張東升，李文平，來興平，范鋼偉，劉衛(wèi)群

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116；5.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;6.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

我國西北煤炭開采中的水資源保護(hù)基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展

張東升1，李文平2，來興平3，范鋼偉4,5，劉衛(wèi)群6

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116；5.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;6.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

圍繞西北煤炭開采中水資源保護(hù)基礎(chǔ)理論研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題,介紹了西北煤田地層結(jié)構(gòu)特征、采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)與隔水層穩(wěn)定性時(shí)空演變規(guī)律和水資源保護(hù)性采煤機(jī)理與控制理論等方面的研究進(jìn)展情況。構(gòu)建了西北礦區(qū)不同生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型生態(tài)-水-煤系地層空間賦存結(jié)構(gòu)模型，分析了淺表層水分布特征與水循環(huán)運(yùn)移規(guī)律；提出了覆巖裂隙表述和重構(gòu)方法，構(gòu)建了上位隔水層-中位阻隔層-下位基本頂結(jié)構(gòu)協(xié)同變化模型和漸序變化模型；構(gòu)建了該區(qū)初/復(fù)采煤層保水開采技術(shù)適用性分類方法體系，探索了新式短壁保水采煤方法，為構(gòu)建基于水資源保護(hù)的西北煤炭科學(xué)開采方法體系奠定基礎(chǔ)。

西北；保水開采；地層結(jié)構(gòu)；適用性分類；短壁采煤

隨著東部礦區(qū)煤炭資源的枯竭，中部資源與環(huán)境約束的矛盾加劇，我國煤炭資源開發(fā)重心已快速轉(zhuǎn)移到西部生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū)。西北五大煤炭基地(陜北、黃隴、神東、寧東、新疆)年均產(chǎn)煤增量占全國的60%以上(2012)；2012年產(chǎn)量達(dá)到12.2億t，占全國產(chǎn)量的1/3[1-2]。在大規(guī)模、高強(qiáng)度開采西部埋藏淺、厚度大的煤炭優(yōu)勢資源中，較少顧及生態(tài)環(huán)境容量特別是水資源承載力，存在水資源破壞、地表植被死亡等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境損害問題，西部脆弱的生態(tài)環(huán)境特別是水資源條件難以承載大規(guī)模、高強(qiáng)度采煤，國家新批的第14個(gè)新疆大型煤炭基地(預(yù)測資源量占全國39.3%)建設(shè)也面臨同樣問題，引起了國家高度重視[3]。煤炭資源科學(xué)規(guī)模開發(fā)與生態(tài)環(huán)境特別是水資源保護(hù)相協(xié)調(diào)，已成為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求以及《國家中長期科技發(fā)展綱要》重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先主題，為此，在2015年國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目指南中將“我國西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭科學(xué)規(guī)模開發(fā)與水資源保護(hù)”列入“能源科學(xué)領(lǐng)域”資助研究方向之一。

基于我國西部煤田煤層厚、埋藏淺、水資源匱乏和生態(tài)脆弱等特征，針對大規(guī)模機(jī)械化開采方式下的生態(tài)環(huán)境損害問題，以生態(tài)環(huán)境容量特別是水資源承載力為約束條件，開展煤炭開采中的水資源保護(hù)基礎(chǔ)理論研究，實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)恢復(fù)”向“主動(dòng)保護(hù)”、從“重開采”向“重協(xié)調(diào)”的重大轉(zhuǎn)變，是我國西部煤炭資源科學(xué)開發(fā)面臨的迫切任務(wù)[4]。為此凝練出3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題及其邏輯關(guān)系，如圖1所示。本文圍繞西北煤炭開采中水資源保護(hù)基礎(chǔ)理論研究中的3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題——西北煤田地層結(jié)構(gòu)特征、淺埋厚煤層采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)與隔水層穩(wěn)定性時(shí)空演變規(guī)律和水資源保護(hù)性采煤機(jī)理與控制理論介紹相關(guān)研究進(jìn)展。

圖1 關(guān)鍵科學(xué)問題及邏輯關(guān)系

1 西北煤田地層結(jié)構(gòu)特征

對于西北生態(tài)脆弱區(qū)，煤層之上淺層地下水和地表水(簡稱淺表層水)，是影響生態(tài)環(huán)境最為關(guān)鍵的因素之一；而西北煤田的淺埋深、厚煤層的賦存特征極易出現(xiàn)煤層開采引起淺表層水潰涌和漏失現(xiàn)象，誘發(fā)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。地層作為地下水的賦存空間，其結(jié)構(gòu)特征與巖土體性質(zhì)顯然會(huì)影響淺表層水資源的分布與運(yùn)移，反之，淺表層水在循環(huán)運(yùn)移過程中又會(huì)引起巖土體物理力學(xué)、水理性質(zhì)的變異[5-7]。因此，西北煤田地層結(jié)構(gòu)特征、淺表層水系統(tǒng)分布循環(huán)及其與巖土體相互作用機(jī)理(簡稱淺表層水循環(huán)作用機(jī)理)，是我國西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭科學(xué)規(guī)模開發(fā)與水資源保護(hù)研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

1.1 西部煤田生態(tài)-水資源分布及生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型

經(jīng)過調(diào)查、衛(wèi)片解釋，結(jié)合區(qū)域地面調(diào)查、工程實(shí)踐等，將生物圈-水圈結(jié)合，劃分西北煤田天然生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型為潛水沙漠灘地綠洲型、地表水溝谷河流綠洲型、區(qū)域性(深埋)地下水富集型、地表徑流(黃土)溝壑型、水資源貧乏—生態(tài)惡劣區(qū)[8]。

(1)潛水沙漠灘地綠洲型

榆神礦區(qū)中部等：包括大保當(dāng)井田、錦界煤礦、金雞灘井田、紅柳林井田、轉(zhuǎn)龍灣煤礦、母杜柴登煤礦、石拉烏素礦等。沙漠灘地型地形相對較平坦。

水資源類型主要有：地表水以海子、沙漠濕地、湖泊為主，地下水主要為薩拉烏蘇組砂層潛水、基巖風(fēng)化帶水、白堊系洛河組水為主要水源。

(2)地表水溝谷河流綠洲型

沙漠邊緣地下水溢出帶等：如榆神礦區(qū)東部的檸條塔井田、張家峁井田、涼水井井田等，新疆伊犁河谷區(qū)的煤礦等。溝谷河流型地表水流(河流、溝谷等)發(fā)育，如榆神礦區(qū)的榆溪河、考考烏素溝、蘆草溝等，屬常年性水流。

水資源類型主要有：地表溝谷流水、泉水，薩拉烏蘇組潛水、燒變巖水、風(fēng)化帶裂隙水、河谷沖積層水。

(3)區(qū)域性(深埋)地下水富集型

鄂爾多斯盆地腹地洛河組含水層、山前盆地邊緣大型沖洪積扇等：如永隴、彬長礦區(qū)的崔木煤礦、大佛寺礦、胡家河礦等。

水資源類型主要有：以巨厚洛河組砂層水、基巖風(fēng)化帶水、山前大型洪積扇水等為主要水源。

(4)地表徑流(黃土)溝壑型

榆神礦區(qū)東北部：黃土溝壑發(fā)育，地表大部為第四系黃土或風(fēng)積沙所覆蓋；紅柳林井田東部、張家峁井田大部、檸條塔井田北翼(考考烏素溝以北)，神東礦區(qū)大部等。

水資源類型主要有：以地表季節(jié)性徑流為主，局部蓋砂層水、風(fēng)化帶水(量少)。

圖2 現(xiàn)場遙測水位計(jì)安裝及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1.2 淺表層水區(qū)域循環(huán)過程機(jī)理

為了分析西部煤田地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對陜北煤田典型礦區(qū)(神南礦區(qū))進(jìn)行了地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測，共完成了10個(gè)長觀孔(紅柳林井田7個(gè)、檸條塔井田2個(gè)、張家峁井田1個(gè))遙測水位監(jiān)測系統(tǒng)安裝工作，并開始對承壓水(風(fēng)化帶含水層)或潛水(薩拉烏蘇含水層)水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。圖2為現(xiàn)場遙測水位計(jì)安裝圖。

在分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立研究區(qū)(神南礦區(qū))三維水文地質(zhì)概念模型，根據(jù)已概化的非均質(zhì)、各向異性三維非穩(wěn)定流模型，建立如下水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型：

式中,Ω為孔隙地下水流場區(qū)域的水頭函數(shù);Kx,Ky,Kz分別為含水層或者弱透水層的主方向滲透系數(shù)，m/d;Ss為未考慮含水層土體變形耦合效應(yīng)條件下的含水層儲(chǔ)水率(m-1)與含水層土層骨架儲(chǔ)水率(m-1)之和;ε為單位體積流量， d-1;H(x,y,z,t)為孔隙地下水流場含水層或弱透水層的水頭函數(shù)，m;q(x,y,z,t)為含水層第2類邊界的已知單寬流量函數(shù)，m2/d;t為時(shí)間；Г0為第1邊界條件;Г1為第2邊界條件。

以神南礦區(qū)為例，通過統(tǒng)計(jì)模擬區(qū)428個(gè)鉆孔資料，采用有限元法模擬天然滲流場特征，揭示天然狀態(tài)下含水層間水力聯(lián)系、區(qū)域淺層水系統(tǒng)水資源分布、水循環(huán)運(yùn)移規(guī)律等，對研究區(qū)進(jìn)行淺層地下水資源評價(jià)，并預(yù)測在給定條件下(采后5 a)礦區(qū)地下水流場變化情況(圖3)。

1.3 環(huán)境工程地質(zhì)模式初步分區(qū)

選取水體與煤層間距、紅土厚度、紅土與煤層間距、黃土厚度、黃土與煤層間距、風(fēng)化帶厚度、基巖厚度、煤厚、硬巖比例系數(shù)、泥巖厚度、降雨量和水體類型等影響導(dǎo)水裂隙帶高度、覆巖組成結(jié)構(gòu)及水資源分布因素，確定各因素的量化指標(biāo)，建立礦區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)影響的多元信息綜合評判模型[9]，在此基礎(chǔ)上建立礦區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)模式，并對神南礦區(qū)進(jìn)行了初步分區(qū)(圖4)。

2 采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)與隔水層穩(wěn)定性時(shí)空演變規(guī)律

地下煤炭開采將造成覆巖應(yīng)力重新分布，由上位隔水層-中位阻隔層-下位基本頂構(gòu)成的覆巖結(jié)構(gòu)(簡稱“隔-阻-基”結(jié)構(gòu))會(huì)發(fā)生時(shí)空演化，導(dǎo)致原生裂隙擴(kuò)展和次生裂隙發(fā)育，減弱整體隔水效果。過度變形開裂還可造成巖層破斷、巖體移動(dòng)，改變原有覆巖結(jié)構(gòu)形式，使隔水效果完全喪失。西部煤田多為淺埋厚煤層，影響滲流的采動(dòng)覆巖應(yīng)力、裂隙等關(guān)鍵因子可能存在變幅大、范圍廣、易突變等特點(diǎn)[10-11]。因此，采動(dòng)“應(yīng)力場-裂隙場-滲流場”耦合關(guān)系是制約阻隔水效果的關(guān)鍵科學(xué)問題，該問題又可細(xì)分為外部采動(dòng)覆巖-水循環(huán)相互響應(yīng)和內(nèi)部應(yīng)力-裂隙-滲流相互作用兩部分。建立基于耦合因素的隔水層穩(wěn)定性判據(jù)是揭示地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制和研究水資源保護(hù)性采煤機(jī)理的前提。

圖3 礦區(qū)地下水流場變化情況

圖4 神南礦區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)模式分區(qū)

2.1 覆巖強(qiáng)度、變形與滲透性特征

選取神木紅柳林礦和哈密大南湖一礦巖樣為基礎(chǔ)，對比東部兗礦相關(guān)巖樣。研究結(jié)果表明：西部淺埋覆巖峰值滲透率同樣滯后于應(yīng)力幅值，但應(yīng)力峰值前滲透率波折較多，且數(shù)值變化不明顯。峰值時(shí)滲透率變化幾乎是之前的3倍，應(yīng)力峰值滲透率和峰值滲透率大約10-16m2量級(jí)，比東部兗礦埋深300 m巖樣還要低3個(gè)量級(jí)。

2.2 覆巖裂隙探測、重構(gòu)和模擬

選取陜西紅柳林和新疆大南湖一礦部分巖樣，分別實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試阻隔水巖樣裂隙發(fā)育狀況(圖5，6)。實(shí)驗(yàn)在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)ACTIS CT系統(tǒng)上進(jìn)行。裂隙巖樣通過壓力機(jī)加載得到，所有掃描試樣均在同一掃描參數(shù)下進(jìn)行；利用Matlab主裂紋識(shí)別和灰度處理形成模擬架構(gòu)，基于圖像識(shí)別的COMSOL進(jìn)行裂隙滲流數(shù)值模擬。

圖5 紅柳林巖樣單軸壓縮破壞CT斷面掃描

圖6 按CT斷面掃描圖像識(shí)別重構(gòu)的巖樣裂隙通道

圖7 覆巖漸序破壞模型

2.3 “隔-阻-基”漸序和協(xié)同破壞模型

針對可能出現(xiàn)的阻隔水巖層漸序/協(xié)同破壞特征，即底層破壞是否直接影響頂層隔水性能，采用巖層破壞遞推關(guān)系和層合板模型綜合分析。

假定覆巖為自下而上按層序破壞，建立覆巖漸序破壞模型如圖7所示(d為覆巖總厚度；dn為第n層巖層厚度；ρn為第n層巖層密度；σn為第n層巖層受力；σθ為面上的法向應(yīng)力；τθ為面上的剪切應(yīng)力；θ為面與主應(yīng)力方向夾角)。利用巖層破壞遞推關(guān)系分析中間阻隔層漸序破壞對上覆隔水層的影響，各層應(yīng)力可利用Matlab編程遞推計(jì)算得到，如圖8所示。

圖8 σθ的分布情況

假定阻隔水層共包含n層，總厚度為t，zn為第n層距離隔水層中間位置的距離，上表面受均布載荷q(x,y)=q0，模型四邊簡支，建立阻隔水層協(xié)同破壞模型如圖9所示。

圖9 層合板模型

以崔木K5-2號(hào)鉆孔為例計(jì)算的頂層和覆巖整體應(yīng)力分布，模型長、寬取6 000 mm，總厚度500 mm，均布載荷1.86 MPa，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 覆巖層合模型頂層應(yīng)力分布

2.4 侏羅系煤層導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)

采用微電阻率成像測井技術(shù)及鉆孔沖洗液消耗量等方法對研究區(qū)6個(gè)鉆孔進(jìn)行了導(dǎo)水裂隙帶高度現(xiàn)場實(shí)測(榆陽煤礦、紅柳林井田及崔木煤礦各2個(gè)鉆孔)，同時(shí)收集臨近區(qū)域侏羅系煤層開采導(dǎo)高實(shí)測資料22個(gè)；初步建立了侏羅系煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度Hli與采厚M、采深s、工作面斜長b(單位m)的經(jīng)驗(yàn)公式。

3 水資源保護(hù)性采煤機(jī)理與控制

煤炭資源開采造成的水資源流失及生態(tài)環(huán)境損害問題，必須基于水資源承載力從采礦源頭上加以控制。主要面對3個(gè)層面的問題：一是從采煤工作面具體條件下的水資源保護(hù)的“點(diǎn)”到礦區(qū)、煤田大范圍內(nèi)的地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的“面”;二是從已采礦區(qū)在水資源容量的約束下如何調(diào)整礦區(qū)規(guī)劃、礦井設(shè)計(jì)和工作面生產(chǎn)能力，到未采礦區(qū)如何一步到位、做好頂層規(guī)劃與設(shè)計(jì)、采區(qū)優(yōu)化與工作面產(chǎn)量以及采礦方法選擇與工藝配置；三是從現(xiàn)有的保水采煤理論與技術(shù)到二次開采或西部新條件下的適用性。

3.1 初/復(fù)采煤層保水開采技術(shù)適用性分類方法

研究得出隔水層內(nèi)不產(chǎn)生導(dǎo)水通道的條件為

臨界層采比為

下煤層復(fù)采合理采高為

建立了單一煤層和煤層群初/復(fù)采煤層保水開采技術(shù)適用性分類方法體系，見表1，2。

表1 單一煤層保水開采技術(shù)適用性分類

Table 1 Applicablity classification on aquifer protection in mining of single coal seam

類別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ基巖厚度/m<3535～5035～5035～5035～5035～50≥100導(dǎo)水通道控制工藝參數(shù)弱含水性中等含水性強(qiáng)含水層開采方法暫不開采長壁綜合機(jī)械化采煤采高/m2～6采速/(m·d-1)>15>15>10>10>10配套措施局部處理備選開采方法暫不開采短壁開采方法暫不開采長壁綜合機(jī)械化采煤采高/m2.0～3.53.5～5.05～66采速/(m·d-1)>15>15>15>15>10配套措施局部處理備選開采方法暫不開采短壁開采方法暫不開采長壁綜合機(jī)械化采煤采高/m2～33.0～4.54.5～5.55.5～6.0采速/(m·d-1)>15>15>15>15>10配套措施局部處理備選開采方法暫不開采短壁

表2 煤層群開采保水開采技術(shù)適用性分類方法

Table 2 Applicablity classification on aquifer protection in mining of coal seam group

上煤層基巖厚度/m松散含水層富水性<40強(qiáng)中弱40～60強(qiáng)中弱60～80強(qiáng)中弱80～100強(qiáng)中弱>100強(qiáng)中弱隔水層厚度/m5.4～8.48.4～9.09～308.4～12.012～1515～3611～1717～2020～3614～2222～2424～3622～3624～3636開采方法長壁綜合機(jī)械化采煤上煤層最大采高/m0.9～1.41.4～1.51.5～5.01.4～2.12.1～2.52.5～6.01.9～2.92.9～3.33.3～6.02.4～3.63.6～4.04～63.6～6.04～66開采速度/(m·d-1)>15>15>10>10>10配套措施對覆巖導(dǎo)水裂隙進(jìn)行充填或開采邊界充填式采煤法層間距/m <1010～2020～3030～40>40開采方法長壁綜合機(jī)械化采煤(內(nèi)錯(cuò)布置)最大采高/m0.3～0.40.4～0.50.5～1.70.6～0.80.8～1.01.0～3.40.9～1.21.2～1.51.5～5.11.2～1.61.6～2.02～61.6～6.02～66下煤層(外錯(cuò)布置)最大采高/m1.2～1.81.8～2.12.1～6.31.9～2.92.9～3.33.3～6.02.6～3.93.9～4.64.6～6.03.5～5.05.0～5.85.8～6.05～65.8～6.06開采速度/(m·d-1)>15配套措施優(yōu)先選擇下煤層外錯(cuò)布置方式,結(jié)合“一分為二,窄區(qū)段煤柱,錯(cuò)開同采法”和開采邊界充填式采煤法

3.2 短壁保水采煤方法

提出了寬巷式全采充填充填保水采煤方法，將開采塊段內(nèi)的所有采場支巷分為多個(gè)階段(圖11)，形成了“一采一充、采充并行”保水采煤新模式。

圖11 寬巷式全采充填短壁保水開采方案

數(shù)值模擬分析了不同采高、埋深，塊段長度以及區(qū)段保護(hù)煤柱寬條件下對度導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，并通過多元非線性回歸分析，得出各因素與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的關(guān)系為

h=0.07H-0.362l+33.685lnL+

其中，h為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度；H為開采深度，m;l為區(qū)段保護(hù)煤柱寬,m;L為塊段長度,m;m為預(yù)測公式擬合度(R2)，為0.945。

通過力學(xué)分析(圖12(a))和數(shù)值模擬(圖12(b))研究了直接頂、關(guān)鍵層的變形破斷規(guī)律和支巷頂板破裂的臨界條件，揭示了短壁寬巷式全采充填覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制機(jī)理，設(shè)計(jì)出合理的支巷、間隔體寬度、充填體力學(xué)特性等開采參數(shù)。研究成果在現(xiàn)場得到了應(yīng)用，采出率達(dá)96.8%，隔水層沒有受到破壞，有效保護(hù)了礦區(qū)的地下和地表水資源。

圖12 短壁寬巷式全采充填覆巖結(jié)構(gòu)模型

4 結(jié) 語

(1)通過近幾年的研究，構(gòu)建了西北礦區(qū)不同生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型生態(tài)-水-煤系地層空間賦存結(jié)構(gòu)模型、淺表層水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和水文地質(zhì)數(shù)值模型，選取了4種生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型典型地質(zhì)剖面，分析了淺表層水分布特征與水循環(huán)運(yùn)移規(guī)律，為西北煤炭保水開采理論研究奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)分析測試了阻隔巖層初始及變形破壞過程中裂隙分布特征，構(gòu)建了上位隔水層-中位阻隔層-下位基本頂結(jié)構(gòu)協(xié)同變化模型和漸序變化模型，實(shí)測了采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶高度及巖土變形-破壞-滲流過程，為研究采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)與隔水層穩(wěn)定性時(shí)空演變規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)。

(3)系統(tǒng)研究了西北典型礦區(qū)不同賦存結(jié)構(gòu)類別采動(dòng)覆巖移動(dòng)與裂隙發(fā)育規(guī)律，分析了初/復(fù)采隔水層及地下水系統(tǒng)穩(wěn)定性控制機(jī)理，構(gòu)建了該區(qū)初/復(fù)采煤層保水開采技術(shù)適用性分類方法體系，探索了新式短壁保水采煤方法，為構(gòu)建基于水資源保護(hù)的西北煤炭科學(xué)開采方法體系奠定基礎(chǔ)。

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Development on basic theory of water protection during coal mining in northwest of China

ZHANG Dong-sheng1，LI Wen-ping2，LAI Xing-ping3,FAN Gang-wei4,5,LIU Wei-qun6

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourceandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.SchoolofEnergy,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;4.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducation，ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;5.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;6.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

In terms of the key scientific problems in the research of basic theory on water resources protection during mining on coal seam in northwest China,this paper introduces the following research developments:the stratigraphic structural characteristics of northwest coalfield,the space-time evolution laws on the stabilities of the overlying strata structure and aquiclude,and the mechanism and control theory of water-protection coal mining.The geometrical structure model of ecology-water-coal measure rock strata was established based on different eco-geological types in northwest mining area.Distribution characteristics and water cycle migration regularity of the shallow water resources were analyzed.The expression and reconstruction method of overlying rock fracture was proposed.The coordinated variation model and the gradual variation model on the relationship among upper aquiclude,medium barrier strata and lower main roof were built.A classification system on water-protection mining technology referred to virginal/repeated mining was constructed.A new type of shortwall mining with water protection was explored.The above works lay a foundation for scientific coal mining method on water protection in northwest of China.

northwest of China;water-preserved mining;stratigraphic structure;applicability classification;shortwall mining

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5045

2016-10-10

2016-11-12責(zé)任編輯:張曉寧

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2015CB251600);江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目

張東升(1967—)，男，江蘇如皋人，教授。Tel：0516-83590501，E-mail:dshzhang123@126.com。通訊作者：范鋼偉(1985—)，男，河南汝州人，副教授。Tel：0516-83590501，E-mail:fangangwei@cumt.edu.cn

TD823;P641

A

0253-9993(2017)01-0036-08

張東升，李文平，來興平,等.我國西北煤炭開采中的水資源保護(hù)基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):36-43.

Zhang Dongsheng，Li Wenping，Lai Xingping,et al.Development on basic theory of water protection during coal mining in northwest of China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):36-43.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5045