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厚黄土地区煤矿开采对上覆松散含水层影响的机理研究

王凯  
【摘要】:在厚黄土覆盖的黄土高原地区,松散含水层是很多居民生活、生产用水的主要来源之一。在山西等能源大省,煤层的开采会对上覆含水层产生影响甚至破坏。以往研究采煤对地下水资源的影响,大多是针对导水裂隙带之内的含水层,而认为对该带之上的含水层没有影响。但大量的事实证明,在导水裂隙带未能沟通或者未完全沟通的含水层区域,也会出现区域水量的流失现象。本文以厚黄土覆盖地区—长治屯留县常村煤矿为研究背景,运用相似模拟实验手段,探讨采煤对该区松散含水层的影响机理。煤层分三层开采,覆岩垮落后在剖面上呈对称的八字型,垮落角介于50?60°之间。三维摄影测量系统引入本实验以精确测量覆岩的位移变化。通过分析采动下覆岩位移监测线的变化,研究煤层分层开采下覆岩的水平位移规律和垂直位移规律。研究各煤层开采完成时,覆岩导水裂隙带发育高度变化。统计煤层不同推进距离下裂隙的长度和面积,研究煤层不同开采厚度覆岩裂隙的发育规律和发育程度。以煤层采空面积为自变量,覆岩裂隙的长度和面积为因变量,建立煤层采空面积和覆岩裂隙发育的过程曲线,得出覆岩裂隙长度与煤层采空面积呈三次多项式关系,裂隙面积与煤层采空面积呈二次多项式关系。对比不同推进距离下覆岩导水裂隙带高度和松散含水层下渗速率之间的关系,当第二层煤层开采至220m,导水裂隙带发育高度为89.9m,距离松散含水层隔水底板较远,但此时的松散含水层下渗速率由原来的0.0278cm/h增加至0.0712cm/h,第三层煤层开采过程中,当推进距离L=160m时,含水层的平均下渗速率迅速增大至5.5cm/h,此时的松散含水层会疏干,底板隔水层失去保水作用。研究实验过程中隔水粘土层的水平变形、倾斜变形和曲率,当隔水层的曲率大于-0.13m-1时,隔水层的渗透系数会受到影响,当隔水层的曲率大于-0.22m-1时,隔水层的渗透系数会有数量级的增大,严重破坏了隔水层的结构,可以作为判断含水层是否受到影响的依据。相似模拟实验证明了不能仅仅依据导水裂隙带高度判断采煤对松散含水层是否造成影响。


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