西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究

曹志国^1,2，张建民^1,2，王皓³，张国军^1,2，张文忠³

1. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室2. 北京低碳清洁能源研究院3. 中煤科工集团西安研究院有限公司

摘 要：针对西部煤炭主产区矿井水保护利用技术难题,以煤水协调开采为基本原则,自主设计了包含实验材料配制系统、模型框架加载系统、水压控制系统、柔性隔离层注浆控制系统、数据采集系统等5部分组成的煤水协调开采物理模拟实验平台;研制出由骨架结构物和胶结物组成的相似材料,其中骨架结构物用于调控相似材料弹性模量,胶结物用于调控相似材料整体强度,经检验,所研制材料的力学和渗流特性均满足相似模拟实验的基本要求;以西部宁东煤田麦垛山煤矿2号煤首采区为研究对象,开展了煤水协调共采物理相似模拟实验研究,工作面回采3～5个周期来压步距后,通过对隔水层进行注浆改造或压裂处理,分析煤水协调开采过程中导水裂隙带高度演化特征、7个测点水流变化情况以及顶板破断特征,研究表明:隔离层压裂改造位置应位于超前基岩顶板扰动范围之外,隔离层注浆改造应在岩层充分压实后（3～5个周期来压后）进行,采用压裂和注浆封堵相结合的工艺手段,隔离了"地下水"向下渗流通道,可以实现地下水原位保护。模拟研究了4种工况条件下人工隔水层的保水作用,首先对2号煤首采区上覆含（隔）水层系统进行数值概化,建立研究区地下水系统数值模型;然后利用矿区水文监测孔的水位数据对模型参数进行校核,获得最终含水层参数、模拟期水均衡项以及流场信息;最后结合区内用水情况、地下水开采现状,设置2号煤实际开采条件下工作面布置与回采方案,利用参数校核后的模型对研究区地下水水位和流场进行情景模拟分析,结果表明:人工隔离层建造位置越靠下,隔水效果越显著。

关键词：西部矿区;煤水协调开采;导水裂隙带;隔离层压裂;隔离层注浆改造;