西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究 论文

针对西部煤炭主产区矿井水保护利用技术难题，我们提出了一套创新的解决方案。这项研究以煤水协调开采为基本原则，设计了一个由五大系统组成的物理模拟实验平台，包括实验材料配制系统、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和数据采集系统。通过这些系统的整合，我们成功地开发出了由骨架结构物和胶结物组成的相似材料，前者用于调控材料的弹性模量，而后者则调控材料的整体强度。实验结果表明，这种材料在力学和渗流特性方面完全满足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，我们进行了煤水协调共采物理相似模拟实验研究。在工作面回采3至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，我们分析了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。研究结果表明，隔离层压裂改造的位置应位于超前基岩顶板扰动范围之外，而隔离层注浆改造应在岩层充分压实后进行。采用压裂和注浆封堵相结合的工艺手段，有效隔离了“地下水”向下渗流的通道，从而实现了地下水原位保护。

为了更好地理解这些复杂的过程，我们还模拟研究了4种工况条件下人工隔水层的保水作用。在此过程中，我们首先对2号煤首采区上覆含（隔）水层系统进行了数值概化，并建立了研究区地下水系统的数值模型。随后，利用矿区水文监测孔的水位数据进一步验证了模型的准确性。这些数据和分析结果为地下水保护与利用提供了宝贵的参考。