典型矿山地下水防治与资源化调控及工程应用研究.docx

分类号VDC密级博士学位论文典型矿山地下水防治与资源化调控及工程应用研究Stu勿onGroundwaterPrevefltionandResoureeRegulationofTyPiealMineandEngineeringAPPlieation作者姓名:邓红卫学科专业:安全技术及工程学院(系!所):资源与安全工程学院指导教师:周科平教授论文答辩日期答辩委员会主片落上中南大学二00九年九月STUDYONGROUNDW舰,ERPRVENTIONANDRESOURCEREGULAI,IONOFTYPICALMINEANDENGINEERINGAPPLICAr1ONAdissertationsubimittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofthedegreeDOCTOROFPHILOSOPHYfromCENTRALSOUTHUNIVERSITYbyDENGHONGWEISuPervisedbyProfessorZHOUKEPINGProfeSS0rSehoolofResoureesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,P.R.ChinaSePtember.20Og公原创性声明本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明作者签名:日期:蝉年邺蜘学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留!使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印!缩印或其它手段保存学位论文同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到5中国学位论文全文数据库6,并通过网络向社会公众提供信息服务作者签名:导师签名:蝉年!少;博士学位论文摘要地下水资源通常是与矿床祸合在一起,因此,在矿产资源的开发过程中,研究如何解决水资源的最佳开发!治理!保护!利用,使其在促进生态环境与社会经济协调良性发展中发挥最大的经济效益,已经变得非常重要和迫切本文基于多个典型矿山地下水防治与资源化调控工程实践基础之上,着眼于/节能减排!和谐矿山0的防治水模式,采用灾害链与孕源断链减灾理论!岩体渗流理论!水文地球化学!计算机数值模拟等方法建立了金属矿山水害灾害链模型与水害孕源断链减灾模型!因水害引起的塌陷次生灾害的灾害链模型,地下水配置模型;揭示了引起金属矿水害内源的三个基本条件和外源的诱发条件以及岩溶致塌机理,分析了塌陷孕源断链减灾途径与地下水资源的承载力;开发了塌陷次生灾害注浆处治断链减灾防治水技术!地下水环境恢复与再造防治水技术!改良内源的防治水技术,地下水资源配置与调控技术,并把研究成果应用于工程实际,取得了实效具体研究内容如下:(1)矿井水害灾害链结构与孕源断链减灾技术研究应用灾害链理论,构建矿山水害灾害链;通过对灾害链源头特性的辨识,根据孕源断链减灾理论,建立水害孕源断链减灾模型,寻求最优的断链减灾途径,为防治水技术方案的制订提供依据在分析某矿地面塌陷分布规律与塌陷活动规律的基础上,构建塌陷灾害链,开发出塌陷次生灾害治理的孕源断链防治水技术,通过工程实例应用,验证了其良好的防治效果(2)基于岩体渗流理论,进行采掘扰动对地下水渗流环境的动力效应理论分析在分析研究采动条件下顶板应力!应变的特征基础上,对采动与地下水渗流场的藕合效应进行研究引入biot经典渗流祸合理论,分析研究了采动对地下水渗流场的改造,针对性地推导出位移特征量的计算公式,为地下水环境修复提供理论支持(3)提出并实施/地下水环境恢复与再造的防治水技术0以凡口矿!业庄铁矿!三山岛金矿!金翅岭金矿!望儿山金矿为例,通过对各矿地下水渗流场的数值模拟与边界条件概化,综合运用岩石力学理论!岩体扰动渗流理论推导相关的应力!应变方程!渗流方程,通过计算机数值模拟,确定了地下水环境恢复与再造技术的对应参数,并知博士学位论文指导现场试验与工程实施,综合评价均取得显著效果(4)地下水资源配置与调控技术研究引入力学中的承载力概念,理论分析地下水资源承载力,分析表征地下水资源系统的特征值及其属性;利用水文地球化学原理与计算机模拟技术,对三山岛金矿坑水进行预测与分类,计算出该矿地下水资源的风险特征值;基于权值配置地下水资源配置模型,建立了云锡老厂矿区地下水资源配置模型,规划出该矿具体的地下水调控措施关键词:地下水!灾害链,孕源断链,岩体渗流理论,水资源承载力地下水环境恢复,再造技术,渗流祸合,帷幕注浆博士学位论文ABSTRACTABSTRACTGroundwaterresoureesusuallyeouPlewithdePosit.OntheProeessofmineraleXPloitation,studyonhowtosolvetheoPtimalexPloitation,treatment,Proteetionandutilizationofwaterresources,makingitrealizeitsmaximumeconomicbenefitonPromotingtheharmoniousdeveloPmentofeeologiealenvironmentandsoeialeeonomy,beeomeveryPressingandsignificant.ThePaPerbasedongroundwaterPreventionandresourceregulationofmultiPletyPiealminesandengineeringaPPlication,aeeordingto/energy一savingandemissionreduetion,hannoniousmine0waterProtectionandtreatmentPattem,aPPlyingdisasterehainandsoureeehain一euttingdisastermitigationtheory,rockseePagetheory,hydrogeoehemistry,eomPuternumeriealsimulationtoestablishmetalminewaterdisasterchainmodelandwaterdisasterchain一euttingdisastermitigationmodel,eollaPseseeondarydisasterehainmodelcausedbywaterdisasterandgroundwaterresoureeconfigurationmodel.ThethreebasicendogenousconditionsandtheexogenousPredisPosingeonditionsofmetalminegroundwater,andmeehanismofkarst一indueedcollaPsearerevealed.Atthesametime,eollaPsesourceehain一euttingdisastermitigationmeasuresandthecan了ingcaPaeityofgroundwaterresoureesareanalyzed.M厄terProtectiontechnologywhiehusesgroutingtreatmentofehain一euttingdisastermitigationtogovemeollaPseseeondarydisasters,waterProteetiontechnologyofgroundwaterenvironmentrestorationandrecreationandiunersourceamelioration,groundwaterresoureeseonfigurationandregulationtechnologyaredevelopedandtheresearehaehievemenisareaPPliedtoengineeringPraetiee.Detailedresearcheontent15asfollows:(l)Teehnologystu勿onminewaterdisasterehainstructureandsoureeehain一cuttingdisastermitigation.MinewaterdisasterehaineouldbeestablishedthroughaPPlyingdisasterehaintheory:byreeognizingtheeharactersofdisasterehainsouree,waterdisastersourceehain一euttingdisastermitigationmodel15establishedaeeordingtosourceehain一euttingtheory,findingouttheoPtimalchain一euttingdisastermethodand111犷博士学位论文ABSTRACTProvidingevideneesforeonstitutingwaterProteetiontechnologyseheme.AfteranalyzingsomeareagroundeollaPsedistributionregulationandaetionregulationinamine,eollapsedisasterehainwasestablished,andsoureesoureeehain一euttingwaterProteetionteehnologyresearehtomanagecollaPseseeond娜disasterwasPutforwardandProvedthatthewatereffect15satisfaetorybyengineeringPraetice.(2)Theoretiealanalysison勿namieeffeetofexPloitationdistuthaneetowaterseePageenvironmentPredieatedonroekseePagetheory.Basedonanalysisontheeharactersofroofstressandstrainontheeonditionofminingdeformation,eouPlingeffeetofminingdeformationandgroundwaterseePage15studied.BIOTclassieseePageeouPlingtheorywasintroduced,analyzingthereeonstruetionofminingdeformationtogroundwaterseePage,andcaleulationformulaofdisPlaeementeharacteristieswasdeduced,whiehProvidesthetheoretiealsuPPortforrestoringgroundwaterenvironmeni.(3)Putforwardandcan了out/waterProteetionteehnologybasedonthegroundwaterenvironmenirestorationandrecreation,.TakeFankoumine,Yezhuangironmine,SanshandaoGoldmine,JinehilingGoldmineandV/angershanGoldmineasexamPles,bynumeriealstimulationofgroundwaterseePagefieldoftheseminesandboundaryeonditiongeneralization,eomPrehensivelyaPPlyingroekmeehanicstheory,rockdisturbanceseePagetheorytodedueetherelativestress,strainandseePageequation,eorresPondeniParametersofgroundwaterenvironmenirestorationandreereationteehnologyweremadesurethroughcomPutersimulation,andthendireetPraetiealtestandengineeringimPlementationandaequiredmagnlfieeniandobviouseffeet.(4)Stu勿ongroundwaterresourcesconfiguration.BearingeaPacitywasintroducedfromthemeehaniesandgroundwaterresourcebearingcapacityandcharactersofgroundwatersystemweretheoretieallyanalyzed;Applying勿drologicalearthgeochemistrytheoryandcomPutersimulation,SanshandaogoldminePitwaterwasPredietedandseParated,andhaphazardeharactervalueofgroundwaterresoureewascaleulated.Basedonweightconfigurationteehnology,groundwaterresoureeeonfigurationmodelofYunxiLaochangmineareawasestablished,andIV博士学位论文ABSTRACTgroundwaterregulationmeasurewasPlanned.Keywords:groundwater,disasterchain,soureeehain一euttingdisastermitigation,roekseePagetheory,waterresoureebearingeapaeity,groundwaterenvironmenirestoration,reereationteehnology,seePageeouPling,eurtaingrouting犷博士学位论文目录目录摘要.,IABSTRACT.,111第一章概论.,11.1问题的提出.,11.2研究现状.,.,31.3研究的必要性与意义.#.#.#,71.4论文主要研究内容与研究思路.,101.4.1主要研究内容.#,101.4.2技术路线与研究思路.,10第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究.,n2.1概述.,n2.2灾害链源头特性辨识.,.,122.3孕源断链减灾理论.#.#.#,142.4矿山水害灾害链构建.,142.4.1水害灾害链式类型的辨识.,-.,.,.,162.4.2水害灾害链链式图建立.,.,222.5矿山水害孕源断链减灾分析.,232.5.1水害孕源断链链式图建立.,232.5.2水害断链减灾技术.,252.6本章小结.,26第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究.,283.1矿山地下水自然渗流场分类.,283.2基本特征分析.#,283.3采动动力效应理论分析.,303.3.1采场顶板应力分析.#,303.3.2顶板变形分析.,.#,313.4采动与地下水渗流场的祸合效应研究.,333.4.1裂隙岩体自然渗流场特性二,.,.,343.4.2采动对地下水渗流场的改造.,363.5本章小结.,39第四章塌陷次生灾害注桨处治断链减灾防治水技术研究.,414.1概述.,.,41尸博士学位论文目录4.2地面塌陷分布活动规律.,4142.1地面塌陷分布规律.,.,414.2.2地面塌陷活动规律.,.,424.2.3塌陷活跃程度分区.,424.3地面塌陷形成机理.,434.4塌陷灾害链结构及断链减灾分析.,.,444.5塌陷注浆处治断链减灾技术研究,.,.,.,.,464.5,1地面塌陷的预防.,.,464.5.2注浆断链减灾技术的工程应用.,.,.,474.5.3防治效果评价.,.,514.6本章小结.,.,51第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究.,535.1概述.,535.2顶板帷幕注浆防治水技术研究与运用.,.,545.2.1顶板注浆防渗帷幕厚度的确定.,.,545.2.2顶板地下水分布特征.,.,.,.,.,575.2.3采掘活动与顶板突水的关系.,.,.,585.2.4治水工程的实施.,.,.,.,.,585.3地表帷幕截流防治水技术研究与运用.,615.3.1工程简介.,.,615.3.2矿区水文地质环境.,.,625.3.3帷幕注浆截流方案研究,.,.,一635.3.4帷幕注浆截流方案现场试验研究.,675.3.5帷幕注浆参数的确定.,695.3.6帷幕注浆截流综合评价.,705.4本章小结.,.,.,70第六章隔水层再造防治水技术研究.,716.1破碎带防治水技术.,716.1.1内源一本构特征分析.,.,726.1.2防治水方案研究.,.,726.1.3防治效果评述,.,.,.,746.2井下强径流带)过水通道封堵防治水技术.,756.2.1地下水本构特征分析.,756.2.2灾害内源特征分析.,.,.,.,766.2.3过水通道封堵防治水方案研究.,.,766.3被淹矿井恢复技术.,-.,796.3.1地下水环境本构特征分析.,.,79博士学位论文目录6.4本章小结.,84第七章地下水资源配置与调控技术研究.,857.1地下水资源承载力理论分析.,877.2地下水资源承载力数值分析.,897.2.1地下水资源系统的可恢复性.,.,.,.,二907.2.2地下水资源系统的易损性.,.,917.3基于水文地球化学的坑水资源量的预测与分割.,927.3.1地下水资源量的预测模型.,.,.,927.3.2预测结果与评价.#.#.#,957.3.3坑水资源分类.,.,.#,%7.3.4地下水资源特性分析.,.,.,997.4地下水资源配置与调控技术研究.,997.4.1地下水资源配置模型分析.#.#.#,#,997.4.2基于权重配置模型的地下水合理配置研究.,1017.4.3地下水资源调控技术与措施.,1027.5本章小结.,104第八章总结与展望.,.,.#,1058.1全文总结.,1058.2论文创新点.,1068.3讨论.,106参考文献.,.,108致谢.,123攻读博士期间主要研究成果.,124犷博_学位论文第一章概论第一章概论问题的提出矿床开采的生产安全!绿色环保!节能减排一直是普遍且未很好解决的难题如山东莱芜矿谷家台二矿区1999年发生的特大井下涌水事故,造成29人死亡;2001年7月17日凌晨3时广西南丹县境内的大厂矿区拉甲坡锡矿和龙山锡矿因矿坑涌水,导致这两个矿山同时被淹,死亡81人;湖北省大冶市鲤泥湖铜铁矿于2002年5月在一165m中段101采场进行试采时,在回采中局部破坏了上盘大理岩,遇溶洞突然涌水,出现淹井;2002年8月9日,郑煤集团戈湾矿发生透水事故,10名矿工遇难煤矿水害是与瓦斯!煤尘等并列的矿山建设与生产过程中的主要安全灾害之一据资料不完全统计卜3,在过去的20多年里,有250多个矿井被水淹没,死亡1700多人,经济损失高达350多亿元人民币,特别是2002年至2003年突水淹井事故呈现出上升的趋势;统计表明,2003以来我国煤矿发生特大突水事故14次,其中国有重点矿井2次,地方国有煤矿4次,乡镇煤矿8次在这些突水事故中因小煤窑及废弃矿井诱发的有10次,陷落柱及构造因素诱发的3次,其它原因的1次仅7月到9月三个月内发生10人以上死亡的突水事故就有13次以上,其中国有矿井1次,地方煤矿4次,乡镇煤矿8次气气气山山西宿洲矿难.澳月.图1一1矿山突水事故案例山东三山岛金矿,采用疏干排水,引起了较严重的海水入侵,来自海洋的坑水由过去的40%上升至现在的60%,每年光排水电费就达1000多万;望儿山金矿4,采用疏干排水,主要的地下水过水断面没有进行注浆封堵,年排水博_七学位论文第一章概论费用800多万元,长年排水,破坏了当地的地下水资源,原先靠浅层地下水生长的农作物减产欠收,并引发村民矛盾;湖南郴州鑫源矿业公司铜铅锌矿!安徽安庆铜矿,防治水方案采用疏干排水,导致地面塌陷频发!河流塌断!居民搬迁,公路也面临破坏,这些结果又进一步加剧了地表水向井下灌入,井下涌水量显著增大,造成井下泥石流!井下泵房排水吃紧,另外,水源对该矿来讲又是十分紧缺的,选厂和村民生活用水!农田灌溉都需要水资源,水资源的供排矛盾加居叮为了确保采矿环境的安全,矿床都必须处于相对疏干状态因此,各矿采取的防治水害的措施首选疏干排水5,防治水方案的制定也是集中在井下的突水或透水两个方面,很少研究/疏干排水0治理水害带来的负面影响矿区地下水都处于强过量开采状态,致使地下水补给平衡受到破坏,引起地面塌陷!海水入侵!土地盐渍化!地下水污染!生态环境恶化等,陷入一种恶性循环链中随着矿业的发展,深部带压开采矿床资源不可避免带(水)压开采(以下简称/带压开采0)技术,如图1一2所示,是指当矿层底板隔水层承受较高水压时,在不进行或很少降低含水层水头压力的情况下,确定能否安全采矿的技术#导水构造探测测#封闭不良钻孔(位置不详)(静态评价)#带压开采预测(及评价)#力学校核核核核深深深深带带带带带带带带带带带带带带部部部部压压压压压压压压压压压开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开采采采采采采采采采采采采采采采采采采采采采#透水监测测测矿压显现规律律#涌水量预测测测排水能力核定定留留设防水矿柱柱#涌水量预测#帷帷幕截流流图1一2带压开采技术的基本研究内容长期以来,因为金属矿水害而给国家和人民带来的经济损失和人身伤亡极为惨重,特别是近几年,随着矿业的迅速发展,矿产资源的开发深度在不断加大,工作面的空间尺度在不断增加,矿井采掘速度和机械化程度明显提高,这种高产高效的生产管理方式对防治水害安全技术的要求也越来越高随着矿产资源的开博士学位论文第一章概论采方式,开采深度和采场空间尺度的变化,水害产生的条件!危害程度,以及水害形成机理都在发生很大变化水是自然生态的生命源泉,万物赖以生存的环境因子,更是人类社会发展的重要物质资源就矿山而言,水资源通常是与矿床祸合在一起,因此,在矿产资源的开发过程中,如何研究解决水资源的最佳开发!治理!保护!利用,使其在促进生态环境与社会经济协调良性发展中发挥最大的经济效益,已经变得非常重要和迫切80年代以前,矿山防治水技术61基于矿井水是一种潜在危害的思想发展起来后,为了减轻水对采矿环境的影响,矿山通常采取疏干排水的防治水害方法,把水资源与矿产资源硬生生地割裂开来,没有从自然生态的整体性出发分析研究矿产开发导致的环境负效应,致使地下水补给平衡受到破坏,使矿区陷入地下水污染和生态环境恶化的恶性循环链中,同时还引起矿山排水费用的不断飘升,消耗大量电能,有的矿山年排水电费甚至超过千万元随着科技与人的认知水平的提高,人们认识到矿井水是水资源的一种,/水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源,是经济社会可持续发展和维系生态平衡!保持环境优美的重要基础0因此,矿山防治水技术必须走一条/节能减排,可持续发展0的新路子=7一8j,把矿坑地下水作为一种可利用资源对待,着力进行过度抽排地下水可能诱发的环境地质灾害链的结构与控制的研究,探索!创新和推广应用适应新的目标的水害防治技术与方法,对于体现/节能减排,可持续发展0!实现安全高效生产具有重要意义使矿业逐步向环境友好型!绿色环保型!协同和谐可持续发展的目标迈进2研究现状众所周知,目前我国正处于工业化中期的后半阶段,社会经济已经进入了快速发展的轨道然而,随着国民经济的快速发展,包括能源!矿产资源和水资源在内的自然资源已经逐渐成为我国经济发展的主要约束/节能减排0!/循环经济0!/安全生产0等已经成为我国经济建设过程中不可回避的热点问题随着人们环境意识的不断提高,矿井水亦不仅是以/害0的形式出现,人们在更多的情况下把矿井水当作一种资源加以利用,因此,矿山防治水技术逐渐与矿井水资源化技术结合在一起(l)矿山水害产生的条件及主要影响因素研究方面缺乏理论支持目前对矿山水害产生的条件及主要影响因素研究主要涉及三个方面的问题:充水水源是否存在!充水途径是否存在,充水强度如何而矿山防治水理论研究有如下趋势:与现代科学的新理论新学科紧密结合,如系统论!信息论!控制博士学位论文第一章概论论及相应产生的系统科学!环境科学!信息科学等,近年来正在发展的开放复杂巨系统理论!非线性动力系统理论=9一川!以及耗散结构理论等,都会对今后该领域理论的发展发生深远影响现代应用数学与水文地质学的结合,特别是数值模拟方法./,.3,26得到普遍应用,模型研究成为水资源研究的主要内容,使水文地质学从定性研究发展到定量研究的新阶段地下水的研究,从地下水系