煤礦地下水庫技術原創試驗平臺體系研制及應用

顧大釗 ， 曹志國 ， 李井峰 ， 吳寶楊 ， 張 勇 ， 蔣斌斌 ， 郭 強 ，王漢鵬 ， 武 洋 ， 史小萌 ， 王路軍 ， 楊 毅 ， 查爾晟

(1.煤炭開采水資源保護與利用全國重點實驗室, 北京 102211；2.北京低碳清潔能源研究院, 北京 102211；3.國家能源投資集團有限責任公司, 北京 100011；4.國能神東煤炭集團有限責任公司, 陜西 榆林 719315；5.山東大學 齊魯交通學院, 山東 濟南 250061)

煤炭是我國主體能源，2022 年全國煤炭產量45.6 億t，占能源消費總量的56.2%。相關研究表明，我國噸煤產生礦井水2 t 左右，每年產生礦井水約80億m3，利用率約40%，每年約50 億m3礦井水未得到有效利用，相當于我國年工業和民用缺水的50%(100億m3)[1-4]。西部(晉陜蒙寧新)是我國煤炭主產區，煤炭儲量及煤炭產量分別占全國的80%及70%以上，但水資源量僅占全國的6.7%，占全球的0.3%[5-6]。西部煤炭主產區水資源短缺和礦井水保護矛盾突出。

習近平總書記2014-06-13 在中央財經領導小組第六次會議上指出，煤炭大規模開發帶來的主要問題是對地下水的破壞和對地表生態損傷。2019 年8 月至2020 年6 月，習近平總書記先后赴甘肅、陜西、山西、寧夏等省份考察，提出了“四水四定”原則，即以水定城、以水定地、以水定人、以水定產，扎實實施黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略?！吨腥A人民共和國黃河保護法》第五十七條要求，黃河流域縣級以上地方人民政府應當將礦井水等非常規水納入水資源統一配置，提高非常規水利用比例。

為保護利用礦井水資源，不同研究機構開展了大量研究，形成了2 種思路：一種是以“堵截法”為代表的原位保護技術，采用限高開采、充填開采、分區開采等技術，確保煤炭開采覆巖裂隙不導通含水層，實現地下水保護[7-17]；另一種是“疏導法”為代表的水資源保護技術，將礦井水在井下安全儲存利用起來，避免外排地表蒸發損失，以煤礦地下水庫技術為核心[18-21]。西部礦區井工開采規模均在300 萬t 以上甚至千萬噸級，限高開采丟棄大量煤炭資源，充填開采效率較低(當前最高充填效率100 萬t/a)，難以滿足工程需求。國家能源集團煤炭綠色開采技術團隊經過20 余年持續技術攻關和工程實踐，首次提出了將礦井水儲存于井下的理念，創建了煤礦地下水庫理論框架和技術體系，在神東等礦區推廣應用，成功進行了工程推廣，累計建成35 座煤礦地下水庫，最大儲水量3 500 萬m3，為礦區供應了95%以上的生產、生活和生態用水，并為周邊電廠和煤制油工程供水，實現了由用水大戶向供水大戶轉變，變“水害”為“水利”。

煤礦地下水庫技術工程實踐領先于技術研究、技術領先于理論探索，為進一步在西部不同地質和工況條件下，應用該技術保護利用礦井水資源，需進一步加大技術探索和理論研究，國內外缺乏相應的試驗研究裝置，特別是面向工程尺度的相似模擬平臺，為此煤炭綠色開采技術團隊構建了煤礦地下水庫原創技術試驗平臺系統，聚焦煤礦地下水庫水量預測、庫容計算、水庫選址、壩體構筑、安全防控、水質控制六大關鍵技術[22-26]。充分借鑒煤炭、水利和巖土工程領域試驗平臺研制經驗，研制煤炭開采地下水運移與保護綜合智能試驗平臺、多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺、煤礦地下水庫壩體結構試驗平臺、西部深部井工礦井筒施工模擬試驗臺、地下水庫水巖耦合機理試驗、水處理工藝集成試驗平臺、煤礦地下水庫沖擊試驗平臺等7 個原創試驗平臺，開展相應理論研究和技術探索，為煤礦地下水庫建設、運行和安全防控提供理論支撐和技術驗證。

1 試驗平臺體系及定位

以煤礦地下水庫水量預測、庫容計算、水庫選址、壩體構筑、安全防控、水質控制等六大技術為重點，針對性開發相似模擬試驗平臺，開展相應的理論研究和技術研發。一是開展基礎理論研究，如煤炭開采地下水運移規律，應力場、裂隙場和滲流場演化機理，壩體破壞損傷機理，水巖耦合機理等；二是面向現場工程需求，開展工程尺度相似模擬試驗，為工程實施提供技術支撐。

各原創性相似模擬試驗平臺與煤礦地下水庫六大關鍵技術關系如圖1 所示。

圖1 原創性試驗平臺與地下水庫技術對應關系Fig.1 Correspondence between original experimental platform and coal mine underground reservoir technology

其中，煤炭開采地下水運移與保護綜合智能試驗平臺可以開展大尺度多煤層多工況條件下的地下水運移模擬，揭示煤炭開采上覆巖層應力場、裂隙場、滲流場三場演化機理，首次實現了超大尺度(10 m×3 m×3 m)煤炭開采條件下礦井水產生、運移、存儲的全過程模擬，首次將智能開采理念運用到相似模擬試驗中，實現了相似模擬試驗全過程智能化控制，能夠為地下水庫提供全方位的理論研究和技術研發平臺支撐，是綜合性相似模擬試驗平臺。

多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺可用于開展二維條件下煤礦地下水庫煤柱壩體損傷破壞機理及地下水在采空區覆巖裂隙中滲流規律研究，為煤礦地下水庫煤柱壩體穩定性分析及水量預測提供理論指導。該試驗平臺主要有2 方面創新：一是通過研制模型內部水平加載裝置，實現了模擬儲水壓力對煤柱壩體的側向作用，可為分析煤礦地下水庫不同儲水高度條件下的煤柱壩體穩定性問題提供指導；二是通過注水系統模擬地下含水層，可以分析煤炭開采對含水層的影響規律，獲取地下水在采空區覆巖裂隙帶中運移路徑。

煤礦地下水庫壩體結構試驗平臺主要用于煤礦地下水庫結構模擬、壩體結構與參數優化模擬、側向水壓作用對壩體安全性的影響模擬及礦震和地震(地震烈度10 度以上)等對壩體穩定性影響分析，能夠為地下水庫壩體結構設計提供理論基礎，為煤礦地下水庫長期運營過程的安全穩定性提供支撐。

西部深部井工礦井筒施工模擬試驗臺主要模擬在井筒施工穿越富含水層，煤層開采引起頂板垮落、上覆地層沉降變形以及對斜井井筒結構穩定性和涌水量的影響，能夠為地下水庫來水量預測提供依據。

煤礦地下水庫水巖耦合機理試驗通過模擬長距離(總距離42 m)條件下巖體與礦井水的水-巖耦合作用，揭示煤礦地下水庫對礦井水凈化機理，提出增強凈化效果的技術方法，為實現礦井水大規模低成本處理和利用提供理論和技術支撐。

水處理工藝集成試驗平臺能夠針對不同種類礦井水，研究和開發不同的處理技術、關鍵設備和處理工藝，結合實驗研究和計算模擬，實現礦井水分級凈化模擬，制定最優化方案，為礦井水的高效低成本處理利用提供技術支撐，其他水處理領域具有較好的通用性，也可用于其它類型工業廢水和市政廢水的處理。

煤礦地下水庫沖擊試驗平臺主要針對地下水庫頂板突然垮落引起的沖擊波對壩體影響，開展相似模擬試驗研究，研究沖擊荷載作用下地下水庫壩體的力學響應特征及變形破壞規律，揭示煤礦地下水庫壩體沖擊動力災害孕育致災機理，為地下水庫安全防控提供理論和技術支撐。

上述平臺均屬國內外首創，在礦井水保護和利用領域處于國際領先水平，應用這些平臺，能夠開展西部煤炭主產區不同工況條件下，煤礦地下水庫建設、運行和安全防控方面的理論研究和技術研發，為煤礦地下水庫工程建設提供有力理論和技術的全方位支撐，為保護利用西部生態脆弱礦區寶貴水資源提供技術支持。

2 各試驗平臺組成和功能

2.1 煤炭開采地下水運移保護綜合智能試驗平臺

該平臺由主體框架系統、材料鋪設與廢料回收系統、數據獲取與可視化仿真、平臺聯合調試等組成(圖2)，主要是針對西部礦區煤炭大規模開采地下水運移和保護技術難題，開展多尺度(10 m×3 m×3 m、6 m×3 m×3 m、3 m×3 m×3 m)相似模擬試驗，以相似原理為基礎，可實現不同地質多種工況條件下，煤炭開采礦井水運移和存儲的全過程模擬，為井下儲水提供技術支撐，具備基礎研究和工程輔助設計兩大功能。

圖2 煤炭開采地下水運移保護綜合智能試驗平臺組成Fig.2 Composition of the comprehensive intelligent experimental platform for underground water transport and protection

平臺主體框架系統采用模塊化設計理念，通過隔板設置，頂部1 MPa 液壓油缸加載，能夠實現西部煤炭主產區多工況條件的地下水運移保護全過程模擬，為煤礦地下水庫建設提供全方位指導。相似材料鋪設方式模仿3D 打印的技術原理，即以數字模型為基礎，通過逐層疊加壓實的方式來構造相似模型實體，實現了材料自動輸送、攪拌、鋪設、夯實等工序，極大提高了模型鋪設效率。根據測算，若采用人工鋪設，最大尺度10 m×3 m×3 m 的模型需要鋪設近2 個月時間，采用本系統，最快可以在1 周之內完成鋪設，極大降低人工成本和提高試驗效率，為大型相似平臺材料鋪設的發展提供了方向。數據獲取融合與可視化仿真系統，將攻克巖層裂隙探測技術，綜合運用分布式光纖、雷達等多種方法，實現煤炭開采應力場、裂隙場和滲流場“三場”數據采集，研發多源數據采集分析和處理系統，實現數據統一化處理，開發模擬平臺三維可視化系統，實現模型三維可視化表達，各項監測數據能夠實時在三維模型實時展示，采用多種插值算法實現地下水流場的量化表達，為地下水庫設計提供理論依據。搭建模擬平臺聯合調試系統，包括研制新型的水巖耦合相似材料，開展大尺度的驗證性試驗，提高平臺可靠性，該平臺主體框架和各系統已完成安裝(圖3)。

圖3 煤炭開采地下水運移保護綜合智能試驗平臺Fig.3 Comprehensive intelligent experimental platform for underground water transport and protection

2.2 多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺

該平臺包括頂部反力框架、垂直加載系統、水平加載系統、煤層開挖模擬裝置、地下水模擬系統及監測系統等模塊，平臺長寬高分別為2.1、1.8 和0.3 m(圖4)。該平臺能夠對不同工況條件煤炭開采地下水滲流規律進行模擬，開展不同水壓對煤柱壩體側向作用模擬，為地下水庫煤柱壩體尺寸優化設計提供理論支撐。

圖4 多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺組成Fig.4 Composition of the physical modelling platform for coal mine underground reservoirs under multiple coal seams

主體反力框架采用模塊化設計理念，采用榀式結構，方便安裝、保養與維修。垂直加載系統由伺服電缸、加載板及密封裝置組成，系統高度不超過30 cm，加載行程150 mm，應力控制精度±0.01 MPa，位移控制精度±0.1 mm，加載應力0～0.5 MPa 內可調。水平加載裝置由水平加載伺服電機、絲杠、水平加載板、密封裝置等組成，加載應力0～0.5 MPa，加載位移0～50 mm 內可調。煤層回采模擬系統主要包括上承載板、下承載板、楔形板、高度調整螺桿、限位螺桿、左右固定板。其工作原理是旋轉螺桿便可通過螺紋使上部楔形結構沿傾斜面移動，從而降低了整體結構的高度，進而模擬煤層的回采過程。通過更換楔形板，能夠實現不同厚度煤層回采模擬，機械結構較簡單，適用于不同厚度、不同進刀長度、不同回采速度的煤層回采模擬，具有很強的適用性(圖5)。

圖5 煤層開采模擬裝置Fig.5 Coal mining simulation device

地下水模擬系統可與實驗室已有的3 m3水箱相配合，共同完成試驗過程中地下水模擬；模擬注水系統由硬件部分、軟件控制部分、管路組成，可與主體反力框架密封連接。地下水模擬系統各連接管路穩定可靠，無泄漏，可實現模型試件上部各位置注水，可實時監測流量及注水量；可使水沿模型試件中的裂隙自由運移。

該平臺以已投入使用(圖6)，圍繞現場工程需求，累計開展10 余臺模擬試驗，有力支撐了項目研究，指導了現場工程實踐。

圖6 多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺Fig.6 Physical modelling platform for coal mine underground reservoirs under multiple coal seams

2.3 煤礦地下水庫壩體結構試驗平臺

該平臺包括振動臺(振動臺面尺寸2 m×2 m，最大載重3 t，XY二向四自由度，最大加速度1.5g)和試驗臺架2 部分。針對地下水庫煤柱壩體、人工壩體及二者連接部位受力復雜特征，能夠開展地下水工結構(煤礦地下水庫)相似模擬和動力分析，評估震動條件下壩體安全穩定性，為人工壩體結構和參數優化提供技術支撐。同時，也可以開展振動條件下，地下水庫庫底滲透性、不同煤層地下水庫水平距離內垂直管道結構安全和巖層裂隙演化模擬，是煤炭行業高?？蒲性核着_套振動模擬裝置。

振動臺臺面尺寸為2 m×2 m，能夠實現3 自由度振動，最大載荷為3 t，振動臺質量(包括移動部件質量)約2 t，工作頻率為0.1～50 Hz，振動波可以為周期波，隨機波或地震波，采用數字控制方式。其基本原理為：采用2 組作動器連接載臺與地基，對振動臺的載物臺進行固定，通過系統控制作動器內的油壓來進行的加速度振動激勵，實現載物臺的往復振動，達到模擬地震荷載的效果，如圖7 所示。壩體結構試驗臺采用模塊化設計理念，由底板、中部反力框架、頂部反力框架組成，底板為厚20 mm 的鋼板，通過螺栓與振動臺面連接；中部反力框架由5 榀水平環向結構疊加而成，每榀高200 mm，每榀厚度為100 mm，組成榀式結構板材厚10 mm；頂部反力框架板厚15 mm，肋板高85 mm，肋板厚度10 mm；加載油缸采用嵌入式安裝在頂部反力框架內，共計8 個加載油缸，額定加載應力1 MPa，行程為100 mm。

圖7 煤礦地下水庫壩體結構試驗平臺Fig.7 Dam structure experimental platform for coal mine underground reservoirs

目前，該平臺已投入使用(圖7)，圍繞地震對地下水庫壩體影響，開展了10 余臺試驗；按照實驗室儀器開放共享原則，北京科技大學和清華大學等均利用該平臺開展多項試驗，試驗平臺可靠性得到了充分驗證。

2.4 西部深部井工礦井筒施工模擬試驗臺

西部深部井工礦井筒施工模擬試驗臺為一個閉合的箱體，箱體四周由立柱、有機玻璃板和門扇圍成，整體尺寸為4.0 m×0.4 m×1.8 m(長×寬×高)。平面模型框架由背部及兩側鋼板、前部2 塊高度分別為0.5 m和 1.2 m 的玻璃板組成。在模型頂部分布5 個伺服加載電機，電機與控制臺相連，每個電機的設計額定加載力為500 kN，總加載力為2 500 kN。

該平臺已投入使用(圖8)，針對國內首次盾構施工斜井工程過富含水層進行了模擬，未來可模擬豎井施工過含水層模擬，亦可為地下水庫水量預測提供理論支撐。

圖8 西部深部井工礦井筒施工模擬試驗臺Fig.8 Simulation experimental platform for deep well construction in western areas

2.5 煤礦地下水庫水巖耦合機理試驗平臺

該平臺包括主體及框架、調斜系統、水質在線監測模塊、管路電氣控制系統，面積37 m2，模擬最大水流長度42 m(單個長度為10.5 m)，截面尺寸0.5 m，容積11 m3。平臺角度可調，可模擬傾斜煤層水巖耦合機理，可調節水體運移路徑長度，實時觀察水庫淤積情況，研究地下水庫的淤積效應和清庫方法，是同領域最大尺度相似模擬平臺。

平臺主體框架采用模塊化設計理念，包括4 段長度分別為10.5 m 的槽體，可以根據試驗內容要求，分別組合開展試驗。在主體框架不同位置設置多個水質在線監測模塊，能夠實現濁度、水質硬度、氟化物等監測數據上傳并做記錄。平臺配套系統包括進水泵、循環水泵、閥門和管道，以及自動化電氣控制系統。

平臺試驗過程中礦井水從儲水池進水管自流進入試驗平臺，沿槽體內部緩流并與填充巖石發生水-巖耦合凈化作用后，從出水管自流入循環水池，再由循環水泵將循環水池內的礦井水泵送到儲水池，如此往復來實現礦井水的循環凈化。該平臺已投入運行(圖9)，開展一臺10 m 大尺度水-巖耦合模擬試驗，完成了系統升級改造，后續將開展氟化物去除機理研究和不同工況下水巖耦合作用機理及強化技術研究。

圖9 煤礦地下水庫水巖耦合機理試驗平臺Fig.9 Water-rock coupling mechanism experimental platform for underground water reservoirs

2.6 水處理工藝集成試驗平臺

該平臺由便攜式水質分析測試儀器、礦井水處理小試實驗裝置、礦井水處理中試設備和水處理模擬計算及分級處理系統四大模塊組成，可用于實驗室或現場條件下礦井水預處理、深度處理、檢測分析和數值模擬等全過程研究。其中中試系統模塊包括微砂沉淀預處理裝置(5 t/h)、旋流+陶瓷膜預處理裝置(5 t/h)、反滲透脫鹽裝置(1 t/h)和低溫多效蒸發裝置(1 t/h)4 套中試裝置，分別用于礦井水去除懸浮物和脫鹽處理。針對不同種類礦井水，利用平臺可研究和開發不同的單元處理技術、關鍵設備和處理工藝，同時結合實驗研究和計算模擬，實現礦井水分級凈化模擬，制定最優化方案，為礦井水的高效低成本處理利用提供技術支撐。平臺的裝置與其他水處理領域具有較好的通用性，也可用于其它類型工業廢水和市政廢水的處理。目前，該平臺已經投入運行(圖10)，在寧東礦區、神東礦區等煤礦開展連續中試試驗，平臺運行可靠。

圖10 水處理工藝集成試驗平臺組成Fig.10 Integrated water treatment process experimental platform

2.7 煤礦地下水庫沖擊試驗平臺

該平臺由主體框架、加載裝置、行走頂梁、沖擊裝置、監測系統等模塊組成。其中，主體框架用于煤礦地下水庫模型鋪設，內部空間長2.4 m、寬2 m、高1.5 m；加載裝置配有3 個5 t 核定壓力的電動缸，可對壩體結構施加靜態載荷；行走頂梁由伺服電機驅動行走，可精準實現主體框架平面內任一點位移動；沖擊裝置采用摩擦式加速發射方式，配置沖擊錘質量為122 kg、面積0.25 m2，最大發射初速度可達13.4 m/s，錘體最大沖擊能量可達11 965 J。按幾何相似比0.02，載荷相似比2.56×10-5，最大可模擬面積625 m2、厚度14 m的巖層從12 m 高度垮落產生的沖擊；監測系統可實時監測靜態和高速動態應變、應力、位移、溫度等參數。

煤礦地下水庫是一種新型地下水工構筑物，壩體由煤柱和人工構筑物連接組成，儲水介質為頂板冒落巖石。煤礦地下水庫長期運行過程中受多相、多場復雜環境影響，儲水區上覆巖層關鍵塊體存在垮落風險。煤礦地下水庫為密閉空間，垮落巖塊沖擊儲水體及儲水介質產生沖擊擾動，進而威脅地下水庫壩體結構安全。由此，研制該平臺，模擬覆巖垮落沖擊、動力擾動等工況條件，研究沖擊擾動作用下水庫壩體核心結構的破壞特征、變形規律，揭示煤礦地下水庫壩體沖擊致災機理，評價煤礦地下水庫核心結構的穩定性，優化壩體結構及尺寸。

目前，該平臺已在廠家完成組裝調試，正在組織開展驗證性試驗。

3 各平臺試驗產出

針對西部礦區煤礦地下水庫和礦井水規?；咝У统杀咎幚?，利用上述試驗平臺（圖11），開展了多臺面向現場工程難題的試驗，取得了一系列結論，驗證了平臺運行可靠性，有力支撐了煤礦地下水庫建設、運移和安全防控技術研發。

圖11 煤礦地下水庫沖擊試驗平臺Fig.11 Impact experimental platforms for coal mine underground reservoirs

3.1 多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺試驗

利用該平臺，以神東上灣、大柳塔和布爾臺及新街臺格廟礦區煤礦地下水庫為例，開展了不同工況條件下煤柱壩體穩定性及地下水滲流規律研究(表1)。相關結論如下：

表1 多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗平臺開展的主要試驗Table 1 Main experiments by physical modelling platform for coal mine underground reservoirs under multiple coal seams

(1)研究表明，煤礦地下水庫煤柱壩體在覆巖壓力垂直作用下的破壞分為“壓縮—拉伸—剪切—卸載”4 個階段，煤柱壩體在拉伸階段表現為變形的快速增大，當應力超過閾值時，煤柱壩體連同頂板發生整體滑移破壞；在儲水壓力側向作用下小煤柱失穩模式沿著煤層與頂底板的交界面發生平面滑移(圖12(a))，大煤柱滑移失穩模式是連帶煤柱頂底板巖層的圓弧滑移(圖12(b))。根據煤柱受力情況和尺寸大小，可確定不同的注漿加固方案，如埋深較大時應注重防止煤柱片幫；埋深較小的小煤柱注漿加固應沿著煤巖層交接面，大煤柱的注漿加工范圍應更深。

圖12 垂直加載條件下煤柱壩體力學特性及破壞規律Fig.12 Mechanical properties and failure mechanism of coal pillar dam under vertical loading condition

(2)研究表明，在荷載和水浸的雙重作用下，煤柱壩體塑性區不斷擴展，其核心承載區的強度不斷減小，故煤柱壩體發生大范圍破壞失穩前，煤柱壩體內部應力會產生連續陡增現象(圖13)，尤其是煤柱上方頂板左側(靠近采空區一側)發生應力陡增現象更加明顯?；诖?，建議現場采取應力監測預警時，除了煤柱壩體內部，還應在煤柱上方臨近采空區側的頂板巖層中布置監測點。

圖13 煤柱壩體應力變化特征Fig.13 Stress variation in coal pillar dam body

(3)通過分析煤層開采后地下水向采空區的滲流特征(圖14)，地下水的運移路徑分為4 個階段，根據滲流場裂隙發育維度不同，滲流通道可分為3 類；采空區和離層裂隙為主要儲水區域，垂向裂隙儲水較弱，邊界垂向裂隙為貫通上下巖層的主要通道。

圖14 地下水滲流試驗結果及示意Fig.14 Results and schematic diagram of underground water seepage test

(4)分析研究了布爾臺煤礦煤炭分層開采對覆巖含水層和隔水層的擾動破壞規律(圖15)，揭示了煤礦地下水庫水源補給規律。布爾臺煤礦的水文地質概況為：從地表至煤層，依次為第1 含水層、第1 隔水層、第2 含水層、第2 隔水層、22 煤、42 上煤。當22 煤推進215 m 時，覆巖裂隙貫通第2 隔水層，隔水效果基本失效，溝通第2 含水層，涌水量增大。42 上煤推進150 m 時，再次溝通第2 含水層，第2 含水層成為42 煤采空區的主要水源；推進450 m 時，第1 隔水層發生破壞，溝通第1 含水層，第1 含水層成為重要的水源補給通道。

圖15 布爾臺煤礦煤炭分層開采對覆巖擾動破壞規律Fig.15 Disturbance and damage evolution of overlying strata induced by slice mining in Buertai Coal Mine

(5)開展了多煤層采動煤礦地下水庫安全距離試驗(圖16)，揭示了下煤層采動條件下地下水庫底板裂隙擴展的幾何拓撲特征，基于逾滲理論構建了采動巖體突滲方程。以大柳塔多煤層煤礦地下水庫為例，試驗表明在下煤層采動條件下，上煤層地下水庫底板和煤柱壩體未產生明顯的張拉裂隙，安全距離為70 m。

圖16 模型試驗方案及試驗結果分析Fig.16 Modelling test methodology and results analysis

(6)以大柳塔煤礦為例，開展了多煤層采動對覆巖含水層破壞試驗(圖17)，揭示了煤炭開采對含水層的破壞特征，采動初期基巖層關鍵層未完全垮落時，導水裂隙帶主要沿工作面前后方持續發育，采空區上方發育緩慢；關鍵層上覆巖層離層量動態變化，松散層含水層底板離層量持續增加，松散層含水層結構完整，未破壞；隨著采動范圍的不斷擴大，關鍵層破斷后，松散層含水層隨覆巖整體切落，含水層結構破壞，水徑流方向改變，大量涌入離層空間，離層空間成為重要聚集區域，并沿高角度導水優勢裂縫向下運移。

圖17 松散層含水層破壞特征Fig.17 Failure characteristics of loose aquifer layer

3.2 煤礦地下水庫壩體結構試驗平臺

針對煤礦地下水庫的結構安全問題，利用該平臺，以神東礦區大柳塔煤礦地下水庫為例，開展了不同地震烈度條件下地下水庫壩體穩定性試驗研究(表2)。

表2 煤礦地下水庫壩體結構試驗平臺開展的主要試驗Table 2 Main experiments by the dam structure experimental platform for coal mine underground reservoirs

以煤礦地下水庫抗震安全為研究背景開展振動臺試驗，如圖18 所示。試驗過程中采用分布式光纖進行壩體應變監測，采用散斑系統進行表面位移監測，監測結果如圖19、20 所示。研究表明，一是大柳塔煤礦地下水庫內巖體壓實沉降固結，有助于提升地下水庫結構的抗震性能，地震烈度超過10 度條件下(垂直荷載0.3 MPa、加速度1.5g條件下)，壩體結構整體安全(未發生塑性變形，測點殘余應變仍然很小，不超過200 微應變)。二是大柳塔地下水庫壩體可抵抗10 級以上地震，地震過程中水庫側應力大于巷道側應力約10%，垂向上應力分布為底部 ＞ 腹部 ＞ 頂部。同一地震波作用下人工壩體位移大于煤柱壩體1.14 倍，煤柱壩體和人工壩體連接處應力集中，是壩體薄弱位置。

圖18 煤礦地下水庫物理模型試驗Fig.18 Physical model experiment of coal mine underground water reservoir

圖19 煤柱壩體與人工壩體結構應變分布Fig.19 Strain distribution of coal pillar dam and artificial dam structure

圖20 相似模擬實驗散斑監測結果Fig.20 Speckle monitoring results in the physical modelling experiment

3.3 煤礦地下水庫水巖耦合機理試驗平臺

以大柳塔礦井下巖體及礦井水為試驗對象，利用煤礦地下水庫水巖耦合機理試驗平臺，搭建中試試驗系統，開展煤礦地下水庫巖體對礦井水10 m 長凈化中試模擬試驗(表3)，對試驗過程中礦井水水質指標進行測試分析，獲取試驗前后礦井水中懸浮物變化特征，掌握煤礦地下水庫對礦井水中懸浮物的去除規律。

表3 煤礦地下水庫水巖耦合機理試驗平臺開展的主要試驗Table 3 Main experiments by the water-rock coupling mechanism experimental platform for underground water reservoirs

相關結論如下：

(1)根據礦井水進水流量和時間，計算進入平臺的礦井水體積，記錄水深高度，經計算可得儲水系數，研究發現：試驗過程中在多個時刻待水位穩定后，記錄水深高度和注水體積。儲水系數為注水體積和水深高度對應的平臺體積之比，其變化曲線如圖21 所示，可得中試試驗的儲水系數為0.52。

圖21 儲水系數隨注水深度的變化曲線Fig.21 Variation of the water storage coefficient with water depth

(2)中試試驗的總水樣體積為4.032 m3，已知流量為0.6 m3/h，可得全部水樣在試驗系統內完成單次循環的理論時間為6.72 h，結合本次試驗的儲水系數(0.52)和巖樣鋪設高度的平臺總體積(2.25 m3)，可知礦井水在試驗平臺內的體積為1.17 m3，水力停留時間為1.95 h。通過分析試驗前后礦井水懸浮物質量濃度，掌握了煤礦地下水庫礦井水懸浮物去除規律，研究發現：對于大柳塔煤礦地下水庫礦井水凈化中試試驗，懸浮物質量濃度與沉降距離的關系如圖22 所示，礦井水懸浮物質量濃度去除率可達89.5%，中試試驗第10 m 出口處懸浮物質量濃度為90 mg/L，比進水口的質量濃度降低了88.5%，降幅顯著， 且懸浮物質量濃度與沉降距離的關系滿足函數關系式：y=aebx+cedx，其中，y為懸浮物質量濃度；x為沉降距離；a和c為與礦井水初始質量濃度相關的待定系數，b和d為與沉降距離相關的待定系數。

圖22 懸浮物質量濃度隨沉降距離變化曲線Fig.22 Variation of the suspended solids concentration with settling distance

(3)對中試試驗穩態條件下懸浮物濃度隨沉降距離變化數據進行擬合，如圖23 所示，利用達西定律，推導了能更好的適用于煤礦地下水庫去除懸浮物的經驗函數模型。

圖23 穩態條件下懸浮物質量濃度隨沉降距離變化關系Fig.23 Correlation between the suspended solids concentration and the settling distance under steady-state conditions

將達西定律方程轉換后得

式中，L為長度(沉降距離)；v為滲流速度；k為滲透系數；ΔH為水頭損失，ΔH=H1-H2。

將式(1)轉變為v=kΔH/L代入式y=aebx+cedx中，可得

式(2)中y(懸浮物質量濃度)與v(滲流速度)之間的關系可令bkΔH為b1，dkΔH為d1，則得到

式(3)能更好的適用于煤礦地下水庫實際應用，可對某一位置礦井水懸浮物濃度進行預測，并得到懸浮物在地下水庫內發生沉降的主要范圍，為現場地下水庫預防淤堵及開發清淤技術提供理論依據。

3.4 水處理工藝集成試驗平臺

針對國能集團寧煤公司某煤礦高礦化度礦井水處理技術難題，利用平臺中試系統模塊中的微砂澄清、旋流+陶瓷膜、超濾反滲透和多效蒸發等多套礦井水噸級處理設備，設計了“旋流+陶瓷膜+反滲透+多效蒸發”和“微砂澄清+超濾+反滲透+多效蒸發”2 套集成工藝并實現了連續穩定運行，出水水質均優于煤炭工業回用及地表三類水體的水質標準。礦井水原水懸浮物質量濃度5 000 mg/L，礦化度4 500 mg/L，處理量2 m3/h。旋流回砂采用1 臺50 mm 級旋流器，底流口直徑采用8 mm。通過50 mm 級旋流器對礦井水進行預處理，溢流經過陶瓷膜進行物理過濾后出水濁度達到0.03 NTU，底流高濃礦井水由澄清器進行絮凝處理，澄清器出水SS(懸浮物質量濃度)穩定小于10 mg/L，濁度穩定小于10 NTU。2 種預處理工藝藥劑用量比傳統工藝減少25%以上，占地面積縮小50%以上，適用于井下處理。陶瓷膜裝置產水進入超濾系統做進一步預處理，超濾產水作為一級反滲透原水，經輸水泵輸送并經高壓泵增壓后進入反滲透膜組，一級反滲透產水進入RO 產水箱，一級反滲透濃水進入二級反滲透作為進水，進行二次濃縮，濃水外排，產水回至RO 產水箱。連續運行期間，一級反滲透產水平均電導率79.3 μs/cm，二級反滲透產水平均電導率113.6 μs/cm，“超濾+反滲透”段礦井水回收率可達到85%(圖24)；反滲透膜濃水(礦化度30 000 mg/L)進入三效順流蒸發裝置，經蒸發處理后，產水TDS ＜ 10 mg/L，濃水礦化度達90 000 mg/L，全流程礦井水總回收率可達92%(圖25)。

圖24 預處理出水SS 和濁度變化Fig.24 Changes in suspended solids concentration and turbidity for pre-treated water

圖25 膜濃縮深度處理回收率變化Fig.25 Changes in recovery rate of membrane concentration with deep treatment

4 結 論

(1)煤礦地下水庫作為一項原創性技術，理論和技術需要不斷豐富完善，相似模擬試驗是重要的研究手段之一。煤炭開采水資源保護和利用全國重點實驗室自主研制了7 個試驗平臺，并經過一系列試驗研究，驗證了平臺可靠性，能夠有效支撐煤礦地下水庫理論技術體系完善。

(2)充分利用上述試驗平臺，開展西部礦區不同地質和工況條件下，煤礦地下水庫煤柱壩體尺寸優化、人工壩體結構參數優化、水巖耦合機理等理論研究和技術研發，為推廣應用地下水庫提供技術支撐。

(3)開展多工況條件下煤礦地下水庫安全設計和評價，如礦震和地震、冒落巖體突然垮落等特殊工況下，煤礦地下水庫整體安全評價分析，為地下水庫安全運行提供依據。

(4)依托上述平臺，制定煤礦地下水庫建設、運行和安全標準體系，規范地下水庫選址、水量預測、壩體結構參數優化設計、水質控制、安全保障等方面，形成煤礦地下水庫建設運行成套技術體系，在西部缺水煤炭主產區推廣應用。