李 濤，王蘇健，韓 磊，高 穎

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)資源與地質(zhì)工程博士后流動(dòng)站 710065；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 710065；3.煤炭綠色安全高效開(kāi)采國(guó)家地方聯(lián)合工程中心 710065)

生態(tài)脆弱礦區(qū)松散含水層下采煤保護(hù)土層合理厚度

李 濤1,2,3，王蘇健2,3，韓 磊2,3，高 穎2,3

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)資源與地質(zhì)工程博士后流動(dòng)站 710065；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 710065；3.煤炭綠色安全高效開(kāi)采國(guó)家地方聯(lián)合工程中心 710065)

為保護(hù)生態(tài)脆弱礦區(qū)的生態(tài)潛水位，對(duì)采煤保護(hù)土層厚度的合理厚度進(jìn)行研究?；诘叵滤畡?dòng)力學(xué)，分析了采動(dòng)潛水位越流變化機(jī)理，并采用水-電相似模擬技術(shù)，模擬了采后不同有效隔水層厚度及其物理特性條件下潛水位變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：煤炭開(kāi)采，越流水位差越大，采后有效隔水層隔水能力越差，采動(dòng)潛水位降深越大。研究區(qū)典型地質(zhì)條件下，采后有效隔水層為42.6 m的離石黃土或21.0 m的保德紅土?xí)r，潛水不會(huì)顯著漏失。多種軟件耦合實(shí)現(xiàn)了煤炭開(kāi)采工作面水-電相似模擬，得到了研究區(qū)典型采礦地質(zhì)條件下不同有效隔水層厚度與潛水位降深的關(guān)系，水-電模擬結(jié)果與理論研究結(jié)果相吻合，并得到了工程實(shí)踐的初步驗(yàn)證。

保水采煤；保護(hù)層；相似模擬；土層；越流

隨著煤炭戰(zhàn)略發(fā)展西移，我國(guó)煤炭開(kāi)采與生態(tài)保護(hù)的矛盾日益突出，“保水采煤”成為了研究的熱點(diǎn)。范立民等在《我國(guó)西部侏羅紀(jì)煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤及地質(zhì)環(huán)境綜合研究》項(xiàng)目中首次提出了“保水采煤”一詞[1]；其后，大量研究成果相繼涌現(xiàn)，依據(jù)“保水”的思路可以分為“保水位”和“保水量”兩種。其中，“保水位”為主的研究，關(guān)注的是采動(dòng)煤-水關(guān)系的演化，即采礦對(duì)含水層的影響控制在可以接受的范圍內(nèi)，相關(guān)研究有：王雙明等提出了基于生態(tài)水位保水采煤理論[2]；黃慶享提出了隔水關(guān)鍵層穩(wěn)定性理論，揭示了隔水層“上行裂隙”和“下行裂隙”發(fā)育規(guī)律[3-4]和彌合特性[5]，提出了隔水層穩(wěn)定性判據(jù)和保水開(kāi)采的分類指標(biāo)[6],并建立了條帶充填保水開(kāi)采的隔水層穩(wěn)定性理論[7]；張東升等研究了砂基型“保水采煤”技術(shù)等[8]?！氨Ｋ俊睘橹鞯难芯?，關(guān)注的是水資源采動(dòng)循環(huán)、時(shí)空均衡、復(fù)用等，將采動(dòng)影響的水資源采用一定的技術(shù)重新利用，相關(guān)研究有：武強(qiáng)提出了三位一體系統(tǒng)來(lái)保護(hù)生態(tài)環(huán)境[9]；彭蘇萍提出了煤礦區(qū)水資源保護(hù)、科學(xué)利用和合理配置的戰(zhàn)略路徑[10]；顧大釗提出了地下水庫(kù)理論和技術(shù)系統(tǒng)[11]；李文平提出了“保水采煤”工程地質(zhì)條件分區(qū)[12]；孫亞軍提出了含水層轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)“保水采煤”技術(shù)[13]；李濤研究了煤炭開(kāi)采含隔水層結(jié)構(gòu)變異及水資源動(dòng)態(tài)變化[14]等。

水位、水量和水質(zhì)是“保水采煤”關(guān)注的水體三個(gè)要素，三者是相互關(guān)聯(lián)、相互影響、相互轉(zhuǎn)換，具體的采礦、地質(zhì)條件采用適用的“保水”技術(shù)才能達(dá)到協(xié)調(diào)煤炭開(kāi)采與水資源保護(hù)的目的。其中，在生態(tài)水位敏感的流域區(qū)域必須控制生態(tài)水位[15]，要控制生態(tài)水位需要研究采動(dòng)水位變化機(jī)理，特別是采動(dòng)垂向滲流及越流機(jī)理，進(jìn)而提出相應(yīng)的“保水采煤”措施。目前對(duì)榆神府區(qū)采煤“三帶”發(fā)育規(guī)律的研究已相對(duì)成熟[16-18]，但配套的隔水保護(hù)層厚度的研究較少，特別是考慮保護(hù)越流和生態(tài)適生水位的保護(hù)層厚度研究鮮見(jiàn)報(bào)道。隨著榆神礦區(qū)開(kāi)采地質(zhì)條件逐步從“砂-基”型演變?yōu)椤吧?土-基”型[12]，未來(lái)這一區(qū)域的開(kāi)采將面臨厚土層條件(土層普遍在40 m以上，甚至超過(guò)100 m[19])，基于“保水采煤”的保護(hù)土層合理厚度亟待研究。

本文建立“保水采煤”地下水動(dòng)力學(xué)模型，采用水-電模型模擬煤層開(kāi)采保護(hù)層厚度對(duì)潛水位降深的影響，分析生態(tài)脆弱礦區(qū)松散含水層下采煤保護(hù)土層的合理厚度。

1 “保水采煤”中保護(hù)層意義

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件

研究區(qū)為陜北神南礦區(qū)，區(qū)內(nèi)主要含隔水層自上而下依次為松散砂層含水層、離石黃土隔水層、保德紅土隔水層、風(fēng)化基巖含水層、基巖相對(duì)隔水層(含煤層)，其主要特征見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)主要含隔水層特性

Table 1 Characteristics of aquifer and aquifuge in study area

含隔水層特征松散砂層含水層區(qū)內(nèi)主要含水層,平均厚度10m,滲透系數(shù)平均3.88m/d,潛水位平均2.5m黃土隔水層兩土層區(qū)內(nèi)普遍賦存,厚度集中在40～70m,黃土平均滲透系數(shù)紅土隔水層0.017m/d,紅土平均滲透系數(shù)0.0084m/d風(fēng)化基巖含水層含水層,平均厚度30m,滲透系數(shù)平均0.0838m/d基巖相對(duì)隔水層(含煤層)粉砂巖為主,局部有極弱富水含水層

1.2 問(wèn)題的提出

“三下采煤規(guī)程”[22]指出導(dǎo)水裂隙帶與水體之間應(yīng)有合理的保護(hù)層厚度，防止水害的發(fā)生。對(duì)于緩傾斜和中傾斜煤層，“三下采煤規(guī)程”規(guī)定，防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度可根據(jù)有無(wú)松散層以及底部黏性土層厚度等情況按表2中的數(shù)值選取。

表2 防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度

Table 2 Thickness of protective seam of the water barrier

覆巖巖性松散層底板黏性土層厚度大于累計(jì)采厚松散層底板黏性土層厚度小于累計(jì)采厚松散層全厚大于累計(jì)采厚松散層全厚小于累計(jì)采厚堅(jiān)硬4A5A6A7A中硬3A4A5A6A軟弱2A3A4A5A極軟弱2A2A3A4A

表2中A不分層時(shí)為采厚，分層時(shí)為各分層的平均采厚。由表2可見(jiàn)，防水煤柱與松散層厚度、黏性土層厚度及采高有關(guān)，這在我國(guó)東部開(kāi)采條件下取得了成效，符合我國(guó)東部礦區(qū)的實(shí)際。但在我國(guó)西北地區(qū)采礦、地質(zhì)條件發(fā)生了較大的變化，主要表現(xiàn)在：

(1)松散層底板黏性土層的滲透性差異沒(méi)有考慮。黏性土的滲透系數(shù)跨越多個(gè)數(shù)量級(jí)，小于10-5cm/s的土層均為黏性土。特別是我國(guó)東部礦區(qū)底部黏性土與我國(guó)西北黃土(紅土)滲透性差距在1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，不可以忽略土層的滲透性差異，而直接利用我國(guó)東部礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

(2)開(kāi)采強(qiáng)度加大。采煤工藝已經(jīng)從過(guò)去的炮采為主變化為高強(qiáng)度的長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤，這使得采動(dòng)隔水土層的滲透性影響有較大差異，不可直接借鑒過(guò)去開(kāi)采條件下的經(jīng)驗(yàn)。

(3)我國(guó)東部降水豐富，潛水位低，而我國(guó)西北地區(qū)總體降水量低，潛水位受采動(dòng)影響敏感，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，因此保護(hù)層的合理存在不僅有防水害的意義，更有保護(hù)生態(tài)潛水位的意義，應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)、水文條件研究提出符合生態(tài)脆弱區(qū)的保護(hù)層厚度計(jì)算方法。

因此，本次研究建立了以下地下水越流模型，并求取其解析解，剖析生態(tài)脆弱礦區(qū)保護(hù)層厚度合理控制的機(jī)理。

2 保護(hù)層合理厚度的3層越流模型分析

2.1 模型的建立

如圖1所示的潛水-弱透水-承壓水3層水文模型，圖中1～3層分別是松散砂層含水層，弱透水土層(黃土和紅土)和風(fēng)化基巖含水層，mn，Kn，Tn，μn，an分別為第n層的層厚，滲透系數(shù)，導(dǎo)水系數(shù)，貯水系數(shù)(給水度)和壓力傳導(dǎo)系數(shù)。天然狀態(tài)下，3層有一定的水力聯(lián)系，有近似的水位。但隨著采動(dòng)依次會(huì)發(fā)生以下幾個(gè)過(guò)程的變化：

圖1 3層結(jié)構(gòu)越流模型

(1)當(dāng)上行導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到風(fēng)化基巖含水層(圖1中的第3層)時(shí)，風(fēng)化基巖含水層被疏放使得風(fēng)化基巖含水層與松散含水層產(chǎn)生水頭差，達(dá)到土層起始滲透坡度時(shí)發(fā)生潛水向承壓水的越流。

(2)隨著上行導(dǎo)水裂隙發(fā)育到土層(圖1中的第2層)，土層整體滲透性增大，松散含水層通過(guò)弱透水含水層補(bǔ)給風(fēng)化基巖量增大。

(3)考慮“下行裂隙”對(duì)隔水土層厚度的侵蝕[5-6]，當(dāng)土層總體隔水性降低到一個(gè)極限時(shí)，松散砂層含水層越流補(bǔ)給產(chǎn)生的潛水位降深S1大于生態(tài)允許降深，保護(hù)土層失效，生態(tài)環(huán)境大面積破壞。

因此，需要建立對(duì)風(fēng)化基巖含水層以定流量Q抽水驅(qū)動(dòng)下，不同弱透水土層厚度m2與松散砂層潛水降深S1的函數(shù)關(guān)系模型。當(dāng)S1為生態(tài)允許降深的最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)土層厚度m2即為該條件下的最小保護(hù)層厚度。

2.2 模型的解析

上述模型的非穩(wěn)定流基本方程式為

式中,h1，h2，h3分別為第1～3層抽水過(guò)程中地下水位，m；S2,S3分別為第2，3層的降深，m;r,z分別為抽水模型徑向和垂向坐標(biāo)，如圖1所示。

模型的初始及邊界條件為

式中,h0為3層的天然統(tǒng)一水位，m。

其次，基于內(nèi)地股市“杠桿效應(yīng)”的存在，監(jiān)管當(dāng)局應(yīng)該謹(jǐn)慎對(duì)待港股市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)輸入，防止外部沖擊帶來(lái)的破壞性；另一方面也要采取有效措施控制內(nèi)地股市的風(fēng)險(xiǎn)因素。具體而言，監(jiān)管部門應(yīng)警惕兩地市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，縮短認(rèn)識(shí)時(shí)滯，制定合理的金融機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)范圍；同時(shí)，以各種中介渠道積極引導(dǎo)投資者的理性投資行為，增強(qiáng)投資者風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)。

依據(jù)文獻(xiàn)[16]中的解析方法，對(duì)模型進(jìn)行拉氏變換后再進(jìn)行Hankel變換及逆變換，由于研究區(qū)工作面開(kāi)采時(shí)間t容易滿足式(3)，可以簡(jiǎn)化模型解析并進(jìn)行拉氏逆變換，最終得到模型的解析解為

當(dāng)時(shí)間t趨于無(wú)窮大時(shí)，

s1(r,

式中，R為影響半徑，m；rw為虛擬抽水井半徑，m；K0(x)為零階第2類虛宗量Bessel函數(shù)。

2.3 保護(hù)層厚度理論計(jì)算

陜北地區(qū)的潛水位埋深最有利于植被生長(zhǎng)在1.5～5 m[19]，為了達(dá)到“保水采煤”的目的，研究區(qū)平均潛水位2.5 m，采動(dòng)越流平均允許下降2.5 m。

表3 保護(hù)層計(jì)算

Table 3 Calculation of protective layer

土層性質(zhì)滲透系數(shù)/(m·d-1)保護(hù)層厚度/m黃土0.017042.6紅土0.008421.0

3 合理保護(hù)層厚度的水-電相似模擬

目前，煤炭開(kāi)采地下水滲流的模擬技術(shù)主要包括以采動(dòng)巖土體裂隙場(chǎng)演化為基礎(chǔ)的裂隙滲流模擬技術(shù)(如UDEC軟件)和地下水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的地下水滲流模擬技術(shù)(如Visual Modflow軟件)。前者對(duì)裂隙水理性(如不同裂隙開(kāi)度的滲透性等)有較好的模擬，但對(duì)松散砂層含水層滲流、越流及水力邊界條件等模擬有局限性；后者對(duì)含隔水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的大區(qū)域滲流場(chǎng)演化有較好的模擬，但對(duì)開(kāi)采擾動(dòng)含隔水層結(jié)構(gòu)及連續(xù)性變異的地下水滲流模擬有局限性。因此，本次研究采用Matlab軟件中電路模塊結(jié)合采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化模擬軟件，模擬采煤工作面多層含隔水結(jié)構(gòu)的滲流場(chǎng)演化，進(jìn)而得出不同采動(dòng)有效隔水層對(duì)應(yīng)的潛水位降深，得出合理保護(hù)層厚度。

3.1 水-電相似原理

水滲流和電流兩個(gè)系統(tǒng)均受拉普拉斯方程控制，其滿足相似基本條件，因此可以用電路來(lái)模擬水滲流[21]。該項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)60年代就在國(guó)際上廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)一般是用電阻來(lái)模擬含水層的透水性，用電容儲(chǔ)存、釋放電量來(lái)模擬含水層中水儲(chǔ)存和釋放的R-C電網(wǎng)絡(luò)模擬方法。近年來(lái)，該方法受限于搭建電路模型實(shí)物的大額資金投入和行業(yè)跨度大，而發(fā)展緩慢，但隨著電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，利用Matlab軟件中的Simulink仿真系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)R-C網(wǎng)絡(luò)模型的搭建，在保留電網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，摒棄了電網(wǎng)絡(luò)模擬需要物理設(shè)備的缺陷。利用Matlab軟件進(jìn)行地下水電模擬的應(yīng)用，能夠快速實(shí)現(xiàn)大量節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型仿真以及易于研究含水層的多層結(jié)構(gòu)。

3.2 水-電模型建立

(1)模型原型

本次模擬的原型為研究區(qū)2-2煤的采煤工作面，模型設(shè)計(jì)為覆巖構(gòu)成及其水文參數(shù)見(jiàn)表4，模型長(zhǎng)400 m，高200 m。

表4 模型原始參數(shù)

Table 4 Original parameters

序號(hào)巖石名稱厚度/m滲透性系數(shù)/(m·d-1)儲(chǔ)水率/m-11松散砂層(薩拉烏蘇組)103.88001.7×10-42黃土310.01701.3×10-33紅土600.00162.6×10-34風(fēng)化基巖19.50.08384×10-55基巖77.90.00103×10-3

(2)模型網(wǎng)格劃分

模型建立主要考慮采煤工作面覆巖剖面流動(dòng)情況。工作面剖面劃分為41×21的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)表達(dá)方式為i×j，其中i=1,2,3，…，21，j=1,2,3,…,41，如圖2(b)所示。

(3)模型單元建立

根據(jù)每層巖土特性，定義如圖2(a)所示地下水流動(dòng)示意圖。其中，含水層考慮剖面兩個(gè)方向的水流，而隔水層只考慮垂向的越流補(bǔ)給情況，離石黃土考慮兩個(gè)方向的流動(dòng)，基巖相對(duì)隔水層滲透系數(shù)較小，在未導(dǎo)通情況下當(dāng)作絕對(duì)隔水層模擬。據(jù)上所述，利用Matlab軟件中的Simulink可視化仿真功能，建立如圖2(b)所示地下水運(yùn)行電網(wǎng)絡(luò)模型示意。

(4)模型參數(shù)

依據(jù)相關(guān)的相似定律[21]，模型中考慮各向同性，薩拉烏蘇組含水層給水度取0.1，潛水水位埋藏深度自左到右取198～195 m，相關(guān)電參數(shù)見(jiàn)表5。

圖2 水-電模型示意

表5 模型電參數(shù)

3.3 水-電模型仿真結(jié)果分析

在UDEC軟件中，建立相同的地質(zhì)模型，在留設(shè)100 m煤柱條件下模擬2-2煤開(kāi)采裂隙場(chǎng)演化。然后將裂隙場(chǎng)疊置到電路模型中，對(duì)基巖裂隙發(fā)育區(qū)域的電阻進(jìn)行短路處理，對(duì)含水層疏干區(qū)域電壓接地處理，對(duì)不同應(yīng)力應(yīng)變路徑的土層的電阻依據(jù)以往研究成果對(duì)電阻進(jìn)行處理[14]，并依據(jù)相似時(shí)間比設(shè)置開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)連續(xù)模擬工作面每次來(lái)壓的含隔水層結(jié)構(gòu)變異及邊界條件變化過(guò)程，模擬形成以下成果。如圖3所示，分別是未開(kāi)采前(回采0 m)、初次來(lái)壓(回采45 m)、裂隙發(fā)育至風(fēng)化基巖(回采85 m)、裂隙發(fā)育至土層不同厚度(回采100,120,130,150 m)的潛水位的曲線。

以節(jié)點(diǎn)20為例(導(dǎo)水裂隙溝通到土層時(shí)，節(jié)點(diǎn)20始終在裂隙帶直接影響范圍內(nèi))，對(duì)比工作面推進(jìn)過(guò)程中潛水位變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表6?？芍寒?dāng)風(fēng)化基巖導(dǎo)通10 m時(shí)，與天然水位相比潛水位降低0.9 m；當(dāng)紅土保護(hù)層40 m、黃土保護(hù)層30 m時(shí)，與天然水位相比潛水位降低1.1 m；當(dāng)紅土保護(hù)20 m、黃土保護(hù)層30 m時(shí)，與天然水位相比潛水位降低1.3 m；當(dāng)黃土保護(hù)層30 m時(shí)，與天然水位相比潛水位降低2.4 m；當(dāng)黃土層保護(hù)層剩余20 m時(shí)，與天然水位相比潛水位降低3 m。將模型黃土全部置換為紅土?xí)r，剩余紅土保護(hù)層30 m，與天然水位相比潛水位降低1.3 m，剩余紅土保護(hù)層20 m，與天然水位相比潛水位降低1.7 m。

由于節(jié)點(diǎn)20天然水位埋深達(dá)3.5 m，生態(tài)水位允許降深1.5 m，模擬結(jié)果顯示黃土剩余30 m或紅土剩余20 m達(dá)不到保護(hù)生態(tài)水位的作用，而黃土30 m+紅土20 m或紅土30 m時(shí)可以達(dá)到保護(hù)生態(tài)水位的作用。模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果基本吻合，但模擬結(jié)果考慮了具體的采礦和地質(zhì)條件，如開(kāi)采周期來(lái)壓決定了有效隔水土層厚度非連續(xù)變化的，而是階梯變化的，因此模擬結(jié)果更接近實(shí)際。

圖3 回采潛水位曲線

表6 節(jié)點(diǎn)20潛水位變化

Table 6 Phreatic level change at No.20

序號(hào)工作面推進(jìn)距離/m有效隔水層土層水位值/m水位降深/m是否保水145黃土30m,紅土60m196.50是285黃土30m,紅土60m195.60.9是3100黃土30m,紅土40m195.41.1是4120黃土30m,紅土20m195.21.3是5130黃土30m194.12.4否6150黃土20m193.53.0否7130紅土30m195.21.3是8150紅土20m194.81.7否

3.4 保水實(shí)踐

榆樹(shù)灣煤礦某分層開(kāi)采工作面是已經(jīng)開(kāi)采的、為數(shù)不多的煤炭開(kāi)采有效隔水土層較厚的工作面[4,19]。該工作面主采2-2煤，采厚5 m，上覆巖土層見(jiàn)表7，研究結(jié)果表明煤層開(kāi)采風(fēng)化基巖被導(dǎo)穿，有效隔水層土層為離石黃土25 m+保德紅土70 m，該工作面取得了保水采煤的成功，地表生態(tài)沒(méi)有受到明顯影響，這與保護(hù)層厚度的理論計(jì)算和模擬結(jié)果相吻合。

表7 上覆巖土層

Table 7 Overlying rock and soil layers

序號(hào)巖石名稱厚度/m1松散砂層102黃土253紅土754風(fēng)化基巖205基巖100

4 結(jié) 論

(1)依據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)建立了生態(tài)脆弱礦區(qū)保護(hù)層合理厚度計(jì)算的越流模型，得出了潛水位降深與采動(dòng)有效隔水土層厚度和滲透性、開(kāi)采強(qiáng)度及其他因素的關(guān)系。計(jì)算出研究區(qū)典型地質(zhì)條件下離石黃土42.6 m或保德紅土21.0 m為最小的保護(hù)層厚度。

(2)基于水、電運(yùn)動(dòng)相似性，建立了工作面開(kāi)采的電路模型，并依據(jù)采動(dòng)裂隙場(chǎng)的模擬結(jié)果，聯(lián)合模擬了含水層采動(dòng)后的水位下降特征，模擬結(jié)果與理論計(jì)算值基本吻合。

[1] 范立民.論保水采煤?jiǎn)栴}[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(5):50-53. Fan Limin.Discussing on coal mining under water-containing condition[J].Coal Geology & Exploration,2005,33(5):50-53.

[2] 王雙明,黃慶享,范立民,等.生態(tài)脆弱礦區(qū)含(隔)水層特征及保水開(kāi)采分區(qū)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(1):7-14. Wang Shuangming，Huang Qingxiang，F(xiàn)an Limin，et al．Study on overburden aquclude and water protection mining regionazation in the ecological fragile mining area[J].Journal of China Coal Society，2010,35(1)：7-14.

[3] 黃慶享,劉騰飛.淺埋煤層開(kāi)采隔水層位移規(guī)律相似模擬研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2006,34(5):34-37. Huang Qingxing，Liu Tengfei.Simulating test on the subsidence law of subsurface water resisting layer upon shallow coalbed mining[J].Coal Geology and Exploration，2006，34(5)：34-37.

[4] 黃慶享.淺埋煤層保水開(kāi)采隔水層穩(wěn)定性的模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(5):987-992. Huang Qingxiang.Simulation of clay aquifuge stability of water conservation mining in shallow-buried coal seam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(5)：987-992.

[5] 黃慶享,蔚保寧,張文忠.淺埋煤層黏土隔水層下行裂隙彌合研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2010,27(1):35-39. Huang Qingxiang，Wei Baoning，Zhang Wenzhong．Study of downward crack closing of clay aquiclude in shallow-buried coal seam[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2010，27(1):35-39．

[6] 黃慶享．淺埋煤層覆巖隔水性與保水開(kāi)采分類[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(S2):3622-3627． Huang Qingxiang．Impermeability of overburden rock in shallow buriedcoal seam and classification of water conservation mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S2):3622-3627．

[7] 黃慶享,張文忠．淺埋煤層條帶充填保水開(kāi)采巖層控制[M].北京：科學(xué)出版社，2014． Huang Qingxiang,Zhang Wenzhong.Strata control in shallow seam strip filling water preserved mining[M].Beijing:Science Press,2014．

[8] 劉玉德.沙基型淺埋煤層保水開(kāi)采技術(shù)及其適用條件分類[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2008.

[9] 武強(qiáng),董東林,石占華,等.華北型煤田排-供-生態(tài)環(huán)保三位一體優(yōu)化結(jié)合研究[J].中國(guó)科學(xué)(D輯:地球科學(xué)),1999,29(6):567-573. Wu Qiang,Dong Donglin,Shi Zhanhua,et al.Row-for-ecological and environmental protection three-in-one combination of the North China type coal field[J].Science in China(Series D),1999,29(6):567-573.

[10] 彭蘇萍,張博,王佟,等.煤炭資源與水資源[M].北京:科學(xué)出版社,2014.

[11] 顧大釗.煤礦地下水庫(kù)理論框架和技術(shù)體系[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(2):239-246. Gu Dazhao.Theory framework and technological system of coal mine underground reservoir[J].Journal of China Coal Society,2015,40(2):239-246.

[12] 李文平,葉貴鈞,張萊,等.陜北榆神府礦區(qū)保水采煤工程地質(zhì)條件研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2000,25(5):449-454. Li Wenping,Ye Guijun,Zhang Lai,et al.Study on the engineering geological condition of protected water resouces during coal mining action in Yu-Shen-Fu Mine Area in the North Shaanxi Province[J].Journal of China Coal Society,2000,25(5):449-454.

[13] 邵飛燕.神東礦區(qū)含水層轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)在保水采煤中的應(yīng)用[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2008.

[14] 李濤.陜北煤炭大規(guī)模開(kāi)采含隔水層結(jié)構(gòu)變異及水資源動(dòng)態(tài)研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2012.

[15] 李濤,王蘇健,李文平,等.沙漠淺灘地表徑流保水煤柱留設(shè)生態(tài)意義及方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2016,33(1):134-139. Li Tao,Wang Sujian,Li Wenping,et al.Ecological significance and method to design protective coal pillar on surface runoff in desert shoal area[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33(1):134-139.

[16] 李琰慶.導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法研究及應(yīng)用[D].西安:西安科技大學(xué),2007:44-61.

[17] 范立民,馬雄德,冀瑞君.西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實(shí)踐進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1711-1717. Fan Limin，Ma Xiongde，Ji Ruijun.Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area[J].Journal of China Coal Society，2015，40(8)：1711-1717.

[18] 胡小娟,李文平,曹丁濤,等.綜采導(dǎo)水裂隙帶多因素影響指標(biāo)研究與高度預(yù)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(4):613-620. Hu Xiaojuan,Li Wenping,Cao Dingtao,et al.Index of multiple factors and expected height of fully mechanized water flowing fractured zone[J].Journal of China Coal Society，2012，37(4)：613-620.

[19] 王雙明,黃慶享,范立民,等.生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開(kāi)發(fā)與生態(tài)水位保護(hù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[20] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及注意井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[21] 薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,2003.

Reasonable thickness of protected loess under loose aquifer in ecologically fragile mining area

LI Tao1,2,3,WANG Su-jian2,3,HAN Lei2,3,GAO Ying2,3

(1.Post-DoctoralMobileResearchCentreofGeologicalResourcesandGeologicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710065,China;2.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstitute,Xi’an710065,China;3.National&LocalUnitedEngineeringResearchCenterofGreenSafetyEfficientMining,Xi’an710065,China)

In order to protect the ecological phreatic level in ecologically fragile mining area,the reasonable thickness of protected loess with mining were studied.Based on groundwater dynamics,the mechanisms of phreatic level leaky with mining had been analyzed.Also,the laws of phreatic level variation with different mining residual thickness and the physical properties of loess had been analyzed by water-electric similar simulations.The results show that the more leaky head and the weaker water isolation,the smaller phreatic decline with mining.While 42.6 m loess of Lishi Group or 21.0 m loess of Baode Group,the mining phreatic level can range in the ecological phreatic level for the typical geological condition of the study area.Water-electric similar simulations of typical geological condition in mining workface is achieved by multiple software.The relationship of mining residual thickness and phreatic decline shows that water-electric simulation results are anastomosing in theoretical results.The results are preliminarily proved by engineering practice.

water-preserved mining;protective layer;similar simulation;loess layer;leaky

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5016

2016-07-02

2016-12-20責(zé)任編輯:畢永華

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2014CB047100)

李 濤(1984—)，男，江蘇沛縣人，高級(jí)工程師，博士，在站博士后。E-mail:qazwdx521@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0098-08

李濤，王蘇健，韓磊，等.生態(tài)脆弱礦區(qū)松散含水層下采煤保護(hù)土層合理厚度[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):98-105.

Li Tao,Wang Sujian,Han Lei,et al.Reasonable thickness of protected loess under loose aquifer in ecologically fragile mining area[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):98-105.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5016