工作面后方一定距离的底板又恢复到压缩应力状态。因此，在矿压作用下，煤层开采对底板岩层的影响在水平方向上可分为采前超前压力压缩段、采后卸压膨胀段和采后压力压缩稳定段48，如图 3.11 所示。 在采前超前压力压缩段内，煤层底板岩层承受着工作面顶板支承压力带来的超前压缩，呈现整体受压状态。在深度方向上，随着深度的增加，底板岩层对应力的传递逐渐衰减，采动压力对深部岩层的扰动影响则较小。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 32 采动矿压直接破坏区后支承压力前支承压力压缩段压缩稳定段膨胀段承压含水层 采前超前压力压缩段；采后卸压膨胀段；采后压力压缩稳定段 图 3.11 采动底板破坏的水平分段形成过程图 Fig.3.11 The formation process of level piecewise of floor failure 在采后卸压膨胀段内，采空区下方由于卸压而处于膨胀状态，底板鼓起，从煤壁内部 1m 左右到采空区 25m 左右底鼓量逐渐增加，25m 以远的底板岩层随着采空区内冒落矸石的压实而又开始受到压缩。煤层底板浅部岩层由采前超前压力压缩段向采后卸压膨胀段的过渡部位常引起其结构状态的质变。处于超前压缩段的上部岩体由于集中应力的急剧释放， 上部岩体即以脆性破坏的形式释放弹性应变能， 以达到岩体能量的重新平衡，从而引起工作面底板浅部岩体发生自上而下发生破坏， 其破坏位置一般发生在煤壁附近，破坏基本上一次性达到最大深度。这一破坏带是由采动矿压直接引起的，故称为采动矿压直接破坏带。 在采后压力压缩稳定段内，由于采空区逐渐被冒落矸石充填压密，覆岩活动开始稳定下来，采空区内底板岩层重新受到压缩。此段内底板岩体开始自上而下恢复原岩应力状态，这个恢复过程与采空区内压力变化密切相关。随着工作面的推进，采空区内底板压力逐渐增大，采动矿压直接破坏带内的底板岩体逐渐地接近原岩应力状态，但不能完全恢复。底板深部岩体破坏变形在采空区支承压力作用下自上而下逐渐恢复稳定。 随着采煤工作面的推进，工作面底板岩层采动破坏在水平方向上呈现的以上三种分段规律在开采过程中交替出现，底板岩体中的这种变形破坏处于张裂稳定恢复闭合的交替运动中，直到工作面结束。 3.2.2 3.2.2 底板底板岩层岩层采动破坏的垂直分段规律采动破坏的垂直分段规律 以山东矿业学院为代表所创建的“下三带”理论，在指导底板水害防治和带压开采方面起到了重要的作用。近年来山东科技大学施龙青教授从现代损伤力学及断裂力学理山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 33 论的基础上，提出了采场底板“四带”理论49。该理论不把开采煤层底板看成弹性体，而是看成损伤体，即在底板未遭受矿压破坏前就是一个存在裂隙的不连续体。矿山压力对底板的破坏过程，实际上是存在于底板岩层中原始裂隙在矿压作用下扩展的过程。 图 3.12 所示为开采煤层底板“四带”划分理论的模型， 即将开采煤层底板自开采煤层底板的顶到含水层之间的岩层划分出四个组成带：矿压破坏带；新增损伤带；原始损伤带；原始导高带。下面从力学性质和隔水能力方面阐明各带的基本特征。 h2h1h3h4h原始导高带原始损伤带新增损伤带矿压破坏带承压含水层采空区煤层 图 3.12 开采煤层底板“四带”划分模型 Fig.3.12 The four zone model of mining coal seam floor 第带(h1)： 矿压破坏带是指矿山压力对底板的破坏作用显著， 底板岩石的弹性性能遭到明显丧失、导水性发生明显改变的层带。其特点为：岩石处于粘弹性状态；各种裂隙不仅交织成网，而且惯通性好、导水性能很强；岩层的连续性彻底破坏，完全丧失了隔水能力。 第带(h2)： 新增损伤带是指受矿山压力破坏的影响作用明显， 岩石弹性性能发生了明显改变的层带。其特点为：底板岩层的原有抗压强度明显降低，但岩层的弹性性能尚未完全丧失，即岩石仍处于弹性状态；岩层的原有裂隙得到了明显地扩展，但尚未相互贯通；岩层具有一定的连续性和隔水能力。 第带(h3)： 原始损伤带是指不受矿山压力破坏作用的影响或影响甚微， 岩石弹性性能保持不变的层带。其特点为：岩石保持原有弹性性能；岩层内的裂隙保持原先的非相互贯通状态；岩层的连续性和隔水能力良好。 第带(h4)： 原始导高带是指不受矿山压力作用的影响， 底板含水层的承压水沿隔水底板裂隙或断裂破碎带上升的层带。其特点为：因水化学作用，岩石处于弹塑性、塑性状态；由于裂隙发育的不均匀性，导升带的上界是参差不齐的；岩层的连续性差。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 34 开采煤层底板的上述四带不一定同时存在。煤层开采后的矿压破坏带总是存在的，而当底板隔水层太薄时，新增损伤带和原始损伤带可能不存在；当底板含水层顶部有充填带或其上岩层软弱时，可能无原始导高带存在。 3.2.3.2.3 3 底板底板承压承压水水采动采动破坏机理破坏机理研究研究 煤层底板采动矿压破坏带的形成，一方面减小了隔水层的实际厚度，降低了底板岩体的完整性及抵抗承压水突出的能力，另一方面又会在该带内形成很多贯通性裂隙，且采空区下方底板岩体处于卸压膨胀状态，裂隙扩张，导水性较好。因此，因底板采动形成的贯通裂隙必然会增加承压水的连通性， 从而有可能造成底板承压水突出而遭到破坏。 3.2.3.1 完整型底板承压水采动破坏 根据采场底板组成的“四带”理论，无构造影响时，底板含水层承压水采动破坏有以下几种形式： 1） 当底板隔水层厚度很小而底板采动破坏深度很大时， 新增损伤带和原始损伤带都不存在，即 h2=0，h3=0，采动矿压破坏带与底板承压含水层直接相接或与承压水原始导高带勾通（图 3.13a） ，则导升了一定高度的承压水沿矿压破坏带导水裂隙涌入采空区； 2）当底板隔水层厚度较小时，原始损伤带不存在（图 3.13b） ，且底板承压水水压大于新增损伤带岩层的残留抗压强度，即 h3=0，h20，且 p（1-D） ，则底板承压水能突破新增损伤带而涌入采空区。其中，p 为水压， 为损失底板岩石抗压强度，D 为底板损失变量。 原始导高带新增损伤带矿压破坏带采空区承压含水层煤层原始导高带矿压破坏带采空区承压含水层煤层 （a） （b） 图 3.13 完整底板承压水采动破坏示意图 Fig.3.13 Sketch map about mining failure to perfect floor confined water 3.2.3.2 断层发育底板承压水采动破坏38 断裂构造是造成底板承压水突出的主要原因及控制因素。断层在工作面前方处于压密状态，导水性较差，但在工作面后方由于底板高度卸压，断裂面处于松弛状态，导水山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 35 性较好。断裂面破坏了隔水层的完整性，底板承压水极易聚积和运移以致进入采动空间引起底板突水。以断层为突水通道的底板承压水破坏可以分为以下三种类型。 1）断层切穿煤层 工作面留设断层防水煤柱，如果煤柱尺寸偏小，则容易受支承压力作用而破碎，由断层导升的底板承压水突破煤柱或沿煤柱渗流进入工作面。 当断层倾向工作面下方、倾角较小时（如图 3.14a） ，工作面底板矿压破坏带容易与断层相接，断层导升承压水直接进入底板矿压破坏带，引起底板承压水突出。 因地质构造不清，巷道掘进揭露断层。若断层导水，往往引起爆发性大型突水；若断层不导水或距水源较远、通道不畅，在巷道揭露后数月、甚至数年，或受采动影响后可能会发生突水。 矿压破坏带矿压破坏带矿压破坏带采空区采空区采空区煤层煤层断层断层断层煤层含水层含水层含水层 （a） （b） （c） 图 3.14 断层发育底板承压水采动破坏示意图 Fig.3.14 Sketch map about mining failure to floor confined water by fault 2）断层接近煤层 如图 3.14b 所示，底板含水层被小断层切割，承压水沿断层导升至接近煤层底板。当工作面回采后，所形成的矿压破坏带直接沟通导水断层，从而引起工作面底板突水。 3）断层隐伏较远 如图 3.14c 所示， 虽然断层导升承压水距煤层较远， 但当采深很大 （破坏深度较大） 、水压较高、保护层强度不够时，经过矿压的长期作用，也可发生滞后型突水。 3.2.3.3 岩溶陷落柱发育底板承压水采动破坏 岩溶陷落柱是煤层底板灰岩含水层岩溶发育，形成岩溶空洞导致上覆岩层塌陷冒落而形成的。岩溶陷落柱的这种特殊地质现象的存在，不仅破坏煤层，减少可采储量，影响巷道的掘进和煤层的开采，而且是特殊的导水通道，它可以使底板承压水直接导升至煤层，当情况不明而造成采掘工作面揭露陷落柱时，必然引起爆发型的底板承压水突出事故（图 3.15） 。从已揭露的情况看，陷落柱的充水和导水情况各不相同，大致可分为 3山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 36 奥灰徐灰陷落柱煤层回采工作面矿压破坏带 图 3.15 岩溶陷落柱导水示意图 Fig.3.15 Sketch map of water inburst into working face by karstic collapse column 种类型50：强充水型：陷落柱内充填物未被压实，柱内水力联系好，直接导通底板高压灰岩水，沟通了煤系地层各含水层，采掘工程一旦揭露就发生突水，水量大而稳定。边缘充水型：陷落柱内充填物压实紧密，风化程度较强，柱内水力联系不好，只是柱边发育的次生裂隙充水，对底板高压灰岩水的导通性不好，采掘工程揭露时一般以淋滴水为主，涌水量不大。疏干型：陷落柱内充填物压实紧密，风化程度极强，边缘裂隙水已被疏降，工程揭露时无水或有少量滴水。 3.2.4 3.2.4 底板采动破坏深度的确定底板采动破坏深度的确定 1、经验公式法43 1）经过对多年来现场实测和模拟试验研究结果的统计，采用逐步回归分析法，底板采动破坏深度与工作面的斜长有如下关系: h1=0.7007+0.1079L （3.7） h1=0.303L0.8 （3.8） 式中：h1底板采动导水破坏深度，m； L工作面斜长，m。 2）若考虑采深、倾角、工作面斜长等因素，则有： h1=0.0085H+0.1665a+0.1079L4.3579 （3.9） 式中：H采深，m； 煤层倾角， （） ；其余同上。 2、根据采场底板“四带”划分理论51，矿山压力对开采煤层底板破坏深度(h1)的理论计算公式为： 1m a x1ln88.59HKh (3.10) 式中，Kmax矿山压力最大集中系数，一般取 37； 上覆岩层容重； H采深，m； 1底板原始裂隙扩展相互贯通所需的最大主应力，其受开采深度的影响。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 37 3、室内模拟试验观测法 可采用相似材料模拟、有限元数值模拟、光弹试验等综合方法。其优点是可以模拟多种地质采矿条件，获取不同地质采矿条件下的底板破坏深度，提供安全开采方案决策依据，且时间快、费用低。但其结果最好有一定的现场观测资料验证，这样效果更好。 4、现场试验观测法 主要采用底板钻孔注（放）水试验法，其次可辅助钻孔岩移观测及某些物探方法综合测试 （如电磁波法、 地质雷达法和超声波探测法等） ， 现场试验观测法获取的结果可靠。 3.2.5 3.2.5 底板承压水采动破坏的底板承压水采动破坏的影响影响因素因素分析分析52,53 通过防治底板突水灾害的长期实践，人们逐渐认识到，水源即岩溶含水层的富水性是底板突水的基本物质前提；水压既是突水的动力，又是决定突水与否和突水量大小的主要因素之一；隔水层是底板岩溶承压水突出的阻抗因素；地质构造往往是底板突水的通道，绝大多数突水特别是大型突水都与地质构造有关；采掘活动和矿山压力是底板突水的诱导因素54。下面分别分析这些因素对底板岩溶承压水采动破坏的影响。 1、地质构造 地质构造，包括断层、褶皱、节理裂隙，它们对煤层底板隔水层的破坏很大，尤其是断层是造成煤层底板承压水突出的主要原因之一。断层之所以成为底板承压水突出的主要影响因素，有以下几个方面的原因： （1）断层的存在破坏了煤层底板的完整性，降低了底板岩体的强度，削弱了底板隔水层阻抗变形的能力。回采工作面底板岩体中存在断层时，底板的采动破坏深度增大； （2）断层上下两盘的错动，缩短了煤层与底板含水层之间的距离，有时甚至使煤层与对盘含水层直接接触，使隔水层部分或全部失去隔水性能； （3）如果断层破碎带或断层影响带为充水或导水构造，更使水文地质条件复杂化，当工作面揭露到断层时将会导致底板承压水直接涌入工作面，造成突水事故。 断层的导水性与断层的力学性质、断层两盘的岩性、断层的规模以及充填胶结程度有关。正断层一般是在低围压条件下形成的，其断裂面的张裂程度较大，并且破碎带疏松多孔隙，因而透水性和富水性强；而逆断层多是在高围压条件下形成的，破碎带宽度小且致密孔隙小，因而导水性差。此外，相同力学性质的断层，当断层带两侧均为坚硬岩体时导水性好；当断层带一侧为坚硬岩体，另一侧为软弱岩体时，导水性弱；当断层带两侧均为软弱岩体时，则断层带的充填情况较好，其导水性差，甚至不导水。 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 38 2、矿山压力 采矿过程中的矿山压力，对工作面底板具有严重的破坏作用。矿压作用主要以两种方式引起煤层底板承压水的破坏，一是引起地质构造“活化” ，特别是断层的“活化” ，形成导水通道，导致底板承压水进入工作面；二是矿压引起底板破坏，损坏底板的完整性，降低底板隔水层的隔水性能，底板承压水很容易突破底板隔水层薄弱地带而进入回采工作面，从而造成底板承压水的破坏。 3、底板含水层的富水性 煤层底板的灰岩含水层发育有岩溶裂隙和溶洞，其中贮存着承压水。岩溶含水层的富水性是底板突水的物质基础，它决定着底板突水的水量大小和突水点是否能持久涌水的基本条件。当底板岩溶含水层富水性较好时，由底板造成的突水次数就多，而且突水量比较大。岩溶含水层的富水性与岩溶裂隙发育程度、径流条件、构造发育情况及埋藏深度等因素有关。 4、底板含水层的水压力 位于煤层底板下部的承压含水层，其水压力的大小决定着底板是否会发生突水。如果仅有水源，而其水压很小，在有一定厚度隔水层的条件下，一般不会发生底板突水事故，即使有少量涌水，也不会造成底板突水灾害。因此，足够的水头压力是引起突水的一个重要条件。承压水的水压力对底板隔水层的作用主要表现为压裂扩容作用和渗水软化作用。煤层底板岩溶承压水在水压力的作用下不断潜蚀、冲刷破坏上覆隔水层的结构面，降低隔水层的完整性，减弱岩体的抵抗强度，并扩大隔水层内部的裂隙，形成导水通道，造成煤层开采潜在的威胁。实践也证明，在煤层底板地质条件基本相似时，承压水压力越大，发生底板突水的可能性越大。 5、底板隔水岩层岩性及其组合特征 底板隔水层厚度越大，其抵抗水压、矿压的破坏能力越强。另外在其它条件一定的前提下，底板岩体强度越高，突水几率越小。但在评价底板隔水层的隔水性能时，不仅要考虑其强度的高低，而且还要考虑其岩性组合，不同岩性组合的抵抗水压能力是不同的。坚硬性脆的岩层，在矿山压力的作用下易产生裂隙，但不容易被水冲刷扩大。软岩层，受力后易发生塑性变形，不易形成裂隙；即使形成裂隙，因破裂结构面碎屑物较多，裂隙的透水性也较差，但裂隙易被高压水流冲刷扩大。如果隔水层由软、硬相间的岩层组成，则能相互弥补各自的缺陷，提高抗水压能力。相邻上下两岩层，硬岩层中的裂隙较易于向软岩层扩展，而软岩层中的裂隙不易于向硬岩层扩展，因此对防突水最有利的山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 39 岩性组合是：顶、底都为相对较软的岩层，中间为软硬相间的岩层。 6、工作面开采条件及开采方法 工作面的开采条件包括开采空间和采深等。在采煤方法一定的条件下，开采空间越大，工作面周围的支承压力越大，从而底板的变形及破坏程度越严重。开采空间的大小主要由工作面斜长及采厚来衡量。在实际生产中发现，在水压、隔水层厚度、岩性组合及构造条件基本一致时，工作面斜长越大越容易发生底板突水。同样，采厚和采深越大，工作面周围支承压力就越大，导致底板突水的可能性也就越大。 不同的采煤方法对工作面突水与否起着控制作用。 采用矿压显现不剧烈的采煤方法，可以减轻工作面底板的破坏程度，有利于抑制突水的发生。实践证明，采用短壁工作面开采，条带开采或充填采空区，可以避免或减少突水事故的发生。 综上所述， 造成煤层底板承压水采动破坏的因素很多， 但概括起来主要有地质构造、矿山压力、底板承压水的富水性、水压力、底板隔水层岩性及其组合特征、工作面开采条件及开采方法等 6 个方面。针对以上煤层底板承压水采动破坏的因素，因地制宜，采取相应的防治措施，就能有效地预防底板承压水突出，从而保护地下水资源。 3.3 3.3 煤炭开采对地下水煤炭开采对地下水含水层含水层破坏的破坏的数值模拟研究数值模拟研究 煤炭开采对地下含水层的破坏问题是一个应力场和渗流场相互作用问题，应该用流固耦合的方法加以解决。为了更真实的研究煤炭开采对地下水含水层的破坏机理，本文采用岩石破裂过程流固耦合分析系统 RFPA2D-Flow，以华丰煤矿 1409 工作面为例，对 4煤开采对顶底板含水层的破坏，特别是砾岩含水层的破坏过程进行数值模拟，并对采动围岩变形破坏过程中导水裂隙的发育特征和围岩渗透性的变化规律进行研究。 3.3.1 3.3.1 工作面工作面地质及水文地质地质及水文地质概况概况 1409 采煤工作面是华丰矿第一个综采放顶煤工作面，位于井田的中东部，-1100 水平一采区一区段。上为-750 水平 2408 和 1408 采煤工作面采空区，下为 1410 采煤工作面，东为煤层自然边界，西至 F56 号断层煤柱线。走向长 2100m，倾斜长 150m，面积315000m2。4 煤厚 5.96.6m，平均 6.3m，为较稳定煤层，煤层倾角 2932 ，4 煤硬度系数 f=1.52.5，视密度 1.31t/m3，单向抗压强度 10.825.5MPa。4 煤直接顶为 2.59m粉细砂岩，单向抗压强度 69.5MPa，抗拉强度 3.8MPa。基本顶总厚度为 78m，其中第一山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 40 分层 22m，为中细和中粗砂岩，第二分层 56m，为中细砂岩。基本顶之上为 70m 泥岩和红土层，红土层之上为厚 500m 以上的坚硬砂砾岩。4 煤底板为 1.304.40m 的粉砂岩、抗压强度平均 50.4MPa。 本面于 2003 年 10 月份投产，2006 年 10 月份结束，历时 37 个月。 4 煤开采的充水含水层主要有 4 煤顶、底板砂岩含水层和古近系砾岩含水层： （1）4 煤顶、底板砂岩含水层 4 煤顶、底板岩性主要以砂岩、粉砂岩为主，夹煤层及粘土岩。其中中细砂岩 45 层，总厚一般在 55m 左右，单层厚度 2.5028.20m。主要有三层即：1 煤老顶中细砂岩，厚 4.1024.20m，一般 10m 左右；4 煤老顶中细砂岩，厚 5.827.30m，一般 20m 左右，并被一层粉砂岩分为上、下两部分；山西组底部分界砂岩，一般厚 20m 左右，下距太原组 6 煤 10.0220.72m。这三层砂岩呈厚层状，岩性为灰白灰色中细粒(有时夹粗粒)长石石英砂岩，钙质至泥质胶结，是开采 4、6 煤层的直接充水含水层。根据井下出水资料测定 q 最大为 0.018L/sm，属弱富水性含水层。 （2）古近系砾岩含水层 根据岩性、钻孔漏水资料和井下突水分析，古近系砾岩自上而下可划分为三个水文地质特征不同的层段： 第 1 层段，为古近系的上段，垂深 100m 以内，为裂隙岩溶潜水段。该段主要由石灰质砾岩组成，含有少量的粘土岩，裂隙和岩溶十分发育，富水性和导水性均很好，q3.01L/sm，为强含水层段。 第 2 层段，为古近系的中段，垂深 100300m，为岩溶裂隙半承压水段。该层段主要由粘土岩和石灰质砾岩互层组成。根据钻孔资料分析，该层段的发育有裂隙和岩溶，因此该层段含水性较好，但导水性不强，q=0.081.01L/sm，为弱到中等含水层段。 第 3 层段，为古近系的下段，垂深 300m 以下，为裂隙承压水段。岩性仍以砾岩为主，下部以粘土岩为主。本段砾岩一般无溶蚀现象，总体含水较弱，q=0.00006L/sm，为弱含水层段。但底部的局部部位，砾岩裂隙发育，富水性相对较强。 3.3.2 3.3.2 数值数值模模型的型的建立建立 3.3.2.1 几何模型和网格划分 因工作面的斜长远小于煤层的走向，因此可以作为平面应变问题来处理。根据华丰煤矿 1409 工作面的具体地质情况， 在对现场情况进行简化和抽象的基础上， 建立走向方向的 RFPA 平面应变模型，如图 3.16 所示。模型的走向长度为 400m，高度为 300m，网山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 41 格划分为 200 150，共 30000 个单元。模拟 4 煤层厚度为 6m，平均埋深为 900m 左右，模型中煤层上方岩层厚度为 218m，底板岩层厚度为 76m，模型共计 22 层。 图 3.16 数值模拟模型示意图 Fig.3.16 The sketch map of numerical simulation model 3.3.2.2 参数的选取 岩石是一种脆性材料，当荷载达到屈服强度后将发生破坏、弱化，应属于弹塑性体。本计算模型采用理想弹塑性模型，破坏准则采用摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则。计算模型中各岩层物理力学参数和渗流参数来源于现场地质钻孔资料、岩石力学试验结果和抽水试验等，各岩层具体的参数如表 3.2 所示。 3.3.2.3 模型边界条件 模型两侧边界施加水平约束，可垂直移动；底部边界施加水平和垂直约束；模型的上部边界受上覆岩层地应力，按上覆岩层（厚 700m）的自重施加均匀的垂直方向的荷载（P=H= 26.9KN/m3 700m=18.83MPa） ；模型渗流边界设定为两端定水头为 300m，顶底面为隔水边界。 3.3.2.4 模拟开挖方案 本模型采用分步开挖，通过分步开挖来模拟 4 煤开采对顶底板含水层，特别是砾岩含水层的影响：其中第一步为自重计算过程，第二步开始开挖，每次开挖的步距为 10m，一共开挖 150m。 砾岩 4 煤 砾岩 覆岩荷载 H 隔水边界 隔水边界 开挖步距 10m，共 15 步 定水头边界 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 42 表 3.2 工作面顶底板岩层力学和渗流参数表 Table3.2 The mechanical and seepage parameters of working face roof and floor strata 编号 岩层名称 厚度(m) 累计深度 (m) 弹性模量 E (GPa) 抗压强度 f (MPa) 内摩擦角 ( ) 泊松比 容重 (KN/m3) 渗透系数 K (m/d) 孔压力系数 备注 覆盖层 表土 4 4 10.0 4.5 30 0.25 20.0 50 1 砾岩(夹泥岩) 696 700 49.2 106.4 34 0.15 26.9 0.23 0.8 1 砾岩 40 740 49.2 106.4 34 0.15 26.9 0.23 0.8 含水层 2 粘土岩 20 760 12.1 33.7 32 0.29 24.5 0.0001 0.01 3 砾岩 22 782 49.2 106.4 34 0.15 26.9 0.23 0.8 含水层 4 粉砂岩、粘土岩 40 822 13.4 35.0 33 0.28 25.5 0.0001 0.01 5 粗砂岩 10 832 36.0 93.0 39 0.16 26.6 0.1 0.6 含水层 6 粘土岩 12 844 12.1 33.7 32 0.29 24.5 0.0001 0.01 7 粉砂岩 14 858 26.0 72.3 38 0.23 26.0 0.0001 0.01 8 中细砂岩 12 870 35.0 85.9 37 0.20 26.2 0.05 0.5 含水层 9 粘土岩 2 872 12.1 25.4 32 0.30 24.5 0.0001 0.01 10 1 煤 2 874 6.3 22.3 28 0.30 13.1 0.0001 0.01 11 粉砂岩 6 880 28.0 52.3 33 0.16 26.0 0.0001 0.01 12 中细砂岩 14 894 35.0 85.9 37 0.19 26.2 0.05 0.5 含水层 13 粉砂岩 6 900 26.0 52.3 35 0.16 26.1 0.0001 0.01 14 中细砂岩 14 914 33.0 85.9 37 0.19 26.2 0.05 0.5 含水层 15 粉砂岩 4 918 24.0 69.5 38 0.22 26.4 0.0001 0.01 16 4 煤 6 924 6.3 25.5 28 0.30 13.1 0.0001 0.01 17 粉砂岩 6 930 29.0 50.4 39 0.23 26.3 0.0001 0.01 18 中细砂岩 22 952 33.0 77.6 37 0.20 26.2 0.05 0.5 含水层 19 粉细砂岩 18 970 26.0 50.5 36 0.16 26.1 0.0001 0.01 20 粉砂岩 4 974 27.0 26.2 38 0.20 26.3 0.0001 0.01 21 6 煤 2 976 5.3 21.6 28 0.30 12.8 0.0001 0.01 22 粉砂岩 24 1000 30.0 48.6 38 0.18 26.1 0.0001 0.01 3.3.3 3.3.3 数值模拟数值模拟结果分析结果分析 图 3.17 和图 3.18 是由 RFPA2D-Flow 软件模拟得到的华丰煤矿 1409 工作面不同推进距离岩层破坏的弹性模量分布图和剪应力分布图，图中单元格的亮度代表数值的大小，数值越大，颜色越亮，数值越小，颜色越暗。图 3.19 是模拟得到的工作面不同推进距离含水层破坏的渗流矢量图。4 煤开采对顶底板含水层特别是砾岩含水层的破坏影响过程分析如下： 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 43 图 3.17 工作面不同推进距离岩层破坏的弹性模量分布图 Fig.3.17 The elasticity modulus map of rock damage when working face is in different advancing distance (a) 推进推进 10m (c) 推进推进 50m (e) 推进推进 90m (g) 推进推进 130m (b) 推进推进 30m (d) 推进推进 70m (f) 推进推进 110m (h) 推进推进 150m 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 44 图 3.18 工作面不同推进距离岩层破坏的剪应力分布图 Fig.3.18 The shear stress map of rock damage when working face is in different advancing distance (a) 推进推进 10m (c) 推进推进 50m (e) 推进推进 90m (g) 推进推进 130m (b) 推进推进 30m (d) 推进推进 70m (f) 推进推进 110m (h) 推进推进 150m 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 45 (a) (b) (c) (d) 图 3.19 工作面不同推进距离含水层破坏的渗流矢量图 Fig.3.19 The seepage curve map of aquifer damage when working face is in different advancing distance 1、随着回采工作面推进到 10m 时（图 3.17a、3.18a） ，顶板没有压力显现。当工作面推进到 30m 时（图 3.17b、3.18b） ，在开切眼和前方支撑煤壁处出现应力集中，顶板有零星的碎屑脱落，在直接顶上方开始出现离层，并在中部产生拉开裂隙。裂隙向上延伸至 4 煤老顶中细砂岩下部，砂岩水受采动影响改变原始径流方向，沿导水裂隙流入采空区 （图 3.19a） 。 这一模拟结果与 1409 工作面现场矿压观测基本吻合。 1409 工作面从 2003年 11 月 4 日开始推采，至 11 月 19 日上头推采到 25m 时，工作面直接顶开始跨落，顶板出现轻微的淋水。 2、当煤层开采至 50m 时（图 3.17c、3.18c） ，矿山压力显现较明显，直接顶离层裂隙和垂向裂隙继续扩展，4 煤老顶中细砂岩含水层受采动影响比较大，导水裂隙发育；顶板脱落显著，以至于成小块状冒落。这说明，工作面推进 50m 左右时，顶板开始出现初次来压，初次来压的显现为较大面积的直接顶冒落。这一模拟结果同实际情况也是基本相吻合。1409 工作面 12 月 1 日上平巷推采 45m 时，工作面下平巷下邦出现淋水，水 推进 30m 推进 70m 推进 90m 推进 150m 山东科技大学硕士学位论文 煤炭开采对地下水含水层的破坏机理研究 46 量 9.0m3/h。12 月 5 日中班，上头推采 51m 时，工作面经历直接顶初次来压。下平巷淋水增大至 18m3/h，此时下平巷总水量 66.0m3/h。 3、初次来压后，一直推进到至 70m 时（图 3.17d、3.18d） ，矿山压力显现明显，不仅顶板导水裂缝带继续向上扩展，4 煤顶板砂岩涌水量明显增大，而且底板破坏深度也有所加大，沟通了 4 煤底板中细砂岩含水层，使其中的砂岩水涌入采空区（图 3.19b） 。实际情况是 12 月 15 日早班，当工作面上平巷推采 75m 时，工作面 6568 架支架处压力增大，煤壁发生片帮，下平巷老空侧淋水明显增大，下平巷总水量达 192.0m3/h；12月 16 日夜班 1 时下平巷总水量增大至 270.0m3/h， 12 月 26 日水量减小至 138.0m3/h 左右。同时工作面下平巷中间上帮在底板有两个出水点，水量约 0.6m3/h，工作面切眼下口上60m 在底板也有一个出水点，水量约 0.6m3/h，工作面回采期间一直流淌不停。 4、随着采场继续推进到 90m 时（图 3.17e、3.18e） ，直接顶继续断裂、垮落，呈现第一次周期性来压，顶板导水裂缝带已发育至 1 煤底板，4 煤老顶中细砂岩含水层已全部受到采动影响，砂岩涌水量继续增大（图 3.19c） 。实际情况是 12 月 27 日当工作面上头推采 95m，下头推采 75m 时，工作面周期来压，涌水量增至 252.0m3/h 左右。 5、当工作面回采至 110m 时（图 3.17f、3.18f） ，老顶第一岩梁离层，端部拉开沉降，老顶第一岩梁初次垮落，呈现第二次周期来压。第二岩梁上方出现离层。继续推进时，直接顶继续周期来压，断裂下沉。第三岩梁上方也出现离层迹象，并且端部出现拉开裂纹。此时采空区上方裂隙较为发育，导水裂缝带高度已达 70m 左右，1 煤老顶中细砂岩含水层开始受到采动影响。 6、当采至 130m 时（图 3.17g、3.18g） ，老顶第三岩梁开始断裂垮落，出现第三次周期来压，与此同时在工作面的下方出现明显的斑裂纹，该斑裂纹逐渐沿着 63 68 的方向向右上方扩展。导水裂缝带和斑裂纹共同作用使 1 煤老顶中细砂岩含水层和粗砂岩含水层中的地下水开始向采空区汇流。 7、当工作面推进到 150m 时（图 3.17f、3.18f） ，工作面下方斑裂纹向上扩展明显，工作面上方岩梁断裂与跨落加剧，出现第四次周期来压。导水裂缝带和斑裂纹开始导通上方巨厚砾岩含水层。古近系砾岩水开始沿导水裂隙涌入采空区（图 3.19d） 。实际情况是 2004 年 1 月 25 日，当工作面上平巷推采过切眼 155m 时，工作面周期来压，水量增大至 270.0m3/h，此时工作面下平巷老空内出现较大淋水，2 月 3 日夜班水量增大至378.0m3/h，2 月 8 日水量增大至 492.0m3/h。 山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 47 4 4 华丰煤矿华丰煤矿煤炭煤炭开采开采对对地下地下水资源水资源和环境的和环境的影响影响分析分析 地下水资源是处在不断的运动、发展与交替过程中，虽然可以从大气降水和地表水入渗等途径得到补给，但煤矿开采扰动及违背客观规律的矿井疏排水，破坏了地下水补径排平衡，不但使地下水资源量得不到恢复，而且地下水环境也会遭到破坏。一旦地下水资源和环境被破坏，即使消除了破坏源，水质水量也难以在短期内恢复。 煤炭开采对地下水的影响可以用以下问题链来表示：煤炭开采采动裂隙生成扩展地下水渗流场变化、地下水资源流失地下水位下降，水质受到污染矿井水疏干排放地下水位再下降，降落漏斗区扩大水资源再流失生态环境问题。 4.1 4.1 矿井排（涌）水和供水分析矿井排（涌）水和供水分析 4.1.1 4.1.1 矿井矿井排（涌）排（涌）水分析水分析 建矿 50 多年来，华丰煤矿先后投产了五个生产水平，随着开采水平的延深、揭露含水层的增多， 矿井涌水量由1962年的177.6 m3/h逐渐增加到目前的800 m3/h左右。 19982008 年间矿井涌水量及其构成比例详见表 4.1。从表 2.4 中可以看出，除 2004 年出现最大涌水量 1014 m3/h 外，随开采水平的延深，矿井总涌水量总体维持在 650850 m3/h 之间，变化幅度在 200 m3/h 左右，并且总体呈现减少的趋势（图 4.1） 。 0200400600800100012001998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008涌水量m3/h砾岩水徐灰水奥灰水老空水总涌水量 图 4.1 华丰煤矿矿井涌水量历时曲线图 Fig.4.1 The diachronic curves of mine water discharge in Huafeng coalmine 由表 4.1 可看出，1998 年至 2008 年间矿井平均涌水量为 787.2m3/h，其中砾岩水平均 385.8m3/h，占 48.5%；徐灰水平均 131.8m3/h，占 17.0%；奥灰水平均 88.0m3/h，占山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 48 11.5%；老空水平均 177.7m3/h，占 22.6%。 表 4.1 华丰煤矿 19982008 年矿井涌水量统计分析表 Table 4.1 The statistic table of 19982008 years mine water discharge in Huafeng coalmine 单位：m3/h 年 份 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 平均 总涌水量 682.2 701.4 783.6 807.6 825.6 744.0 1014.0 804.0 798.0 850.2 648.6 787.2 按水平分析 -90 水平 147.6 142.2 107.4 100.2 70.8 78.0 66.0 78.0 66.0 67.2 52.8 88.7 -210 水平 70.8 80.4 71.4 98.4 75.0 96.0 144.0 150.0 142.2 145.2 96.0 106.3 -270 水平 28.2 18.6 11.4 6.0 1.8 0 0 0 8.3 -450 水平 237.0 291.6 341.4 270.6 223.8 162.0 174.0 120.0 128.4 128.4 115.2 199.3 -750 水平 201.0 168.6 252.0 332.4 454.2 402.0 108.0 72.0 100.2 156.0 81.0 211.6 -840 水平 492.0 348.0 176.4 46.8 24.0 217.4 -920 水平 24.0 36.0 184.8 280.2 236.4 152.3 -1010 水平 12.0 9.0 10.5 -1100 水平 14.4 13.2 13.8 按水源分析 砾岩水 小计 217.2 223.8 366.0 397.2 417.0 390.0 594.0 408 430.2 467.4 333 385.8 比例% 31.8 31.9 46.7 49.2 50.51 54.2 58.0 50.9 53.9 54.99 51.34 48.5 徐灰水 小计 213.0 177.6 177.6 106.2 114.0 114.0 114.0 144.0 111.6 97.2 81.0 131.8 比例% 31.2 25.3 22.7 13.2 13.8 15.3 11.2 18.1 14.0 11.43 11.25 17.0 奥灰水 小计 150.0 142.2 107.4 99.6 72.0 72.0 72.0 78.0 64.8 63.6 46.8 88.0 比例% 22.0 20.3 13.7 12.3 8.7 9.6 7.1 9.7 8.1 7.48 7.21 11.5 老空水 小计 102.0 157.8 132.6 177.0 214.2 162 234 174 191.4 222 187.8 177.7 比例% 15.0 22.5 16.9 21.9 25.9 21.7 23.7 21.2 24.0 26.1 30.2 22.6 从矿井涌水量历时曲线图可以看出，1998 年以来，矿井总涌水量呈波状起伏，砾岩水涌水量稳中有升，徐灰水和奥灰水涌水量总体趋于降低，老空水稳定。同时由表 4.1可见，砾岩水的比例在逐年增大，徐灰水和奥灰水的比例在逐年下降。之所以涌水量出现如此变化，是与煤矿的开采布局有关。近年来华丰煤矿以开采上组煤为主，下组煤开采有所减小，因而导致矿井涌水量中，砾岩水量有所增大，而徐、奥灰水量有所下降。 由表 4.1 可以看出华丰煤矿在开采-90 水平时平均涌水量为 88.7m3/h， 开采-210 水平时平均涌水量为 106.3m3/h，开采-450 水平时平均涌水量为 199.3m3/h，开采-750 水平时平均涌水量为 211.6m3/h，开采-840 水平时平均涌水量为 217.4m3/h。图 4.2 是华丰煤矿各开采水平平均涌水量变化趋势，从中可以看出，随着开采深度的增加，矿井涌水量呈增加的趋势，但到达一定深度后，矿井涌水量增加不大且趋于稳定，或者还会逐步减小。究其原因：岩层埋藏越深，地下水补给条件越困难，即使补给条件好，地下水处于滞缓流动状态；另外深部岩层节理裂隙岩溶发育程度较差，岩层储存地下水的能力也变差，但在构造带可能例外55。 山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 49 0.050.0100.0150.0200.0250.0-1000-800-600-400-2000开采水平涌水量m3/h 图 4.2 华丰煤矿矿井涌水量与采深相关曲线图 Fig.4.2 The related curve of mine discharge and mining depth in Huafeng coalmine 4 4. .1.1.2 2 矿山供水分析矿山供水分析 现华丰煤矿矿区饮用水水源地有两处，分别是中心井和新井水源地。供水含水层为奥陶系灰岩含水层，浅部大面积出露于地表，广泛接受大气降水和地表水的补给，洞穴、裂隙普遍发育，含水丰富。 （1）中心井水源地：位于华丰煤矿宿舍区中心，单身公寓以南 30 米处，主要供宿舍区生活用水， 于1981年10月建成使用。 该水源地水源井孔深250米， 其中孔径273mm孔段 80 米，孔径 150mm 孔段 170 米，安装一台 200QJ80-99/9 型水泵，供水量 80m3/h。 （2）新井水源地：位于华丰煤矿俱乐部职工花园以东 20 米处，于 1995 年 9 月建成使用，有水井一眼，安装一台 200QJ80-99/9 型水泵，供水量 80m3/h，主要供宿舍区生活用水，该水源井孔深 170 米，其中孔径 273mm 孔段 94 米，孔径 219mm 孔段 76 米，2008 年实测静水位埋深 34 米，动水位埋深 52 米。 两水源地每天供水能力 2000m3。能够满足供水要求，供水可靠，有富余能力。存在的问题是，宿舍区生活用水水质硬度较大，大肠菌群超标，说明水质可能受到人类粪便等污染物的污染（附水质化验报告泰水监字2003第 021-2 号）。生活区井水除大肠菌群超标外，其余各项指标均符合国家生活饮用水水质标准。 4.4.2 2 煤炭开采煤炭开采对地下水对地下水资源资源的影响的影响分析分析 4.4.2 2. .1 1 煤炭开采煤炭开采对地下水位、水量的影响对地下水位、水量的影响 煤炭资源和地下水有共、伴生的紧密关系，但采煤须进行矿坑排水，使得采煤与地下水具有不相容性，煤炭开采不可避免地要影响和破坏地下水资源。煤炭开采对地下水资源的损耗主要存在于两个阶段：开采前的为保障开采安全所进行的预先人工矿井排水山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 50 和开采过程中受采动影响的上覆含水层的自然疏干。矿井长年累月大量疏排地下水，破坏了地下水的天然平衡状态，造成地下水流场的改变，形成以采空区为中心的地下水降落漏斗（图 4.3） ，当矿井排水量接近或小于补给量时，水位降落漏斗只随季节性气候变化而呈周期性变化，漏斗中心水位基本保持不变或时有回升；当矿井排水量大于地下水补给量时，地下水水位就持续下降，有时在丰水年份也回升甚小。 /开采后地下水降落漏斗开采前直接充水含水层地下水位 图 4.3 煤炭开采对地下水位的影响示意图 Fig.4.3 Sketch map of the influence of coal mining to groundwater level 另外， 在矿井突水点或主要涌水点附近， 地下水水位下降比较大。 比如华丰煤矿 1409工作面出水期间， 地面水位观测孔水位变化情况见图 4.4， 其中 1 号观测孔水位最大降深达 99.7m。 -40-2002040608010011.212.212.212.312.31.051.111.191.241.032.032.082.122.182.283.083.153.214.135.085.1867-4#81-4#1#2#4# 图4.4 1409工作面出水期间观测孔水位历时曲线图 Fig.4.4 The diachronic curves of observation drill holes water level in period of 1409 working faces water-inrush 随着煤矿开采范围的不断扩大， 矿坑长期疏干排水， 地下水降落漏斗范围不断扩大，区域地下水位持续下降，特别是枯水季节，造成矿区及周边地区浅层地下水资源枯竭，水井干涸，取水工程报废，不仅直接影响矿区及其周围人民的生活和生产，而且改变生态平衡，恶化生态环境，遗害深远。华丰煤矿的长期疏干排水就造成矿区周围小河西村和南良父村 3 口饮水井干枯无水。 山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 51 4.4.2 2. .2 2 华丰煤矿华丰煤矿煤炭开采对煤炭开采对主要主要含水层含水层地下水地下水的影响的影响 华丰煤矿与煤层开采有关的主要含水层有古近系砾岩含水层，山西组 4 煤顶、底板砂岩含水层，太原组的薄层灰岩含水层及本溪组的徐家庄灰岩含水层，奥陶系灰岩含水层。在井田浅部，各含水层埋藏深度较小，补给径流条件较好，富水性较好；在井田的深部，各含水层埋藏深、径流补给循环条件较差，富水性除砾岩、徐灰、奥灰为弱至中等外，其它含水层均较弱。各含水层富水性见表 4.2。 表 4.2 华丰煤矿各含水层富水性等级划分 Table 4.2 Grade division of Huafeng coalmines aquifer abundance 含水层名称 单位涌水量 q(L/sm) 富水性等级 古近系砾岩 0.092 弱至中等富水性 4 煤顶板砂岩 0.018 弱富水性 一灰 -210m 以下基本无水 弱富水性 二灰 -210m 以下基本无水 弱富水性 四灰 0.027 弱富水性 徐灰 浅部 0.710.79 浅部中等富水性 奥灰 浅部 6.572 浅部极强富水性 华丰煤矿 19982008 年矿井平均涌水量为 787.2 m3/h，平均每年排水约 550 万 t。矿井水的组成主要为古近系砾岩水、老空水、徐灰水和奥灰水。 4.2.2.1 对煤系地层地下水的影响 煤炭开采对地下水影响比较大的就是煤系地层中的含水层。华丰井田煤系地层含水层主要有山西组 4 煤顶、底板砂岩含水层和太原组薄层灰岩含水层（一、二、四灰） ，它们都是煤层开采的直接充水含水层。它们分别位于各煤层的顶底板或间接顶底板，煤层开采形成的导水裂隙一般都能波及到它们，致使其中的地下水泄入矿井，因而矿井排水首先就是排放掉这些含水层中的地下水。不过据井下实际揭露资料，4 煤顶、底板砂岩一般不含水或含水微弱， 多以淋水形式出现， 水量一般在 6.030.0 m3/h， 最大 48.6 m3/h，并且均很快疏干。太原组薄层灰岩正常情况下基本无水，仅在构造破碎带附近或剥蚀面附近（接受砾岩水补给）受采动影响有少量淋水或涌水。可见这些含水层富水性弱且不均匀，因而在当地不作为供水水源含水层，不具有供水意义。因此，矿井排水只是减少了其静储量，降低了其地下水位，并不会对区域地下水资源造成大的影响。 4.2.2.2 对古近系砾岩水的影响 华丰煤矿砾岩含水层直接覆盖于煤系地层之上，在浅部直接与煤层接触，深部与上山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 52 组煤间距相对较小。上组煤（4、6 煤）开采时对古近系砾岩水的影响比较大，特别是 4煤的开采。4 煤采高比较大，平均厚度为 5.22m，顶板以中细粒长石石英砂岩为主夹薄层泥岩，根据 68-3 孔 4 煤顶板砂岩强度测试资料，其抗压强度在 50MPa 以上，根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 ，坚硬顶板煤层的导水裂缝带（HL）最大高度计算公式为： 9 . 80 . 22 . 11 0 0LMMH （4.1） 其中，M累计采厚。 4 煤厚度按 5.22m 计算，得 4 煤开采后的导水裂缝带最大高度为 72.07m。 6 煤顶板以粉细砂岩为主，属中硬岩层，采用下面公式计算导水裂缝带高度： 6 . 56 . 36 . 11 0 0LMMH （4.2） 6 煤平均厚度 1.10m，带入计算得 6 煤开采后的导水裂缝带最大高度为 26.12m。以3601 面突水点为例，6 煤上距砾岩仅 18m，采动导水裂缝带进入砾岩层，导致砾岩水沿导水裂隙涌入矿井，造成砾岩水的破坏。 可见，在浅部开采时，上组煤层距离砾岩含水层较近，开采后的导水裂缝带直接或间接地波及到砾岩含水层，这是砾岩水遭到破坏的主要原因。在华丰井田深部，砾岩至4 煤间距平均 145.71m，中间隔着古近系红砂岩、石盒子组粘土岩等隔水层，在正常情况下，导水裂缝带波及不到砾岩，煤层开采对砾岩水影响不大，主要以淋水形式泄入矿井。但在剥蚀面或断层附近等隔水层薄弱点和风化裂隙、构造裂隙发育部位以及封闭不良钻孔附近则可能发生砾岩水下泄进入工作面。 据统计华丰煤矿自 70 年代以来， 井下已发生的直接或间接与砾岩水有关的突水事故已达 20 余起。 其中突水量大于 420m3/h 的有 3 次， 60420m3/h 的有 7 次， 30.060.0m3/h的有 4 次。突水多发生在 4 煤二、三、四采区和 6 煤三采区。 19982008 年间矿井平均涌水量中砾岩水为 385.8m3/h， 占 48.5%。 特别是随着水平的延深， 上组煤开采强度的增大， 矿井水中砾岩水的比例日渐增大。 如 2006 年 10 月-750水平以下涌水量共 432.0m3/h，其中砾岩水为 411.0m3/h，占 95.14%。由此可见煤矿开采对砾岩水造成了严重的影响， 但砾岩水补给来源较多， 主要有地表故城河、 地下径流 （潜水）及部分露头大气降水，因此，在目前矿井排水条件下矿区古近系砾岩水不会形成不规模和大降深的地下水降落漏斗。但是砾岩含水层底部的含水层段由于接受上部含水层山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 53 的径流补给微弱，该带受采动影响水位已有大幅度下降，目前水位在-450m 左右。 4.2.2.3 对徐灰水和奥灰水的影响 徐灰位于煤系底部，厚度 818m，浅部的徐灰含水性较强，至深部则逐渐变弱，为开采下组煤的直接充水含水层。奥灰为煤系基底，总厚在 800m 以上，由于浅部大面积出露于地表，广泛接受大气降水和地表水的补给，洞穴、裂隙普遍发育，含水丰富，为开采下组煤的间接充水含水层。徐灰和奥灰含水层均为岩溶裂隙承压含水层，且原始水位较高、水头压力大。同时由于华丰煤矿开采深度较大、16 煤至徐、奥灰间的隔水层厚度小（与徐灰的间距只有 9.7222.74m，与奥灰的间距也只有 46.175.6m） ，开采下组煤时存在底鼓水的威胁。特别是奥灰，在隔水层薄弱地带或断裂构造附近，奥灰水有可能突破底板隔水层，通过徐灰造成徐奥灰联合突水，或作为徐灰等含水层的补给水源以底鼓水形式泄入矿井。 华丰煤矿在生产过程中总计发生 4 次较大规模的底板徐、奥灰突水事故，即奥 1、奥 2、徐 2 突水以及发生于 1960 年 6 月 1 日的徐 1 突水点。徐、奥灰突水特点一般是短时间大量涌水且影响范围较大，浅部水平由于突水点离砾岩近，甚至能导致砾岩水井干涸，以及引起奥灰水井水位下降。 19982008 年间矿井涌水量中徐灰水为 131.8m3/h，占 17.0%；奥灰水为 88.0m3/h，占 11.5%。长期的疏水降压开采已使得徐灰水位从原始的+119.63m 降至目前的-300-450m。可见煤矿开采对徐灰水的影响比较大。由于区域内岩溶地下水可开采量为 2195万 m3，奥灰含水丰富且补给通畅，而矿山生产、生活用水量相对较小，因而煤炭开采对奥灰水影响不大，奥灰水不会形成大规模的地下水降落漏斗。 4.4.3 3 煤炭开采对地下煤炭开采对地下水水环境环境的影响的影响分析分析和评和评价价 4.4.3 3. .1 1 煤炭煤炭开采开采活动活动对地下水对地下水环境环境的的影响分析影响分析 地下煤炭开采及煤矿地面生产活动对地下水环境的影响主要表现在以下几个方面： 4.3.1.1 采动使优质的地下水转化为矿坑废污水 煤炭的开采使围岩产生变形和移动， 并在采空区顶底板岩层中产生大量的导水裂隙，采动导水裂隙波及到的层位的含（隔）水层结构遭到破坏，使其全部或部分丧失储水功能，含水层中的地下水便漏（涌）入矿井，转化为矿坑水，呈现与矿坑水相同的水质特征，从而使水质优良的地下水变成了矿坑废污水，再人为排出地面，降低了优质地下水资源的使用价值。 山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 54 4.3.1.2 采煤沉陷作用对地下水环境的影响 采煤沉陷作用使下沉后的地表面位于地下水位以下，使第四系潜水含水层中的地下水变成了地表水的存在形式，失去了地质条件的保护作用，裸露于地表，可遭受来自各方面的污染（图 4.5） 。塌陷积水坑中的水遭受污染后再补给含水层中的地下水，最终也可致使含水层中地下水被污染56。 目前华丰煤矿采煤沉陷区总面积约 1.57km2，占矿区总面积的 9%。有两处季节性积水区域，一是矿区东部南良父村西部靠近故城河约有 0.05km2的季节性积水区域，二是南良父老村南部，小河西村东北部，故城河两岸，丰水期约有 0.09km2呈季节性积水。 /潜水含水层沉陷后的地表面原地表面地下水位积水坑/ 图 4.5 采煤沉陷作用示意图 Fig.4.5 Sketch map of subsidence effect by coal mining 4.3.1.3 矿井水排放对地下水环境的影响 矿井水通常是指煤炭开采过程中所有渗入井下采掘空间的水， 主要包括地表渗透水、地下含水层的疏放水以及井下生产防尘、灌浆、充填污水等。矿井水不仅混入了大量煤尘、可溶性无机盐和有害元素，而且受到井下腐烂坑木、机械油脂和井下粪便等严重的污染。这种未经处理或未达标排放的矿井水排入矿区附近地表水体，直接造成地表水体的污染，地表水又下渗补给浅层地下水，因而也会造成地下水的污染。 华丰煤矿是大水矿井，矿井年涌水量都在 550 万 t 左右，过去除部分矿井水用作井下防尘之外，其余全部外排。目前矿井水回用率已大大提高，剩余矿井水经沉淀、除污等处理措施后后排入故城河，废水排放量为 154 万 t/a。矿井水经取样化验，表现为氯化物和总硬度超标，因此矿井水的排放对地表水和浅层地下水环境造成了一定的影响。 4.3.1.4 煤矸石、粉煤灰等固体废物的堆积对地下水环境的影响 由于煤矸石和粉煤灰的长期露天堆放，经日晒雨淋，其含有的有毒有害成分如可溶性硫化物、碳酸盐类混合物以及汞、镉、铅、砷和氟等微量元素进入淋溶液，形成地面径流，污染地表水体；向地下渗透，导致土壤的重金属污染，并迁移至浅层地下水中，污染浅层地下水资源（图 4.6） 。 华丰煤矿目前有煤矸石堆积场一处（图 4.6） ，位于工业广场的东北角，由于矿山开采历史较长，煤矸石堆积量较大，占地面积 12.67 万 m2，堆积高度约 210m，截至 2007山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 55 年底累计堆放量约 597.96 万吨，其对浅层地下水资源的污染是不容忽视的。 地下水位包气带含水层矸石山降水地下水流向 图 4.6 煤矸石淋溶液下渗污染地下水示意图 Fig.4.6 Sketch map of coal gangue leachate infiltration contaminated groundwater 4.3.1.5 洗选煤废水对地下水环境的影响 洗选煤是一种对原煤进行洁净处理的工艺过程。洗选煤废水中含有大量的煤及泥沙以及各类浮选剂，有时含有溶解性有毒物质，如铜、铁、锌、铝等重金属离子。当洗选煤废水不经处理而排放后，渗入土壤及地下水中，也会造成地下水体的污染。 4.4.3 3.2 .2 矿区地下水质量现状评价矿区地下水质量现状评价 4.3.2.1 评价因子与评价标准 根据煤矿区地下水特点，选择色度、pH 值、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐及氨氮、铁等 10 项作为评价因子。评价标准采用国家地下水质量标准 （GB/T14848-93） ，以类水（适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水）质量标准作为依据，上述 10 项评价因子的分类指标见表 4.3。 4.3.2.2 评价方法 采用地下水质量标准中所规定的地下水质量综合评价法57： 首先进行各单项组分评价，按标准所列分类指标，划分组分所属质量类别。 对各类别按下表（表 4.4）规定分别确定单项组分评价分值 Fi。 按下列公式计算综合评价分值 F 2/2max2）（FFF (4.3) niiFnF11 (4.4) 式中：F-各单项组分评分值 Fi的平均值；Fmax-单项组分评分值 Fi中的最大值，n-项数。 根据 F 值，按表 4.5 划分地下水质量级别（细菌学指标除外） 。 山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 56 表 4.3 地下水质量分类指标 Table 4.3 Classification index of groundwater quality 单位：mg/L 项目 类 类 类 类 类 色度 5 5 15 25 25 pH 6.5-8.5 5.5-6.5,8.5-9 5.5,9 总硬度 150 300 450 550 550 溶解性总固体 300 500 1000 2000 2000 硫酸盐 SO42- 50 150 250 350 350 氯化物 Cl- 50 150 250 350 350 硝酸盐 NO3- （以 N 计） 2.0 5.0 20 30 30 亚硝酸盐 NO2- （以 N 计） 0.001 0.01 0.02 0.1 0.1 氨氮 NH4+ 0.02 0.02 0.2 0.5 0.5 铁 Fe3+ 0.1 0.2 0.3 1.5 1.5 表 4.4 地下水质量评价单项组分评分标准 Table 4.4 Marking standard of single component in groundwater quality assessment 类别 Fi 0 1 3 6 10 表 4.5 地下水质量分级表 Table 4.5 Table of groundwater quality grading 级别 优良 良好 较好 较差 极差 F F0.80 0.80F2.50 2.50F4.25 4.25F7.20 F7.20 4.3.2.3 评价结果 本次选取了华丰矿区内古近系砾岩水、矿井水、生活饮用水（奥灰水）水样共 3 件（见表 4.6） 。采用上述地下水综合评价方法进行评价，评价结果见表 4.7。古近系砾岩水及矿井水为 V 类水，均属极差水，奥灰水为类水，水质良好。 根据地下水质量标准 （GB/T 14848-93） ，以类水（生活饮用水）质量标准作为依据，古近系砾岩水超标项目为：总硬度为 2163.89mg/L，超标 3.8 倍；SO42-浓度为615.75mg/L，超标 1.5 倍；Cl-浓度为 4817.8mg/L，超标 18.3 倍；NO2-浓度为 0.72mg/L，超标 35 倍；NH4+浓度为 1.6mg/L，超标 7 倍。 矿井水超标项目为：总硬度为 2150mg/L，超标 3.8 倍；SO42-浓度为 480.88 mg/L，超标 0.9 倍；Cl-浓度为 4699mg/L，超标 17.8 倍；矿井水经矿井水处理站处理后的排放仍然表现为氯化物及总硬度超标，对浅层地下水环境影响较大。 山东科技大学硕士学位论文 华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响分析 57 生活饮用水取自奥陶系灰岩含水层，经过化验，满足地下水质量标准 （GB/T 14848-93）中类水(生活饮用水)质量标准，没有超标项目。 表 4.6 地下水水质化验成果表 Table 4.6 Table of groundwater quality testing result 样品编号 分析指标 S1 S2 S3 pH 7.5 7.29 7.31 总硬度 2163.89 2150 432.1 溶解性总固体 147.93 189 597 色度 5 5 5 SO42- 615.75 480.88 119.1 Cl- 4817.8 4699 74.4 NO3- 0.09 14.46 15.1 NO2- 0.72 0.002 0.002 Fe3+ 0.1 0.04 0.25 NH4+ 1.6 0.04 0.04 备注 砾岩水 矿井水 奥灰水 表 4.7 地下水质量评价结果 Table 4.7 Results of groundwater quality assessment 样品编号 S1 S2 S3 F 值 7.91 7.45 2.26 级别 由此可见，煤炭开采活动对矿区的古近系砾岩水水质产生了极大的影响。经现场调查走访，矿区内当地居民生活用水主要来自外地运水，自打井属古近系砾岩水，不能用于生活饮用水，水位及水量无明显变化；工农业用水主要来自故城河水，由于矿井剩余矿井水及污水（废水排放量为 154 万 t/a）经沉淀、除污等处理措施后排入故城河，故城河水受矿井排水影响较大。 根据地下水现状分析结果，煤矿开采对古近系砾岩水水质影响较大，但古近系砾岩水水对岩溶裂隙水补给量较小，不会形成大规模串层污染，因而对奥灰水影响较小。未来煤矿开采技术方法及水文地质条件不变，地下水水量和水质将继续受到影响。 山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 58 /baH a保留条带(煤柱)；b采出条带；H采深 图 5.1 条带开采示意图 Fig.5.1 Sketch map of strip mining 5 5 矿区矿区地下水地下水资源资源保护对策研究保护对策研究 5.5.1 1 水资源保护性采煤方法研究水资源保护性采煤方法研究 地下煤层的开采必然改变煤层上覆和下伏含水层中的地下水赋存、运移条件，诱发煤层顶底板涌（突）水，破坏宝贵的地下水资源。鉴于我国煤矿开采中的突水灾害的严重性以及对地下水资源与环境的破坏，对既能防治矿井突水，又能保护地下水资源的保水采煤技术进行研究是十分必要的，它符合我国国民经济可持续发展的要求，也是煤矿绿色开采技术的核心内容之一。 5.5.1.1.1 1 部分开采法部分开采法 部分开采法，即只采出部分煤炭，依靠保留的那部分煤炭，控制顶板岩层的运动，从而减小导水裂缝带的高度，以实现保水开采。部分开采法的实质就是通过留设煤柱支撑上覆岩层或减小采厚来达到减轻覆岩移动破坏和保护地下水资源的目的。常用的方法有：条带开采法、房（柱）式开采法以及限厚开采等。 5.1.1.1 条带开采法 条带开采法， 就是沿煤层的走向或倾向把要开采的煤层划分为比较正规的条带形状，根据煤层及覆岩组合条件，按一定的采留比，在被开采的煤层中采出一条，保留一条，使留下的一部分煤炭以煤柱的形式支撑上覆岩层的荷载58，如图 5.1 所示。 条带开采法按条带长轴方向分类， 可分为倾斜条采和走向条采；按煤柱的尺寸不同分类，可分为大、中、小三种条带类型。所谓大条带， 就是采宽和留宽尺寸都接近于普通长壁工作面，它适应于采深大于 500m 的条件。中条带是采宽和留宽均为 1040m， 它适应于采深为 100500m 的条件。 小条带是采宽留宽尺寸小于 10m， 它适应采深小于 100m 的条件59。 在采留宽度合理的条件下，条带开采引起的矿山压力较小，有效地降低了采动对煤层上覆岩层的破坏，使采空区上方形成的垮落带和裂缝带高度比较小，相应形成的导水山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 59 裂缝带影响范围也较小， 这样不仅有利于减小对煤层上覆含水层中的地下水资源的破坏，而且对底板岩层的破坏也较轻，对防止底板突水和保护底板水资源也有利。 在采用条带开采方法来实现“保水采煤”时，需要解决好 2 个关键问题： 1） 必须保证条带煤柱能够有效支撑上覆岩层和具有长期的稳定性。 这一点如果不能保证，则其保水效果与全部跨落法无异。 2） 开采条带的宽度和留设煤柱的宽度设计要合理， 以保证长期顶板垮落的发展不致影响到上覆含水层。因为留宽过大，采出率低；采宽过大，覆岩移动破坏严重，对保护地下水资源不利。根据规程要求，条带开采的采出率70%；采宽可在煤层采深的 1/41/10 范围内选取。 条带开采法的最大缺点是采出率较低、资源浪费大，使煤炭企业生产成本大幅度增加。这正是阻碍这一方法推广的瓶颈所在。 5.1.1.2 房（柱）式开采法 房（柱）式采煤法是在开采煤层区段内掘进一系列宽为 57m 左右的煤房，煤房间用联络巷相连，形成近似于长方形的煤柱，煤柱宽度由数米至十多米不等，回采在煤房中进行（图 5.2） 。煤柱可根据条件留下或在煤房采完后，将煤柱按一定要求部分采出，剩余煤柱用于支撑顶板，达到控制覆岩运动的目的。煤柱保留不回收的称为房式开采，煤柱回收的称为房柱式开采。煤房和煤柱的尺寸取决于围岩性质、煤质硬度、开采深度、煤层厚度和回采工艺方式等。 房（柱）式采煤法是美国、加拿大、澳大利亚和南非等国应用比较成熟的一种采煤方法，在我国应用不多，仅在神东矿区、西山矿区、大同矿区、鸡西矿区等地有所应用，其主要原因是需要进口成套的连续采煤机设备，而且对煤层顶底板限制较多，要求顶板整体性好，底板岩性中等以上，煤层倾角10，以及瓦斯含量相对较低等条件。 5.1.1.3 限厚开采 限厚开采法是根据矿区地质和水文地质条件，以采动导水裂缝带不沟通上覆含水层或水体为依据，有意识地搁置一部分煤厚不采，即以减小采厚来减少导水裂缝带高度。但该技术采出率低，仅在薄煤层中应用有一定的使用价值。 采空区煤柱煤柱推进方向推进方向 图 5.2 房（柱）式开采示意图 Fig.5.2 Sketch map of room and pillar mining 山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 60 5.5.1.21.2 充填充填开采法开采法 5.1.2.1 充填开采概念及分类 充填开采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，这相当于减小了煤层开采厚度，从而达到减轻上覆岩层运动的目的。这种开采方法不但可以在保证一定采出率基础上有效地控制岩层移动、保护地表建筑物，而且还能最大限度地减小采动导水裂隙对含水层的破坏，从而达到煤炭资源开采和地下水资源保护协调发展的目的。从理论上来说，采空区充填开采是解决煤矿开采环境问题的理想途径，是实施煤矿水资源保护性开采的有力措施之一。 按充填材料和输送方式的不同，将充填开采分为干式充填、水力充填和胶结充填。按充填量和充填范围占采出煤层的比例可分为：全部充填开采和部分充填开采。 5.1.2.2 全部充填开采 全部充填开采能够更有效地抑制煤层顶底板的变形和破坏，对于含水层或水体离煤层很近，不允许开采对顶底板造成破坏性影响时，采用全部充填采空区的开采法是一种行之有效的方法。采空区全部充填开采既可采用普采或炮采方式，也可采用综采方式。在矸石得到连续供给的前提下，综采充填开采可以达到高产高效的生产指标，普采或炮采充填开采工艺能适应各种复杂的采矿地质条件，都具有较广泛的推广应用前景60。 （1）长壁普采或炮采工作面矸石充填开采 长壁普采或炮采是我国目前应用较普遍的采煤工艺。长壁普采或炮采矸石充填工艺流程是在工作面回风巷敷设运矸皮带， 在工作面铺设一部运煤溜子和一部矸石充填溜子，端头安置高速抛矸机，将运矸皮带运送过来的矸石抛入采空区，在断面充填完毕后，可利用专门的推进装置对充填矸石压实，减小空顶距。运煤溜子随工作面推进前移，矸石充填溜子随充填而缩短。依据充填量决定采煤量，可确保充填与采煤一体化作业61。其工作面开采布置如图 5.3 所示。为保证矸石充填效果，充填前直接顶应保持基本完整不垮落，或在有支护情况下进行充填，以减少顶板下沉变形量。 华丰煤矿目前矿井生产五水平垂深已达到-1100m，处于深部开采阶段，矸石排放、工作面支护问题越来越突出， 后组煤受水威胁问题逐渐凸现， 制约矿井生产能力的提高。华丰煤矿通过不断研究摸索出了走向长壁炮采工作面矸石充填开采技术，首先在 21108工作面取得了成功。矸石充填技术大大降低了回采工作面顶底板岩层破坏程度，减小了顶底板突水的危险性，保护了地下水资源。 山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 61 面填充面采推矸石输送机抛矸皮带（矸石）充填体运矸皮带运煤皮带推进方向下平巷上平巷矸石仓 图 5.3 普采矸石充填开采工作面布置示意图 Fig.5.3 Layout of conventional backfill minings working face （2）长壁综采工作面矸石充填开采 长壁综采是我国目前中厚煤层或厚煤层分层开采最常用的安全、高效采煤方法。长壁综采工作面矸石充填开采工艺包括长壁工作面综采和采空区矸石充填 2 部分。综采工作面采空区矸石充填是依靠专门研制的矸石充填综采液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机来自动完成的。充填矸石通过回风巷运矸皮带运至工作面端头并转载到液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机上，通过矸石充填运输机的上刮板向下运输并向采空区充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密实、均匀；随着矸石充填高度的增加，悬挂式矸石充填运输机会随之上升，并利用其自重对矸石的反作用力来压实充填矸石62，如图 5.4 所示。 充填矸石冒落带直接顶基本顶 图 5.4 长壁综采工作面矸石充填过程剖面示意图 Fig.5.4 Section map of the backfill process in fully mechanized longwall face （3）长壁工作面充填开采对导水裂缝带发育高度的影响分析 在采用全部垮落法管理工作面顶板的情况下，由于给予顶板变形空间大，采空区覆岩移动破坏最严重，覆岩一般可分为“三带”，即垮落带、裂缝带和弯曲沉降带。而采用采空区矸石充填后， 在充填率较高的条件下， 由于上覆岩层弯曲后能及时接触充填体，因此很少会发育垮落带，一般仅有裂缝带和弯曲带。 垮落带和导水裂缝带高度与其上覆岩层的岩性结构、煤层倾角、采厚和采煤方法山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 62 等因素有关。充填开采与不充填开采由于采高的变化，在一定覆岩结构条件下，覆岩运动特征主要由采厚决定。下面针对华丰煤矿 21108 工作面的覆岩结构特点，分析充填开采条件下垮落带与导水裂缝带的发育高度。 华丰煤矿 21108 工作面位于五水平后二采区第一区段，上平巷标高为-748m，下平巷标高为-778m，开采 11 层煤，煤厚 1.51.8m，平均 1.65m，工作面四周均为未开采区，工作面走向长 445m，倾斜长 50m，煤层倾角 3033。工作面采煤方法采用走向长壁后退式采煤法。爆破落煤，塑料溜槽自溜运煤，矸石充填管理顶板。 采区 11 煤顶板为粉砂岩和中细砂岩，抗压强度 51.052.9 MPa，平均 52.0 MPa，因此采用建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中提供的坚硬覆岩垮落带及导水裂缝带最大高度的经验公式进行计算， 其中垮落带高度计算公式为： 5 . 2161 . 2100kMMH （5.1） 导水裂缝带高度计算公式为： 9 . 80 . 22 . 11 0 0LMMH （5.2） 式中，Hk垮落带高度，m； HL导水裂缝带高度，m； M累计采厚，m； 21108 工作面 11 煤采厚为 1.65m，代入上式计算可得传统全部垮落法管理顶板的情况下垮落带高度 Hk为 5.9810.98m，导水裂缝带高度 HL为 32.5650.36m。 采用采空区充填开采后的等价采厚我们取 0.60m，代入公式计算可得充填开采垮落带高度 Hk为 0.985.98m，导水裂缝带高度 HL为 13.1630.96m。 由此可见，采空区矸石充填可大大降低垮落带和导水裂缝带高度，有利于防止顶板水通过岩体破断裂隙流入采空区和回采工作面，提高了工作面安全生产条件，有效保护了地下水资源。 5.1.2.3 部分（条带）充填开采 由于部分（条带）开采与传统全部充填开采都存在明显的不足之处。部分（条带）开采技术存在的主要问题是采出率低、浪费大量煤炭资源；而传统的全部充填开采技术存在的主要问题是充填成本相对煤炭价格偏高、充填量大、充填材料来源受限、充填工艺不能适应煤矿高效开采要求。因此根据条带开采与充填开采的特点，提出了部山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 63 /开采煤层煤柱充填条带岩层下沉曲线 图 5.5 条带充填开采示意图 Fig.5.5 Sketch map of strip backfill mining 分充填开采技术。部分充填开采能减少充填材料和充填工作量，从而降低了充填成本，是煤矿低成本充填开采技术的发展方向。 （1）条带充填开采 条带充填开采是指在条带开采条件下采出部分用充填法管理顶板（图 5.5） 。当顶底板含水层距煤层较近时， 可考虑采用条带充填开采。条带开采充填采空区能够降低工作面周围的支承压力，开采后工作面周围的应力分布较长壁全陷开采更为均匀，这不仅大大减小了拉应力区和拉应力的最大值，也减小了应力集中区的范围， 减轻了应力对顶底板岩层的破坏， 提高了顶底板隔水层的完整性和阻隔水能力63，从而可以避免或减轻因采动产生的导水裂隙扩展到煤层顶底板含水层而使地下水遭到破坏，从而有效地保护了地下水资源。 （2）宽条带充填全柱开采 宽条带是与现在的条带开采宽度相比较而言的， 指采用采留宽均在100m以上的条带开采，以有利于实现机械化采煤。宽条带充填全柱开采分为两个阶段，第一阶段是开采宽条带1，3，5，开采结束后对开采条带采空区进行充填或者边采边充；然后经过一定的时间间隔后，确保充填条带具有足够的强度和稳定性，并留设一定的隔离煤柱后再对剩余的条带煤柱2，4进行回采，如图5.6所示。 /11，3，5-充填条带2，4-二次开采条带5324隔离煤柱 图5.6 宽条带充填跳采的布置方式 Fig.5.6 disposal manner of wide strip backfill skip-mining 充填的主要作用是保证第二阶段开采类似于条带开采。开采的两个阶段都充分利用了条带开采的优点：条带煤柱采出后，由于上覆岩层有条带煤柱（或充填条带）支撑，在采出条带上方形成自然平衡拱，使上覆岩层尽可能远离充分采动区，使煤层沿走向方向开采产生的应力集中程度和影响范围大大降低，同时也减小了拉应力区和拉应力的最山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 64 大值。这样引起的矿山压力较小，对上覆岩层的破坏较轻，从而能够有效地控制煤层上覆导水裂缝带的影响范围。可见，采用宽条带充填全柱开采可以大大降低垮落带，减小导水裂缝带的高度和范围，不仅有利于减小矿井的涌水量，提高矿井的经济效益，而且有利于减小对地下水资源的影响和破坏64。 （3）巷柱式充填开采 巷柱式充填开采的基本思想是在煤体内间隔一段距离的煤柱掘进巷道，随后进行充填，来采出煤炭的一种方法。具体开采工艺为：在工作面内依次掘进一定规格的巷道，两条巷道之间留设一定宽度的隔离煤柱，并且在掘进过程中使用锚网联合支护巷道以减小围岩闭合量。掘进完一条巷道后，即开始充填，同时留设一定宽度隔离煤柱掘进下一条巷道，依次掘进巷道的同时充填前一条巷道，待充填完毕几条巷道后，在留设的隔离煤柱中再次掘进巷道并进行充填，最终形成一定宽度的充填巷道和隔离煤柱65。巷柱式充填开采示意图及步骤如图 5.7 所示。 第一步：在煤层中开掘第一条巷道第二步：掘第二条巷道并充填第一条巷道第三步：依次掘进巷道并充填前一条巷道第四步：在隔离煤柱中再掘进巷道第五步：在隔离煤柱中继续掘进巷道并充填前一条巷道，最终完成充填开采煤体已掘巷道充填巷道 图 5.7 巷柱式充填开采示意图 Fig.5.7 Sketch map of gateway and pillar backfill mining 山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 65 从理论上讲，采空区矸石充填开采无疑是实现绿色开采的理想途径，但后期充填材料的相对短缺、充填成本相对煤炭价格偏高、充填工艺不能适应煤矿高效开采要求等将限制该方法的应用。因此，试图大面积采用充填开采是不现实的。要实现煤矿现行开采技术和经济条件下的充填开采，必须解决以下两个方面的问题：适于煤矿充填的低价充填材料，保证煤矿高效开采的充填工艺。 5.5.2 2 合理留设防水煤柱合理留设防水煤柱 煤矿在水体下（上）采煤时，为了实现安全开采和保护地下水资源，需要合理地确定煤层安全开采上（下）限，使得煤层开采后形成的采动导水裂隙不致沟通含水层或水体。因此在水体下（上）采煤时留设足够有效的防隔水煤岩柱是十分必要的，也是煤矿区保护地下水资源的一种重要途径。 5.5.2 2. .1 1 煤层露头煤层露头防水煤柱防水煤柱的留设的留设 一般情况下，可根据煤矿防治水规定中的规定来留设防水煤岩柱。当煤层露头被松散富水性强的含水层覆盖时（图 5.8） ，防水煤岩柱高度 Hf的计算公式为66： Hf =HL+Hb 20m （5.3） 式中，HL导水裂缝带的最大高度，m； Hb保护层厚度，m； 煤层倾角， （） 。 图 5.8 煤层露头防水煤柱留设示意图 Fig.5.8 Sketch map of coal seam outcrops waterproof coal pillar 另外，防水煤柱尺寸的计算还有多种方法，如经验类比法、理论公式计算法、数值计算法和相似材料模拟试验法等。 5.5.2 2. .2 2 断层防水煤柱断层防水煤柱的的留设留设 断层对煤层顶底板突水有重要影响。大量开采实践证实，绝大多数突水都与断层有山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 66 着直接或者间接的关系。为了防止因断层导致的突水事故，保护地下水资源，必须在地质及水文地质调查的基础之上，合理留设断层防水煤柱。 一、对于含水或导水断层的防水煤柱，按煤矿防治水规定留设66 （1）当煤层位于断层上盘，煤层与含水层或导水断层接触时（图 5.9），断层防水煤柱的计算公式为： pLMpL （a） （b） 图 5.9 导水断层上盘防水煤柱留设示意图 Fig.5.9 Sketch map of waterproof coal pillar retaining for hanging wall of water conductive fault p35 . 0KpKML 20 m (5.4) 式中：L防水煤柱留设宽度，m； K安全系数，一般取 25； M煤层厚度或采高，m； p水头压力，MPa； Kp煤的抗张强度，MPa。 （2）当煤层位于断层下盘，煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（图5.10） ，防水煤柱的留设要求如下： /LLLL123HaHLHHLLLL123HHLLLL123HMaaaHLHLaa（a） （b） （c） 图 5.10 导水断层下盘防水煤柱留设示意图 Fig.5.10 Sketch map of waterproof coal pillar retaining for footwall of water conductive fault 1.当含水层顶面高于最高导水裂缝带上限时，防水煤柱可按图 5.10a、5.10b 留设。其计算公式为： L=L1+L2+L3=Hacsc+HLcot+HLcota (5.5) 2.最高导水裂缝带上限高于断层上盘含水层时， 防水煤柱按图 5.10c 留设。 其计算公式为： L=L1+L2+L3=Ha(sina-cosacot)+(Hacosa+M) (cot+cota) 20 m （5.6） 以上两式中：L防隔水煤（岩）柱宽度，L1、L2、L3为各分段宽度，m； 山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 67 HL最大导水裂缝带高度，m； 断层倾角， （） ； a岩层塌陷角， （） ； M断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度，m； Ha断层安全防隔水煤岩柱的宽度，m。 Ha值应当根据矿井实际观测资料来确定，也可以由下式计算： Ha10STp （5.7） 式中，p防隔水煤岩柱所承受的静水压力，MPa； Ts临界突水系数，MPa/m； 10保护带厚度，一般取 10 m。 （3）当含水层位于开采煤层下方时，除要考虑侧向突水外，还必须防止断层水从煤层底板突出（图 5.11） 。当考虑底部压力时，应使煤层底板到断层面之间的最小距离（垂距）大于安全煤柱的高度（Ha）的计算值，并不得小于 20 m。计算公式为： L=aHsina 20 m (5.8) 式中，a断层倾角（） ，其余参数同前。 当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，仍采用公式（5.4）计算煤柱宽度。最后根据以上两种方法计算的结果，取用较大的数字作为最终的防水煤柱留设尺寸，但仍不得小于 20m。 aLaHaHaL （a） （b） 图 5.11 含水层位于煤层下方时导水断层防水煤柱留设示意图 Fig.5.11 Sketch map of waterproof coal pillar retaining for water conductive fault when aquifer under coal bed 二、非导水断层防水煤柱的留设 （1）按煤矿防治水规定留设66 如果断层不导水（图 5.12） ，防隔水煤（岩）柱的留设尺寸，应当保证含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离，在垂直于断层走向的剖面上大于安全煤柱的高度（Ha）时即可，但不得小于 20 m。 山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 68 LaHaHaL （a） （b） 图 5.12 含水层位于煤层下方时非导水断层防水煤柱留设示意图 Fig.5.12 Sketch map of waterproof coal pillar retaining for water non-conductive fault （2）根据支承压力分布确定防水煤柱尺寸 采场支承压力是导致断层活化的主要因素。因此，对于非导水断层，煤柱留设要能使得断层不发生活化，即断层应在采场支承压力影响范围之外。支承压力的分布范围应进行实测，无实测资料的情况下，可按图 5.13 曲线确定。 由图可求得不同采深（H）和采厚（m）条件下工作面采场应力分布范围。因此，煤柱留设尺寸为： LX (5.9) 式中：L煤柱留设宽度，m； X支承压力分布范围，m。 1008060402002004006008001000m=3.5m=3.0m=2.5m=2.0m=1.5m=1.0m=0.5X(m)H(m) 图 5.13 支承压力分布范围曲线 Fig.5.13 Distribution range curve of abutment pressure 依据上述方法选择的防水煤柱尺寸，再根据断层上下盘的相对关系、煤层开采引起的顶底板活动是否会波及断层，经校核与修正，即可以最后选定煤柱的合理尺寸。 5.5.3 3 底板底板含水层含水层注浆改造注浆改造 目前华丰煤矿已进入深部开采，开采深度超过千米，煤层底板又承受着下伏岩溶水的巨大压力；而下组煤16煤与徐灰含水层之间的隔水层厚度只有9.7222.74m，与奥灰山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 69 含水层之间的隔水层厚度也只有46.175.6m。 在隔水层薄弱地带， 在采动矿压的影响下，奥灰水有可能突破底板隔水层，造成奥灰突水，或作为徐灰等含水层的补给水源以底鼓水形式泄入矿井，严重影响着煤矿的安全生产，同时也会造成优质的奥灰水资源遭到破坏，严重时可导致整个矿区工农业用水的紧张。 由于奥灰浅部大面积出露于地表，广泛接受大气降水和地表水的补给，岩溶裂隙普遍发育，含水丰富，若采用疏水降压法采煤，则无法消除大采深高压奥灰水突出威胁且经济上不合理。因此在工作面回采前，通过预注浆对煤层底板奥灰之上的薄层灰岩含水层进行改造和加固，抑制采动矿压和承压水水压对底板岩层的影响，减小采动破坏深度和承压水导升高度，实现承压水体上的安全采煤，同时也保护了优质的奥灰水资源。 5.5.3 3. .1 1 底板底板含水层含水层注浆改造的作用机理注浆改造的作用机理 底板含水层注浆改造技术利用地面注浆站集中造浆，通过注浆管道和井下注浆孔向位于煤层和奥灰之间的薄层灰岩含水层（徐灰、草灰等）预注浆，来充填底板灰岩含水层的裂隙和溶隙，以改变底板岩层不利于采煤的水文地质条件。其基本原理是浆液在一定压力、一定时间作用下在受注层原来被水占据的空隙或通道内脱水、固结或胶凝，使结石体或胶凝体与围岩岩体形成阻水整体，从而改变底板岩层的水文地质条件67（见图5.14）。底板含水层注浆改造主要有以下几个方面的作用68： 奥灰徐灰导水 裂隙注浆孔轨中巷 运中巷煤 层上出口 图 5.14 底板注浆改造示意图 Fig.5.14 Sketch map of grouting transformation of aquifer in coal bed floor （1）改变底板含水层的富水性。向受注含水层（徐灰）中大量注入浆液，浆液在注浆压力的作用下沿着裂隙和溶洞扩散、 沉析、 结石， 充填裂隙， 把受注含水层中的水 “挤”出去，使之转变为隔水层或弱含水层。 （2）封堵奥灰水对徐灰水的补给通道。浆液在注浆压力作用下，通过徐灰沿着奥灰水补给徐灰水的通道向下运移、扩散、结石，从而堵塞或缩小导水通道，消除或减少奥山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 70 灰水对徐灰的补给量。 （3）加固底板隔水层，提高其抗压强度。注浆后浆液通过徐灰沿着煤层底板裂隙运移、扩散、结石，充填隔水层的导水裂隙，胶结强化煤层底板，提高了底板隔水层的阻隔水能力。 （4）消除导高，增加有效隔水层厚度。通过注浆改造，浆液能有效地充填奥灰水向上导升的导水裂隙，从而消除导高，增加了有效隔水层厚度。 因此，对煤层底板薄层灰岩含水层预注浆能起到改造含水层、加固隔水层和封堵补给通道的作用，不但可以防止徐灰本身突水，而且可以降低奥灰突水的可能性，从而大大降低了底板突水的危险性。另外通过底板注浆，减少了矿井底板涌水量，不仅可以节约长期排水费用，而且也有利于地下水资源的保护，这一点对于现今尤为重要。 5.5.3 3. .2 2 注浆孔布置注浆孔布置原则原则和注意事项和注意事项 注浆孔布置在工作面运输巷或回风巷的钻机硐室内，布孔和施工时应遵循以下四个原则： 按浆液扩散半径布设注浆孔，力求使浆液覆盖整个工作面或需改造的范围； 对初压位置、停采位置、煤柱区等应力集中区和断层交叉、拐弯、褶曲构造的轴部等复杂块段作为布孔的重点。 斜孔钻进，使注浆孔揭露的底板含水层段尽量长； 钻孔设计方向尽量和构造裂隙发育的方向垂直或斜交，以尽可能多的穿过裂隙； 因此在煤层底板注浆改造设计前，应先对形成的回采工作面进行必要的物探和钻探工作。通过物探控制，钻探验证，查明回采工作面范围内岩溶裂隙发育方向及含水异常区域，圈定断裂构造、岩溶裂隙、陷落柱等，然后有针对性地布置注浆孔，可避免盲目性，使注浆加固有的放矢，有利于提高底板注浆改造质量69。 5 5. .4 4 矿井水资源化利用矿井水资源化利用研究研究 矿井水是由伴随煤矿的开采而进入井下采掘空间的地表渗漏水、含水层的人工或自然疏放水、老窑积水，以及煤矿生产、防尘用水等组成，它是煤矿生产过程中排放量最多的废水，而且随着煤炭工业的快速发展，矿井水的排放量还在不断增多。据统计，目前我国煤矿每年涌水量在 42 亿 m3左右，而利用率仅为 26%左右1。长期以来，矿井水被白白排掉而未加以综合利用，这样不仅浪费了水资源，污染了水环境，而且造成了山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 71 矿区工业和生活用水的短缺。目前随着科学的发展和人们环保意识的提高，对矿井水也已有了新的认识，开始将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化。 5 5. .4 4. .1 1 矿井水资源化利用的意义矿井水资源化利用的意义 对于水资源日益短缺的今天，实施矿井水资源化利用有以下重要意义1： 1） 矿井水资源化利用是解决矿区水资源短缺问题的重要措施。 在全国规划建设的十三个大型煤炭基地中，除云贵、两淮、蒙东（东北）基地水资源相对丰富外，其余的十个基地都存在不同程度的缺水问题。提高矿井水利用水平，扩大利用规模对于缓解矿区水资源供需矛盾、最大限度地满足生产和生活及生态用水具有重要意义。 2）矿井水利用是保护矿区生态环境、防止水污染的重要途经。由于受井下开采和人为活动的影响，矿井水中含有大量煤尘、岩石粉尘等杂质，悬浮物浓度较高，并含有少量有机物和微生物，如不经处理直接排放，既污染矿区水源，又破坏矿区生态环境。 3）矿井水资源化利用经济效益明显。由于矿山企业产业链的延伸，矿井水利用的市场需求不断扩大，利用规模逐渐增加，矿井水利用成本逐步降低，经济效益进一步提高。另外矿井水实现资源化利用后，减少了废水排放量，也就意味着排污费的减少，而且还可以缓解因水资源短缺而造成的生产上的不必要的损失，经济优势十分明显。 5 5. .4 4. .2 2 华丰华丰煤矿煤矿矿井水资源化利用途径矿井水资源化利用途径70 我国大部分矿区都面临缺水与矿井排水的矛盾局面，华丰煤矿也不例外。华丰煤矿是大水矿井，矿井年排水量都在 550 万吨左右，过去除部分矿井水用作井下防尘之外，其余全部外排。经过多年的探索和试验，华丰煤矿投资近 200 余万元，修建了矿井水处理站， 将矿井水综合处理后， 成为井下和地面生产用水、 生活用水和农业生态用水等 （图5.15） ，大大提高了矿井水的利用率。 煤矿矿井水地面工业用水井下生产用水生活用水农业生态用水井下消防用水井下降尘洒水采掘设备用水煤层注水选煤厂用水电厂冷却用水矸石砖厂用水辅助工厂用水锅炉浴室用水生活杂用水生活饮用水消防用水农田灌溉用水水产养殖用水绿化道路洒水喷泉景观用水 图 5.15 矿井水综合利用途径 Fig.5.15 Comprehensive utilization way of mine water 山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 72 1）作为矿区井下生产用水，比如井下降尘洒水及消防用水、采掘机械用水、煤层注水等。一般只需降低矿井水中的悬浮物，不需作特别净化处理就可直接供井下使用，满足生产需要。井下消防、洒水用水标准见表 5.1。 表5.1 矿区有关用水水质标准 Table 5.1 Some water quality standard 类别 pH 悬浮物含量(mg/L) 悬浮物粒度(mm) 总硬度(mg/L) 大肠菌群 (个/L) CODcr (mg/L) BOD5 (mg/L) 井下消防洒水 69 30 0.3 3 选煤用水 69 400 0.7 10 水力采煤用水 7 150 热电车间用水 7 10* 400 3 生活杂用水 6.59 10 450 3 50 10 洗澡用水 6.58.5 5* 450 3 2.0 1.0 生活饮用水 6.58.5 0 450 0 注：有*号为参考标准。 2） 作为地面工业生产用水。 比如用于地面注浆减沉系统、 矸石发电厂循环冷却用水、选煤厂补充用水、 矸石砖厂等煤矿附属厂矿生产用水以及矿区周边企业的工业补充用水。矿井水作为工业生产用水时，除了去除矿井水中的悬浮物外，还要去除可能对工业生产产生危害的有害物质。目前华丰煤矿建有年产 1.1 亿块标砖的 2 座矸石砖厂和 2 座煤矸石发电厂，其用水已大部分利用矿井水。洗选煤用水和热电车间用水标准见表 5.1。 3）作为生活用水，比如锅炉补充用水、生活中的杂用水、饮用水、消防用水、游泳池用水等，满足煤矿自身生活用水及周边村庄居民的生活用水，水量充足时可编入当地自来水网。矿井水作供水水源时，需要对矿井水进行深度处理，包括混凝、沉淀、过滤、消毒等工艺。净化后的矿井水如果达到国家饮用水水质标准，可以作为饮用水直接供应用户。相关水质标准见表 5.1。 4）农业、生态用水。用于矿区周边农田灌溉、水产养殖、矿区绿化、矸石山防尘洒水、道路洒水及周边植被生态用水，还可用于喷泉等景观用水等。经水质化验，华丰煤矿矿井水为 SO42- HCO3-Na+Ca2+Mg2型水， 矿化度 0.52.0g/l， 属低中矿化度水。矿井水用于农业生态用水时只要降低矿井水中的悬浮物，一般经过沉淀池沉淀就能满足要求。 目前华丰煤矿矿井水净化处理系统采用三级四段过滤沉淀原理，每天处理能力达7000m3， 年稳定节约地下水资源 400 余万 m3， 与使用地表水相比年节约支出 640 余万元。山东科技大学硕士学位论文 矿区地下水资源保护对策研究 73 2007 年全矿矿井水回用率达到了 71.15%，和同类矿井相比，回用率高出 15%左右。由此可见矿井水资源化不仅有效减少了矿井水大量外排所带来的环境污染，改善了矿区周围水环境质量，而且缓解了矿区生产、生活用水供需矛盾，减少了地下水资源的开采量，有效地保护了地下水资源。 5.5.4 4. .3 3 提高矿井水处理与资源化利用的措施提高矿井水处理与资源化利用的措施 目前，国家正倡导建设资源节约型、环境友好型社会，制定了更为严格的矿井水排放标准，而且随着企业的快速发展，矿区水资源供需矛盾日益严重。因此，需要进一步采取措施，加强矿井水处理，提高其利用率。 高度重视矿井水资源化利用工作，建设和发展工业用水项目时，应优先选用矿井水作为工业用水水源；根据矿井水排水量和水质特点，对现有矿井水处理设施工艺进行改造，提高处理能力和处理效果；根据井下生产变化规律，强化清污分流。分别安装两套排水系统将洁净矿井水与污染较严重的矿井水分别排出矿井，提高洁净矿井水的分流量，减轻矿井水处理设施的压力；分质供水。根据各用水项目对水质的不同要求，采取分质供水，分别对矿井水进行不同目标的污水处理，降低污水处理费用；超前截留取水，以供减排，排供结合。在严重缺水和带压开采的水文地质条件复杂的矿区，可以在开采区前方提前打抽（放）水孔，将煤层顶（底）板含水层中的优质地下水直接抽（放）出来加以利用；通盘考虑各矿井之间、矿井与其他生产单位之间的用水需求，做到互补余缺，物尽其用。 山东科技大学硕士学位论文 结论与展望 74 6 6 结论结论与展望与展望 6.1 6.1 结论结论 本文针对我国煤矿区严重缺水、 矿井水大量排放造成地下水资源浪费和污染的现状，在查阅国内外研究现状和收集研究区地质和水文地质资料、煤矿开采现状资料、矿井排水资料和水质分析资料等的基础上，采用实地调查、理论分析和数值模拟等多种方法，对煤炭开采活动对顶底板含水层的破坏机理进行了研究，并结合华丰煤矿的开采现状和矿井水排放现状，对华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响进行了分析和评价，最后提出了煤炭开采过程中保护地下水资源的对策与措施。本文通过研究得到了以下几条结论： （1）用矿山压力控制理论、采动岩体结构理论、弹性力学理论、损伤力学理论及断裂力学理论等为指导，从理论上研究了煤炭开采活动对煤层顶底板含水层的破坏机理，并对覆岩导水裂缝带的发育高度和采场底板破坏深度的确定方法及其影响因素进行了分析； （2）采动矿压作用下形成的导水裂隙是破坏顶底板含（隔）水层的主要因素，也是地下水涌入巷道或工作面的主要通道。另外，导水断层、导水陷落柱和封闭不良钻孔等也是地下水进入矿井遭到破坏的通道。 （3）以华丰煤矿 1409 工作面具体的地质及采矿条件为依据，建立了煤炭开采对地下水含水层破坏的流固耦合模型，对围岩随着开采的逐步进行，采动裂隙逐渐发展并贯通顶底板含水层的过程进行了数值模拟，得到了采动围岩变形破坏过程中导水裂隙的发育特征和围岩渗透性的变化规律； （4） 结合华丰煤矿的开采情况和矿井水排放现状， 分析了华丰煤矿煤炭开采对井田砾岩含水层、煤系地层含水层和底板徐灰、奥灰含水层的影响；分析了煤炭开采活动对矿区地下水环境的影响，并对井田砾岩水、奥灰水和矿井排放水进行了水质评价，评价结果为砾岩水和矿井水为类水，奥灰水为类水，结果表明煤炭开采活动对砾岩水水质影响较大，对奥灰水影响较小，矿井水的超标排放对地表水和浅层地下水环境影响较大。 山东科技大学硕士学位论文 结论与展望 75 （5） 部分开采、 充填开采等采煤方法能最大限度地减小采动导水裂隙对地下含水层的破坏，是解决煤矿开采环境问题的理想途径，是实施煤矿水资源保护性开采的有力措施之一。合理留设防水煤柱和底板注浆改造等也是煤炭开采过程中保护地下水资源的有效措施。 （6） 最后提出了华丰煤矿矿井水资源化综合利用的途径以及提高矿井水处理与资源化利用的对策和措施。 6.2 6.2 展望展望 （1） 本文只是定性地分析了煤炭开采对华丰井田主要含水层的影响， 没有定量地去评价煤炭开采对地下水资源的破坏量； （2） 对华丰煤矿煤炭开采对地下水资源和环境的影响进行了分析和评价， 没有对未来的影响的进行预测。 作者将在以后的学习和工作中，对这些方面继续进行研究和探讨。 山东科技大学硕士学位论文 致谢 76 致致 谢谢 本论文是在导师施龙青教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、资料查阅、研究思路形成到论文撰写完毕，每一个环节都凝聚着导师无数的心血。师从三载，收获颇丰，感触亦深。在这三年里，我不仅在业务上得到了很大的提高，更重要的是在怎样做人和如何做学问等方面十分受益。施老师高尚的人格魅力、敏锐的洞察力、开阔的视野、活跃的思维、严谨求实的治学态度，忘我的工作精神，给学生树立起潜移默化的典范作用，这也是导师传授给学生最宝贵的财富。值此论文完成之际，谨向施老师致以崇高的敬意和最诚挚的感谢！ 在完成学业和硕士论文期间，曾得益于地质学院魏久传教授、朱鲁教授、郭建斌副教授、李守春副教授、翟培合副教授、尹会永、杨思通等各位老师的许多关怀和帮助，在此深表感谢！ 感谢新矿集团华丰煤矿地测科的李功强科长、马连昌副科长等各位领导在本论文收集资料、现场调研等方面给予的支持和帮助！ 感谢我的同窗好友张伟杰、李成森、杨传胜、尹玉静、李新凤、赵文娟等，我们兄弟姐妹般的情谊是我一生最宝贵的财富；感谢师姐于小鸽、师兄李忠建，他们给予了我热心的帮助和鼓励；感谢我的师弟牛超、谢道雷、陈丁、师妹李娜娜、邢丽花、刘美娟、马艳芬、王沙沙、赵蕾、刘传娥、周慧芳、陆晓翠等给我的大力支持和帮助！ 特别感谢我的家人，他们对我的爱和背后默默的支持是我努力学习的最大动力，感谢他们为我所做的一切！ 最后，感谢在百忙之中评审我论文并提出宝贵意见的各位专家教授！ 山东科技大学硕士学位论文 攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文 77 攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文 参加的项目： 1. 胶州日照天然气管道工程地下水环境影响评价； 2. 广西北海炼油异地改造项目涠洲岛原油码头及配套工程地下水环境影响评价； 3. 肥城矿业集团白庄煤矿上覆煤层采动损伤底板破坏深度理论研究及监测； 4. 河南永煤集团陈四楼煤矿煤层底板扰动规律及突水预测预报研究； 5. 低位砂岩水超前真空抽放技术研究； 6. 巨厚新生界深矿井水害综合防治技术研究； 7. 龙固煤矿 1301N 工作面开采防水体系； 8. 赵官煤矿 2713 工作面开采安全评价； 9. 参与济宁三号井、龙固煤矿、东庞煤矿、陈四楼煤矿、伊犁一号煤矿等 20 余个煤矿防治水项目的工作面高密度电法勘探和巷道超前探测以及焦家金矿地下采空区电法探测； 10. 参与 兖矿南屯煤矿生产矿井地质报告 、 兖矿南屯煤矿下组煤补充勘探地质报告 、山东省莱芜煤田东港煤矿生产矿井地质报告 、新汶矿业集团华丰煤矿生产矿井地质报告的图件绘制、储量核算和报告的编写工作。 发表的论文： 1. 曾庆铭，施龙青山东省煤炭开采对水资源的影响分析及对策研究J山东科技大学学报(自然科学版)2009，28(2)：42-46 2. 曾庆铭煤矸石的环境影响和综合利用研究J山东科技大学学报(自然科学版)2009，28(增刊)：26-27 山东科技大学硕士学位论文 参考文献 78 参考文献参考文献 1国家发展和改革委员会矿井水利用专项规划R北京：国家发展和改革委员会，2006：1-4 2煤炭科学研究院北京开采研究所煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用M北京：煤炭工业出版社，1981：132-148 3高延法岩移“四带”模型与动态位移反分析J煤炭学报，1996，21(1)：51-56 4钱鸣高，许家林覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究J煤炭学报，1998，23(5)：466-469 5 李树刚， 石平五， 钱鸣高 覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特征研究J 矿山压力与顶板管理， 1999，(3)：44-46 6 于广明， 谢和平， 周宏伟等 结构化岩体采动裂隙分布规律与分形性实验研究J 实验力学， 1998，13(2)：145-154 7邓喀中，周鸣，谭志祥等采动岩体破裂规律的试验研究J中国矿业大学学报，1998，27(3)：261-264 8张金才，刘天泉论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征J煤炭学报，1990，15(2)：46-55 9李白英预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用J山东矿业学院学报(自然科学版)，1999，18(4)：11-18 10 施龙青， 韩进 开采煤层底板“四带”划分理论与实践J 中国矿业大学学报， 2005， 34(1)： 16-23 11Stoner J.DProbable hydrologic effects of subsurface mining JGroundwater Monitoring Review，1983，5(l)：51-57 12Lines G.CThe groundwater system and possible effects of underground coal mining in the Trail 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