超大综采工作面开采地表层含水性自修复研究_张建民.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.6 Dec. 2013 α）ALGEOI正阳Y2.中国矿业大学（北京），北京100083; 3.神华神东煤炭集团公司研究院，陕西神木719315 摘要研究超大综采工作面开采对地表层（0-15m）含水性影响规律是确定生态修复策略的基础．针 对西部风和、沙区大规模高强度煤炭开采的特点，采用时移高分辨率探地雷达探测方法进行了开采 全周期（采前一采中一采过一趋稳后）观测，获得了基于现代ARMA谱分析的风和、沙区地表层含水 率反演方法．研究表明研究区内地表层含水性与地下潜水含水层没有直接的水力联系；风和、沙 区超大综采工作面开采对地表层起到“疏松”作用，对含有粘土隔水层区域的含水性影响不显著， 而对不含隔水层区域的含水性影响相对较强；地表层含水性自修复周期小于一个自然年，而大气 降水是提升和修复地表层含水性的重要外因。 关键词超大工作面；开采全周期；探地雷达；含水卒反演；自修复 中图分类号P641.4文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-l 986.2013.06.010 Aqueous self-healing of surface layer in mining area of super-large mechanized face ZHANG Jianmin1, YANG Feng2, LINengkao3, HE Ruimin3 I. R 2. China University of Mining 3. Coal Mining Institute, Shendong Coal Group, Shenmu 719315, China Abstract In large-scale coal mining of western aeolian sand area, determining the ecological restoration strategy depends mostly on surface layer variation caused by extensive mining of super-large mechanized face. The water content of surface layer 015 m during full-process was detected by using Geo-radar. Result shows that the su- per-large face mining has significant influence on the content of aeolian-sand surface layer in area without imper- meable layer, but not significant influence on the water bearing behaviour in area with a impermeable clay layer. Also it indicates that the moisture content tendency has obvious self-healing feature under loosening due to mining. The cycle of the self-restoration of aquiferous behaviour of surface layer is less one year. The precipitation is the important external factor for enhancement and restoration of aquiferous behaviour of surface layer. Key words super-large working face;“II mining process; geo-radar; moisture inversion; self restoration 超大综采工作面目前是我国西部煤炭资源赋存 较好区域的主要开采方式。由于一次开采面积显著 增加，采动裂隙对地表层结构及含水性均产生影响。 一些学者在现代绿色开采技术川和基于生态水位的 生态脆弱区煤炭开采模式［2］及生态水层（3］的遥感探 测研究基础上，采用探地雷达方法进行土壤含水性 研究，根据介电常数、电磁波速度和土壤含水量三 者关系建立了反演含水量的局部含水层分析模型 [4］，提出了一种基于MUSIC谱估计的地下介质参数 反演新算法［5］。数值模拟发现介质含水率变化改 变了介质等效介电常数、雷达波传播速度和幅值， 水分子弛豫作用还产生附加电导率影响［6］。介质含 水量与介电常数关系实验研究表明建立不同介质 收稿日期2013-01-13 相应的含水量和介电常数间经验关系有助于提高探 测精度［7］，并在农田和小流域尺度土壤水探测中实 现了无损测定［8］。在开采沉陷区测定发现复垦土壤 介电常数与水分含量间有明显函数相关性，但不同 方法处理的复垦土壤的函数关系有差异［9］。前人研 究表明探地雷达是一种适合于中尺度土壤含水率 快速测定技术（10］，但在西部风积沙区超大综采工作 面开采全周期（采前、采中、采后及稳定期）条件下， 探地雷达对地表层含水性影响及自修复可能性的研 究方面尚未系统开展工作。针对风积沙区超大工作 面，本文借鉴地震时深效应指数研究方法（11］，首次 基于探地雷达能谱信息与地表层含水率关系模拟和 现场系统观测，研究了地表层含水性变化规律及自 基金项目“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAC10B03 作者简介张建民（1957一），男，河北张家口人，博士，教授级高级工程师，研究方向为资源与环境协调开发． ChaoXing 第6期张建民等超大综采工作面开采地表层含水性自修复研究 39 修复趋势，为确定超大综采工作面开采时的地表生 态修复策略提供了科学依据。 1 研究区概况 研究区位于神东矿区北部的补连塔井田，该区 属典型富煤缺水生态脆弱区，也是风积沙区，其地 表多为第四系风积沙等松散层所覆盖，厚度3～25m。 地形相对较平缓，呈西高东低之势。横穿该区的补 连沟由西向东展布，高差30-50m，大气降水多沿 沟谷以地表水的形式排泄。土壤主要以风沙土为主， 黄土性土次之；植被以干草原、落叶阔叶灌丛和沙生 类型植被为主，覆盖率低。该区年降水量195～531mm, 平均357mm，降水多集中在7-9月，蒸发量大，气 候干燥，属半干旱半沙漠的高原大陆性气候。 目前，该区正在开采1-2煤，该煤层埋深190～ 220m，基岩厚180-200m。12406超大工作面长300m, 推进距离3600 m。2011年4月开始回采，12月结 束，采高4.5m，月推进量390-400m。 2 研究方法 2.1 试验区现场监测 现场监测以12406工作面为重点，跨越未采区、 切眼和开采区。设计4条测线（分别为Dl、D2,D3 和D4），长度为2000m，测线间隔120m。测线方向 与推进方向一致，起点外延至距切眼200m处（图1）。 监测采用时移探地雷达探测方法，重点探测地表层 15 m范围风积抄层结构及含水量开采全周期的变 化。实际数据采集分7个时段，2011年的4月下旬、 7月中下旬、9月中旬和10月下旬，2012年的3月 底、5月底和9月底。 12彷归作’E锦爆盼 DI测线i , ..一－一』一一一一一一一一J 02 I I m I 12406.工作面t开祭区｝| D4 I l 12405工作面（已采区） 图l现场监测区域与开采工作面示意 Fig. I Monitored area and super-large mechanized face layout 2.2 土壤含水率估算方法及比较 目前，国内外许多学者在基于探地雷达的含水 率研究方面主要采用介电常数反演方法［叫，但因其 未知参数较多，故常用于理论分析。探地雷达是利 用电磁波的传播、反射机理来实现探测目的。电磁 波是由时变电场和时变磁场相互激发产生的。在地 下介质中，电场E和磁场H的场矢量为 Ez,t E0e-bzeiaJt-az ; 、‘，， , .’. ，，‘、 Hz,t H0e-bzeiaJt-az 式中ω为角频率；a为相位常数，b是衰减常数。 衰减常数b的计算 b i而rd1＋＜三）2）一11i2 L. V i6 式中E是介电常数，μ是磁导率，σ是电导率。 式（1）和式（2）说明，频率越高、电导率越大，其 吸收系数也越大，对电磁波的衰减越大。土壤介质 的电导率与含水率密切正相关，含水率越大，其电 导率越大，则对高频电磁波吸收越明显。当探地雷 达发射宽频电磁波（如200MHz主频天线的有效带 宽为60-380MHz），接收到的宽频电磁波中由于电 导率提高导致高频成份损失较大。因此利用低频成 份的能量变换，通过一定条件下约束校正，可以间 接估算出土壤含水率参数。 为验证上述结论，进行了初步试验，试验装置 参见图2。实际含水率参数通过取样、烘干获得， 探地雷达波的频率响应特征通过穿过土壤模型透射 波获取，考虑到模型尺寸，采用了主频I000 MHz 天线。 图2试验装置模型剖面 Fig. 2 Section of test device model R一接收仪；T一发射仪；t一时间；d一试验槽距离 观测试验表明，随体积含水量增加，雷达信号 主频下降。根据观测数据，采用二次方程拟合，获 得了雷达发射主频F与介质体积含水率矶的经验 关系如下 F0.12吭30.44吭2-0.81吭＋1.27 3 式。）表明，体积含水量是影响探地雷达信号主 频的重要参数。即随着介质体积含水量增加，采集 的探地雷达信号主频下移，特别是沙壤介质随含水 量增大时，增加了低频信号能量成份。因此，采用同 一天线时，探地雷达的低频信号能量可有效反映探 ChaoXing 40 煤田地质与勘探第41卷 测介质的体积含水率参数的相对变化。 图3表明经典傅立叶频谱不同频率的能量差 异较大，信号的主频位于375阳恒，且随着频率增 高，信号能量衰减很快，这也说明经典谱对弱信号 的分辨能力较弱；相反，现代谱对相同高频弱信号 具有较高的分辨能力，即随着频率增加，其谱值衰 减较慢。 rn现代谱 巴习经典i普 0.2 o J I 250 2 500 3 750 5 000 6纣 频率/MHz 图3经典傅立叶谱与现代滑动平均谱比较 Fig. 3 Comparison of classical Fourier spectrum and modem sliding average spec仿um 为计算不同深度的含水率参数，采用加窗滚动 方法。根据前述的主频参数与含水率变化规律，即 含水率越大则低频成份能量越强，采用低频成份来 度量含水率参数，并将计算出的含水率作为窗口中 心点的含水率参数。 研究采用能保证时频分析的最佳窗口一高斯窗 口函数计算含水率参数。具体方法是第一步提取 窗口现代ARMA功率谱，通过Cadzow谱分析法［12], 实现现代ARMA谱的计算；第二步按照式（4）计算 窗口含水率的低频成份 WLIA 4 式中W代表基于现代ARMA谱反演获得的介质相 对含水率；L代表低频区域频率能量；A代表全部 频率能量。 为提高计算精度和稳定性，避免拾取主频信号 时的误差，采用低频区域能量L替代主频参数，用 线变化代替点变化。低频区域起点频率Lr和终点频 率Hr与天线主频Mr关系是LraxMr, Hr bxMr。 其中，a和b系数是利用钻孔岩心取样分析结果进 行优化选择，算法是按照频率最小间隔估算相对含 水率，在保证样品的实际含水率与估算含水率的均 方差最小条件下，不断修改a和b参数，直到雷达 信号估算含水率的参数与取样分析结果最逼近。 为验证基于ARMA谱分析算法反演含水率的 可靠性和方法的有效性，现场沿测量剖面布置钻孔 71个，获得577个样心及含水率测试数据，测点的 反演含水率与取心测试结果统计相关度超过90。 图4是Dl和03剖面几个样本点含水率取心测试与 反演结果的比较曲线，显示出含水率随深度变化趋 势的一致性和结果相近性。 。。 ZOA 哼句，＆ d飞飞皿商 U节制 2 3 4 5 6 7 深度Im 。）D，剖面典型样品比较 一＋－403-7f --403-7 一舍一403-30f 10 益6 苍4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 深度Im bD，剖面典型样品比较 图4典型样点反演相对含水率与取心实测含水率比较 Fig. 4 Comparison of the inversed water content of钞pica sampling points and the measured water content of cores 03-7 剖面3测点7取心测试结果；03-7←同点的反演结果 3 采动全周期地表层含水率比较 地表层含水率变化与采动过程和大气降水都有 密切的关系。在开采全周期观测中，第1次观测时 属枯水期间，监测工作面未开采，地表层处于原始 状态；第2次一第4次观测时属大气降水期，工作 面向前推进过程中；第5次和第6次观测时再次进入 枯水期，工作面已推进至观测区外；第7次观测时再 次进入降水后期。以下根据现代谱反演含水率结果简 要分析采前一采中一采后的含水性变化趋势。 3.1 采中与采前比较 采前。地表层（约O～15m深度）含水率垂向一般 呈三层分布，各层厚度与地表层原始结构和含水性 有关。其中表层多为风积沙，土壤水分易蒸发， 保水能力较低和渗透性强，含水率普遍较低；中层 多为砂土层，水分不易蒸发，且植被根系比较发育， 吸水性强，含水率总体增加，且局部地段相对较高； 下层通常是风化基岩层，渗流性变差，含水率普遍 降低，同时下层受有限的大气降水影响相对减弱。 采中。由于地表层受采动裂隙影响使地表层结构 疏松，增加了各层的连通性，导致中后期大气降水快 速向下渗流，同时表层土壤疏松也增加了蒸发深度， 使表层含水率幅值普遍降低。图5a是研究区基于探 地雷达和钻孔验证的典型3层结构，各层含水率的空 间分布与介质厚度、岩性及渗透率有密切关系。 ChaoXing 第6期张建民等超大综采工作面开采地表层含水性自修复研究 41 图Sb是剖面D3采前观测（T1）与采中（T3和飞） 观测比较。其中，采前3层结构清晰，但因各层介 质厚度不同导致介质的含水率空间分布不均匀。采 中（T39月10日，T410月22日），受大气降雨和 采动裂隙双重作用，在T3时间含水率由差→强→弱 的3层结构更加显著，在T4时间较强含水率层变弱， 表明采动裂隙对地表层的疏松作用均化了地表层介 质含水率。 a）地表层典型岩性结构 T,--－－－一－一二F二十二二一－τ－－－－二～→- i; 网t反演深度．．t作而推进位02 4 6 81012141618 推断含水 例占Hl5 m T, 置和观测时间回－町-.II率也阶肌 b）不同探测时段反演相对台水率 图5采前与采中比较（D3剖面） Fig. 5 Comparison of water content before mining and during mining 3.2 采后与采前比较 图6是Dl剖面的采后与采前的含水率比较。 采后地表层的含水率垂直分带结构基本清晰，枯水 期观测时（Ts4月6日；T65月28日），含水率普 遍较低，T6时间测定含水率基本位于8以下。与 采前统计结果比较，开采导致含水率相对下降平均 在20左右。其原因是采动裂隙致使表层结构疏 松，以采动裂隙带为中心产生的蒸发作用使表层含 水率普遍下降。其中，在风化砂砾岩发育地段的裂 隙发育，含水率相对下降值大于20；在沙土与砂 层互层发育地段，采后含水率相对下降则平均小于 10。结果表明开采对含有粘土隔水层区域的含 水性影响不显著。而采后T1时间（9月28日）观测正 I 000 值降雨期后期，由于大气降水使地表层含水率普遍提 高，局部渗流性较好的地段含水性较强（0～1120时， 含水率统计表明大于12的区域已占60以上，此 时地表层水通过向下渗流作用可能导入地下含水 层。此外，T3和T1时间（相差约1a）均为大气降雨中 后期，地表层的含水率普遍提高，且分层结构弱化， 表明大气降雨对地表层含水性自修复的作用显著， 而采动裂隙疏松作用提高了地表层含水均匀性。 比较表明在开采对地表层结构的“疏松”作用 和大气降水共同作用下，地表层在采后趋于稳定过 程中，其含水性与采前状态相比有明显恢复趋势， 或自修复趋势。当大气降水强度较大时，采后的地 表层含水性可能超过采前状态。 2000m 囱例 反演深度 占H15 m ．．工作面推进位 T, j圭和观测时间 含水率色阶隅 。24 6 8 10 121416 18 图6D1剖面采前－采中－采后不同阶段的反演相对含水率的变化 Fig. 6 Variation of water content before mining, during mining and after-mining ChaoXing 42 煤田地质与勘探第41卷 4结论 a.风积沙区超大综采工作面采动对地表层（深 度。～15m）的含水性有显著影响。与采前含水率相 比降低幅值约在20左右，但采前含水性较低的地 表层，采后降幅也小。 b.风积沙区超大综采工作面采动趋稳后，地表 层含水性自修复时间小于一个自然年，开采“疏松” 和大气降水共同作用使地表层含水性有明显自修复 趋势，而大气降水是提高地表层含水性的重要外因。 c.地表层的采动裂隙快速“封闭”处理能有效 降低裂隙性水分蒸发和开采对地表层含水性的影 响，有助于提升超大综采工作面开采区的地表生态 自修复水平。 参考文献 川钱鸣高，缪协兴，许家林．资源与环境协调（绿色）开采及其技 术体系［巧．采矿与工程学报，2006,231 1-5. 2）王双明，黄庆享，范立民，等．生态脆弱区煤炭开发与生态水 位保护（M].北京科学出版社，2010. （上接第21页） 着C02分压的升高增大的速率较为缓慢。笔者认为 这是由于C02分压的增加溶液中的旷离子浓度会随 之增加，从而使矿物在溶液中的溶解度增加。而方解 石在溶解后会释放出C02气体，加大溶液中C02含 量，所以方解石随C02分压的升高，溶解度的增加 大于其它矿物随C02分压的升高溶解度的增加。石 英溶解度基本上不受C02分压的影响，笔者认为主 要是因为石英化学成分主要为Si02,Si02化学性质 稳定，不与氢氟酸以外的任何酸反应，所以石英基本 上不受C02分压的影响。 4结论 a.在C02分压为OMP a时，随着温度的升高， 各矿物的溶解度增加。 b.在C02分压增大到一定程度时，随着温度的 升高，各矿物的溶解度降低。由于C02分压较高时， C02在水中的溶解度会随着温度的升高而降低，从而 降低溶液内的Ir离子浓度使各矿物的溶解度减小。 c.方解石溶解度随着C02分压增大的速率要大 于其它矿物随着C02分压增大而增大的速率，由于 方解石溶解后会产生C02，加大溶液中的C02含量， 所以方解石的溶解度受C02分压的影响要强于其它 矿物的溶解度受C02分压的影响；石英在水中的溶 解度几乎不受C02分压的影响。 3）简季．生态水遥感定量研究一」；1眠江上游典型地区为例归］． 成都成都理工大学，2006. 4）董航，刘四新，王春晖，等．探地雷达测量近地表含水 的研究［巧．吉林大学学报地球科学版，2009,391 163-167. 5）俞燕浓，方广有一种反演地下介质参数的新算法［巧．电子与 信息学报，2009,313 619-623. 6）方慧，魏文博，李玉堂介质含水率与探地雷达信号关系数值 模拟［月．物探与化探，2009,335 533-535. 7）王旭东，何亮，杨放，等．探地雷达测定地基土含水量的实验 研究［月工程地质学报，2009,175 697-702. 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