本書針對(duì)我國(guó)煤炭開采對(duì)礦區(qū)水資源嚴(yán)重破壞與浪費(fèi)引起的生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)象，提出了利用隔水關(guān)鍵層實(shí)施礦區(qū)水資源保護(hù)的力學(xué)模型。針對(duì)隔水關(guān)鍵層力學(xué)模型，綜合運(yùn)用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、物理模擬、數(shù)值計(jì)算及工程實(shí)踐等方法，系統(tǒng)研究了破碎巖體壓實(shí)過程中的滲流特性、隔水關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及裂隙演化特征、隔水關(guān)鍵層滲流的非線性動(dòng)力學(xué)特性。以神東礦區(qū)為例，系統(tǒng)分析了典型缺水礦區(qū)的采礦地質(zhì)條件，提出了實(shí)施保水采煤分區(qū)與規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上，提出實(shí)施保水采煤的隔水關(guān)鍵層原理、方法和技術(shù)手段，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。本書可供從事采礦、安全、力學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域的廣大科技工作者參考。

新型工業(yè)化道路以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的提出迫使人們考慮“綠色礦業(yè)”問題。國(guó)務(wù)院《關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中對(duì)煤炭工業(yè)提出了更具體的要求。例如,在指導(dǎo)思想中提出“走資源利用率高、安全有保障、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境污染少和可持續(xù)的煤炭工業(yè)發(fā)展道路”,同時(shí)提出要“統(tǒng)籌煤炭工業(yè)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展、統(tǒng)籌煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、統(tǒng)籌礦山經(jīng)濟(jì)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的要求”。在發(fā)展目標(biāo)中具體提出“用3~5年時(shí)間,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)初步得到控制,再用5年左右時(shí)間,形成以煤炭加工轉(zhuǎn)化、資源綜合利用和礦山環(huán)境治理為核心的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系”。顯然,該意見中的三個(gè)統(tǒng)籌就是要把礦區(qū)資源優(yōu)勢(shì)變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),就是要把礦區(qū)變成礦工的綠色家園。

近年來,我國(guó)已興起了關(guān)于“資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開發(fā)的綠色開采技術(shù)”的研究與開發(fā)工作。學(xué)術(shù)界已初步提出了關(guān)于煤炭資源綠色開采的概念與技術(shù)體系,其技術(shù)體系包括:巖層移動(dòng)與地表沉陷控制及地面土地保護(hù)、煤與瓦斯共采、保水開采與煤水共采、矸石充填與資源化利用等。

我國(guó)西部干旱半干旱地區(qū),降水量少,蒸發(fā)量大,導(dǎo)致水資源嚴(yán)重缺乏和生態(tài)環(huán)境的脆弱,由于人為的采礦活動(dòng),更加劇了水資源和生態(tài)環(huán)境的破壞,造成植被枯死、土地沙化、水土流失等環(huán)境災(zāi)害。以晉陜蒙交界的神華礦區(qū)為例,該區(qū)是我國(guó)已探明煤炭?jī)?chǔ)量最大的煤田,也是世界七大煤田之一,煤層賦存好、儲(chǔ)量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、開采條件優(yōu)越。因?yàn)槿彼?區(qū)內(nèi)的自然環(huán)境已從公元5世紀(jì)的肥沃草原環(huán)境退化成現(xiàn)在的亞沙漠環(huán)境。區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組含水層,局部含水的燒變巖含水層處于主采煤層上部和煤層淺部,如不加控制,大規(guī)模的煤炭開采活動(dòng)會(huì)破壞含水層,造成潛水位下降、居民水井干涸、地表植被死亡、土壤沙化、水土流失等系列問題。

長(zhǎng)期以來,煤炭開采都將水視為災(zāi)害來治理,對(duì)其實(shí)行“疏排堵截”為主的治理思想,降低頂?shù)装搴畬拥乃?疏放相鄰區(qū)段煤層頂?shù)装宓暮畬?為工作面采掘消除水患。在煤炭開采過程中,無論是礦井的正常涌水,還是以防治礦井水害為目的進(jìn)行的人為疏干排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙對(duì)煤系含水層的自然疏干,都會(huì)不同程度地影響或破壞含水層,造成地下水資源的極大浪費(fèi),還污染水環(huán)境。因此,無論從自然環(huán)境和資源開發(fā)協(xié)調(diào)發(fā)展的角度出發(fā),還是從當(dāng)前礦山企業(yè)自身發(fā)展的生產(chǎn)和生活用水問題出發(fā),深入研究采煤過程中與水資源保護(hù)和利用相關(guān)的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)問題是十分必要和迫切的,是開發(fā)綠色采礦技術(shù)的重要內(nèi)容之一。

本書主要從五個(gè)方面系統(tǒng)分析了隔水關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)和滲流力學(xué)特性,并介紹了在此基礎(chǔ)上建立的隔水關(guān)鍵層保護(hù)原理在神東礦區(qū)保水采煤實(shí)踐中的應(yīng)用。第一,在巖層控制的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層概念和傳統(tǒng)的隔水層概念基礎(chǔ)上提出了隔水關(guān)鍵層的基本概念。第二,建立了隔水關(guān)鍵層的基本力學(xué)模型,系統(tǒng)研究了隔水關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)及

滲流穩(wěn)定性,給出了隔水關(guān)鍵層滲流系統(tǒng)的失穩(wěn)判別條件。第三,在傳統(tǒng)物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,引入了數(shù)字圖像分析手段,分析了隔水關(guān)鍵層的隔水性能,為實(shí)現(xiàn)保水采煤提供了創(chuàng)新技術(shù)途徑。第四,基于巖石滲流-損傷耦合模型,模擬了隔水關(guān)鍵層的巖層移動(dòng)及裂隙演化特征,同時(shí)系統(tǒng)分析了貫通裂隙與滲流分布的基本特征。第五,提出了保護(hù)礦區(qū)水資源的隔水關(guān)鍵層原理與方法,并成功地運(yùn)用到神東礦區(qū)保水采煤實(shí)踐中。

本書的寫作和出版得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51322401)、國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1261201)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973 計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB227900)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)“211工程”三期創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

由于作者水平所限及時(shí)間倉促,書中難免存在疏漏和不足之處,懇切希望同行專家和廣大讀者給予批評(píng)指正。

作者

2013年8月

1 保水采煤隔水關(guān)鍵層的基本概念及力學(xué)分析…………………………… 1

1.1 保水采煤隔水關(guān)鍵層的基本概念………………………………… 1

1.2 隔水關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析…………………………………… 2

1.3 隔水關(guān)鍵層的滲流穩(wěn)定性分析…………………………………… 7

1.4 本章小結(jié)…………………………………………………………… 14

2 破碎巖石的壓實(shí)滲流特性實(shí)驗(yàn)研究……………………………………… 15

2.1 破碎巖石壓實(shí)滲透儀及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)………………………………… 15

2.2 試件制備與實(shí)驗(yàn)方案……………………………………………… 17

2.3 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)采集……………………………………………… 20

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析…………………………………………………… 23

2.5 本章小結(jié)…………………………………………………………… 44

3 采場(chǎng)頂板隔水關(guān)鍵層破斷特征的物理模擬……………………………… 45

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案…………………………………………………… 45

3.2 數(shù)字圖像相關(guān)法…………………………………………………… 51

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析…………………………………………………… 54

3.4 本章小結(jié)…………………………………………………………… 72

4 采動(dòng)覆巖隔水關(guān)鍵層滲流特性的數(shù)值模擬……………………………… 73

4.1 采動(dòng)覆巖隔水關(guān)鍵層數(shù)值計(jì)算模型及方案……………………… 73

4.2 采動(dòng)覆巖破斷裂隙演化與滲流特征……………………………… 75

4.3 采動(dòng)覆巖隔水關(guān)鍵層的隔水能力分析…………………………… 87

4.4 本章小結(jié)…………………………………………………………… 93

5 神東礦區(qū)保水采煤工程實(shí)踐……………………………………………… 95

5.1 保水采煤的隔水關(guān)鍵層保護(hù)原理………………………………… 95

5.2 神東礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與保水分區(qū)………………………… 96

5.3 采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙通道發(fā)育規(guī)律……………………………… 100

5.4 有隔水層區(qū)上覆含水層保水開采……………………………… 104

5.5 本章小結(jié)………………………………………………………… 107

參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… 109