13废弃煤矿结构演化与水系调整规律研究

废弃煤矿结构演化与水系调整规律研究（2012年申请书）王来贵摘要：煤矿废弃后，矿井地层结构演化与水系调整并没有停止。

项目采用现场考察、理论分析、数值模拟、实验研究、现场应用和综合分析相结合的研究方法，研究废弃煤矿区域地层结构、矿井结构特征，建立废弃煤矿矿井结构与含水层、隔水层及水源补给边界条件。

采用自制实验设备，实测废弃煤矿岩石试件拉张蠕变破裂度、压缩蠕变密实度及其渗透系数随时间变化规律；建立岩石试件拉张蠕变破裂-压缩蠕变密实模型、孔隙-裂隙渗流本构方程以及岩石试件拉张蠕变破裂判据。

建立地层结构变形-破裂的流变数学模型、冒落带破裂-密实过程的水渗流数学模型以及变形-破裂-裂隙渗流的耦合数学模型；引入单元内各向同性、单元间非协调等效单元和动态破坏单元，进行有限元法求解，开发计算程序。

地表积水治理优化方案。

1、项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。

附主要参考文献目录）；1.1 工程背景及对应的科学问题(废弃煤矿结构演化)我国有矿业城市(镇)426座，经国务院三次批准的资源枯竭城市（镇）共69座。

经过百年特别是近50年大规模开采，已有大量煤矿报废。

废弃的地采煤矿，形成了大面积立体交错的硐室、采空区，导致矿区地质年代形成的地层结构发生重大变化，引起地面沉降、塌陷、地裂缝等变形、破坏，形成降水漏斗或地面积水，毁坏山林、草场和耕地等，使泉水干枯，甚至使人畜饮水困难。

到2006年，我国累计损毁土地达千万亩，抚顺、阜新、本溪、阳泉、开滦、鸡西、七台河等矿区沉陷区分别达50、102、45、100、100、200、185 平方公里。

煤矿在开采过程及报废停采后，地层结构长时间不稳定，继续大规模变形、破坏等地层结构演化，相应伴生水系继续发生调整，而降水漏斗影响面远远超过沉陷区存在的空间范围。

表现为：(水系调整) ⑴、水资源流失。

采煤使全国形成区域性降落漏斗150个，漏斗总面积87 000 Km2，漏斗中心水位最大埋深已超过78 m。

据统计，大同市、阜新市人均水资源占有量分别约有500ｍ３、507ｍ３/（人年），市区水资源人均占有量分别仅为220ｍ３、188ｍ３/（人年），不足全国平均水平的1/10，世界平均水平的1/40，远低于国际公认的人均1000ｍ３/（人年）的严重缺水界限, 为典型的资源型缺水城市，均是全国100个严重缺水城市，而开采及采后地层破坏加剧了水荒。

⑵、塌陷低洼处积水、污染。

如黑龙江省的双鸭山，吉林省的辽源，辽宁省的抚顺、铁法，安徽省的淮南、淮北，河南省的平顶山、义马等矿区，开采形成大面积低洼区，破坏了地表、地下水系，耕地被水淹没，甚至形成了沼泽地，既不能种植，又不能养殖，成为污垢汇集之地。

⑶、形成地下暗湖。

到2005年，阜新、本溪、辽源、通化、舒兰、鹤壁、焦作等矿区地下采空区面积分别达74、39、22、11、16、34、35 km2，遗留下的废旧采场、巷道等地下空间，逐渐积水，废弃地下空间形成暗湖。

(废弃煤矿结构演化与水系调整造成的损失)据测算，山西省每年因采煤沉陷区诱发的水资源流失造成的直接损失达上百亿元。

我国每年通过国家、地方及企业投入矿山地质环境灾害恢复治理的费用达千亿元，而废弃煤矿结构改变及其导致的水资源流失、水系调整治理费用所占比例约为三分之一。

采动诱发的降水漏斗、地表积水造成矿区水荒、沼泽，长期制约矿区城市国民经济可持续发展,同时又是环境恶化的根源和导致社会不稳定隐患。

因此研究煤矿废弃后地层演化过程与水系调整演化规律，对水资源评估评价、预测预报、治理恢复及安全合理利用，具有重大的社会和环境效益。

(废弃煤矿结构演化与水系调整实质）煤矿开采过程中，矿区地层覆岩结构随着开采的进行发生相应垮落和断裂，形成冒落带、裂隙带与弯曲带等“三带”，地表则可能出现沉陷、塌陷或地裂缝等灾害。

如果冒落带、裂隙带贯通上覆岩层的含水层，则可能疏干岩层形成降水漏斗；如果含水层没有遭到破坏，并且地表沉降量大于含水层标高，则出现采煤沼泽地。

（科学问题）废弃后的煤矿，地层移动与水系的调整并没有结束。

报废的煤矿，地下抽排水停止，废弃采空区、巷道逐渐积水，水资源也在自然恢复；随着时间的推移，承受压应力状态的地层岩石会发生蠕变密实，而承受拉应力状态的地层岩石会发生蠕变破裂，上覆岩层的“三带”也会发生相应的调整，蠕变密实和蠕变破裂的岩层渗透性随之变化，水力学工作者面前。

1.2 研究现状评述及存在的问题关于采动过程与废弃煤矿地层结构演化与水系调整耦合规律，相关的研究主要包括以下几个方面。

⑴、采动地层结构演化以俄罗斯、波兰、中国等国的学者为代表研究采煤引起的地表移动及治理，主要考虑采空区岩层在重力作用下发生地表沉陷，先后提出了随机介质理论、大变形理论、蠕变理论、悬板理论、关键层理论及数值方法如有限元、边界元、离散元等塌陷灾害发生机理及治理，这方面研究已取得较大的成就。

近几年，在继续研究采动地表沉陷机理的同时，一些学者注重考虑采动地层内部结构的变形、破坏发生的结构演化变化，刘向峰（2003）在分析采煤过程的基础上，提出了采动诱发地层结构弱化，抵抗外界干扰能力降低的观点，从另一个角度研究地层结构演化；吴枝根（2003）研究了裂隙扩展过程的有限元解法，为描述岩石破裂过程提供一个新方法。

⑵、水系调整和矿井水利用矿井水是矿井开采的附带资源，综合利用已成为研究的热点。

唐依民（1996）从系统论出发，提出了矿区地下水系统的概念模型，阐述了矿区地下水系统的结构、功能、性质和特征，用实例分析了矿区地下水系统的存在及其概念模型在解决矿区水文地质过程中的作用。

洪雷(2003)提出对现有的水资源地实行保护性开采、控制小煤矿的无序开采、实行矿区内的排供结合及水质控制优化管理、加快矿井水回用方案的研究、开发新的水源地等措施。

孙廷春（2003）等提出矿井地下水资源净化成生产和生活用水,可以节省大量钻探深水源井的资金,创造较好的经济效益和环境效益。

⑶、渗流模型关于渗流的研究，国内外学者采用双重介质模型、连续介质模型、离散介质模型等，对不同区域采用不同的单一或组合模型进行分析。

在应力场、渗流场耦合模型分析中，章梦涛等（1995）提出煤与瓦斯的固流耦合模型；张玉卓,张金才(1997)对裂隙岩体渗流与应力耦合的试验研究；Palmer I,Mansoori J.（1998）、刘建军（2000）进一步分析了地下水渗流的固液耦合理论及数值方法；柴军瑞，仵彦卿（2000、2001）分别研究裂隙网络岩体三维渗流场与应力场耦合效应；考虑作用在裂隙中的渗透力和动水压力裂隙网络岩体渗流应力耦合分析；朱珍德，孙钧（1999）裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型；傅鹤林，刘宝琛（2002）饱和岩层中地下水渗流与岩体变形的耦合数学模型及数值解法。

⑷、岩体渗流数值模拟方法研究渗流数值模拟应用最广泛的是有限元法。

Desai(1976)提出剩余流量法。

Bathe等(1979)提出单元传导矩阵调整法。

李春华(1986)又对其进行了改进。

张有天等(1988)提出初流量法。

Zimmerman R W,Hadgu T,Bodvarsson G S（1998）、王媛(1998)引入区域识别函数对该方法进行了改进。

速宝玉等(1994)提出非饱和区截止负压法。

速宝玉等(1991)提出的节点虚流量法，吴梦喜等(1994)提出的虚单元法，杨诗经等(1994)提出的变积分权数法，陈洪凯(1996)提出的复合单元全域迭代法，梁业国等(1997)提出的子单元法等方法均有其各自的特点。

⑸、采动地层水渗流规律煤炭工业出版社出版的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（2000）提出了近水体煤的安全煤岩柱设计方法。

白矛（1998）、Bai M.（1999）用有限元模型分析了预计长壁开采引起的地表沉陷及地下水的流动。

在对稳定流和非稳定流研究中，讨论了在不同开采尺寸下，采动对地层水文地质环境及力学条件造成的影响，由采动引起的岩体变形，对采场的水文地质环境的变化起到决定性的影响。

唐春安、杨天鸿（2002）建立一种描述岩石介质渗流、应力、损伤耦合作用的细观力学模型，研究岩石破裂与渗流相互作用机制，从细观力学的更高层次上解释宏观工程岩体渗流－应力耦合作用下的破坏、失稳行为。

王来贵等（2003）从资源枯竭煤城环境灾害系统的角度出发，提出了大面积采动地层水系调整的数学模型；刘俊杰（2003）地下开采条件下水资源流失机理与环境影响研究。

⑹、生产煤矿水系变化缪协兴等（2007）提出了在控制采场顶底板水运移中隔水关键层的概念，建立了复合隔水关键层的基本力学模型，进而对具有5层岩层组成的复合隔水关键层进行了相关的强度和刚度分析，给出了不同组合的阻隔水能力判定；马立强等（2008），针对浅埋煤层采用传统技术实现保水开采的难点，从开采方法本身采取措施，提出了一套较为系统的薄基岩浅埋煤层保水开采新技术；彭小沾等（2008）针对陕北干旱缺水的实际, 分析了房柱式保水开采的设计原则；王双明等（2009）揭示了区合理生态地下水位埋深为 1.5 -5.0 m ,煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降, 表生生态退化, 控制地下水位是生态脆弱矿区科学开采的核心；孙远进（2009）系统地进行了地下水动力学参数、覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验；王维等（2009）建立了关键层简要模型，并对关键层的影响作了简要分析；简煊祥等（2009）针对采煤过程对区域水文地质的影响和对地下水资源的破坏问题，论述了煤矿顶板水保水开采的理论基础、主要影响因素和技术研究现状，并介绍了陕西榆林市榆阳区煤矿保水开采的成功经验；潘卫东等（2009）根据绿色开采体系中保水开采的重要性, 依据濉萧矿区的生产地质条件, 提出了充填矸石替换三下压煤的充填保水采煤技术模式；亢波（2011），经过对矿井岩溶水系统水文地质条件的分析研究，采用打疏水钻孔的疏水技术，将矿井太原组灰岩含水层的涌水疏排到下部奥陶系灰岩含水层中，疏干太原组灰岩含水层中的水，并将水储藏于奥陶系水层中；张杰等（2009）分析了陕北榆神府矿区浅埋煤层保水开采的水文及工程地质条件, 对砂基型保水开采地质条件进行了分类, 推导出浅埋煤层导水裂隙发展计算公式; 通过一系列不同地质条件下的固-液耦合相似材料模拟实验, 得出了不同砂基型条件下及河流下的间歇式保水开采参数; 建立了保水煤柱稳定性分析的三维数值模拟模型, 计算了煤柱和基岩保护层的稳定性；黄庆享（2009）通过对黏土隔水层应力–应变全程曲线测定，建立以残余强度和应变为关键指标的模拟方法。