CN107131002A - 一种井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带高度的发育特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位，之后结合覆岩导水裂隙带高度的预计方法，确定各区域不同覆岩关键层赋存条件下的导水裂隙带发育高度，最后，通过对比导水裂隙带高度与基岩厚度的大小关系，确定可用于地面回灌井下采动漏失水资源的采煤区域及回灌钻孔的施工参数；本发明不仅能有效保护矿井地下水资源，还能大大提高地表松散层的水位标高，改善地表植被的生存环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种保水方法，尤其是一种适用于煤炭开采与环境保护技术领域中的井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法。
背景技术
煤炭地下开采将引起上覆岩层的破断、垮落，从而在覆岩中形成垮落带、导水(气)裂隙带和弯曲下沉带，即采动覆岩的“三带”。对于采动覆岩垮落带和导水(气)裂隙带，由于裂隙在岩层上下界面贯通，处于该范围内的含水层将会受裂隙破坏和导流作用发生水资源漏失；而对于覆岩弯曲下沉带，岩层裂隙无法上下贯通，因而也不会对其中的地下水形成导流作用，仍能达到隔水效果。因此，采动覆岩导水裂隙是煤矿地下水资源漏失的地质根源。煤层采动破坏引起的水资源漏失不仅增加了矿井涌水量、加大了井下排水压力，而且还破坏了区域地下水循环***，严重时还会引发水害威胁。因此，如何在煤炭开采过程中最大限度的防止地下水资源遭到破坏、有效保护并合理利用水资源，是我国煤炭开发过程中面临的重大技术问题，也是保水采煤所需解决的关键科学问题。
目前，已有相关发明提出利用煤矿井下采空区作为储水和净化水的空间，依靠采动岩体的破断裂隙作为水源流动的通道，将采动漏失水资源收集至井下采空区，进行矿区水资源***的统筹蓄储和循环利用，取得了较大成功(CN1221479C，煤矿井下采空区水的净化方法，2005；CN102862775A，一种矿井地下水的分布式存储方法，2013)。然而，在一些地层含水层赋存量较大、富水性较强的矿区，井下采空区往往没有足够的储水空间来蓄存大量的顶板漏失水，导致采空区储水水位过高，反而造成垮坝溃水危险。为了合理配置采动漏失水资源，使其重新回归到地下含水层中，有必要开展将井下采动漏失的水资源重新回灌至地表松散层中的保水方法的专门设计。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，结合矿井各开采区域具体的煤层开采和水文地质条件，统筹考虑煤层埋深、采高、基岩厚度、覆岩关键层结构、开采沉陷盆地等因素，据此确立可用于地面回灌井下采动漏失水资源的区域，形成井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，以指导解决煤炭开发过程中的保水采煤问题，实现煤炭开采与水资源保护的协调发展。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带高度的发育特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位，之后结合覆岩导水裂隙带高度的预计方法，确定各区域不同覆岩关键层赋存条件下的导水裂隙带发育高度，最后，通过对比导水裂隙带高度与基岩厚度的大小关系，确定可用于地面回灌井下采动漏失水资源的采煤区域及回灌钻孔的施工参数。若导水裂隙带高度大于等于基岩厚度，则该区域不能将井下漏失水资源回灌至地表松散层。若导水裂隙带高度小于基岩厚度，则该区域施工地表回灌钻孔。所述回灌钻孔布置在对应采煤区域下沉盆地的边界附近，并利用输水管路将其与矿井水处理厂的出水管路连接，从而将水处理厂处理后的井下漏失水资源回灌至地表松散层。
具体包括以下步骤：
a.收集矿井在各采煤区域曾施工的地质探查钻孔柱状，获得不同开采区域顶板岩层赋存、各岩层的物理力学特性参数。采用关键层位置判别方法对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别，从而确定各区域覆岩关键层位置。
b.采用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”，通过覆岩关键层位置与煤层采高的关系对采动覆岩导水裂隙带高度进行判断，从而获得各区域覆岩导水裂隙带高度和基岩厚度的大小关系。若某采煤区域覆岩导水裂隙带高度小于基岩厚度，则导水裂隙带未沟通基岩顶界面，可在对应采区施工地表回灌钻孔。而若某采煤区域覆岩导水裂隙带沟通了基岩顶界面，则不能实施地表回灌钻孔，以免回灌的水资源又通过导水裂隙通道重新漏至井下。
c.在可用于地表回灌井下采动漏失水资源的采煤区域对应开采盆地边界附近施工地表回灌钻孔，便于回灌水自流至开采盆地内，并利用输水管路将其与矿井水处理厂的出水管路连接，从而将水处理厂处理后的井下漏失水资源回灌至地表松散层。
进一步地：还包括在地表回灌钻孔布置的采煤区域对应开采盆地中央布设松散层水位观测孔，以观测松散层内水位变化情况，当松散层水位超过地表植被根系所需的合理取水水位时，停止回灌。
优选的：所述步骤a中利用关键层判别软件KSPB对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别。
优选的：所述地表回灌钻孔的施工方法为：钻孔施工时以120-140mm的直径开孔，需钻进至基岩界面以下5～10m结束，在钻孔中下套管进行表土封闭止沙，所述套管包括花管，花管外包裹一层滤水挡沙的滤膜膜，钻孔施工后，在孔口上覆盖封闭盖板，所述封闭盖板上连接有输水管路。
优选的：钻孔施工时以130mm的直径开孔。
优选的：所述水处理厂处理后的井下采动漏失水资源，其水质应达到地表松散层原始水体的水质标准。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明基于煤层地质赋存条件与开采参数，考虑了覆岩导水裂隙带发育对可用于回灌井下采动漏失水资源的采煤区域的影响，本发明将井下采煤引起的漏失水资源通过水处理厂处理达标后重新回灌至地表松散层，不仅能有效保护矿井地下水资源，还能大大提高地表松散层的水位标高，改善地表植被的生存环境，这对于矿区煤炭开采与水资源保护的协调发展、尤其是生态脆弱矿区地表植被修复与保护都具有重要意义，其使用方法科学可靠，实用性强。
附图说明
图1是本发明井下采动漏失水资源回灌地表松散层的实施示意图。
图2是本发明井下采动漏失水资源回灌地表松散层的回灌钻孔布置剖面图。
图3是本发明实际应用过程中某煤矿北翼采区地层赋存柱状及关键层位置判别结果示意图。
图4是本发明实际应用过程中某煤矿南翼采区地层赋存柱状及关键层位置判别结果示意图。
图5是本发明实际应用过程中某煤矿采区布置及回灌钻孔布置平面示意图；
其中，1为水处理厂，2为输水管路，3为导水裂隙带轮廓线，4为井筒，5为回灌钻孔，6为松散层水位观测孔，7为松散层，8为含水层，9为封闭盖板，10为滤膜，11为花管，12为基岩顶界面，13为下沉盆地边界。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1、图2所示，本发明的一种井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带高度的发育特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位，之后结合覆岩导水裂隙带高度的预计方法，确定各区域不同覆岩关键层赋存条件下的导水裂隙带发育高度，最后，通过对比导水裂隙带高度与基岩厚度的大小关系，确定可用于地面回灌井下采动漏失水资源的采煤区域及回灌钻孔的施工参数；若导水裂隙带高度大于等于基岩厚度，则该区域不能将井下漏失水资源回灌至地表松散层；若导水裂隙带高度小于基岩厚度，则该区域可以施工地表回灌钻孔；所述回灌钻孔布置在对应采煤区域下沉盆地边界13附近，并利用输水管路将其与矿井水处理厂的出水管路连接，从而将水处理厂处理后的井下漏失水资源回灌至地表松散层，回灌的水体其水质应达到地表松散层原始水体的水质标准；回灌过程中应在下沉盆地中央布置松散层水位观测孔，当其水位超过地表植被根系的合理取水水位时，停止回灌。具体包括以下步骤：
a.收集矿井在各采煤区域曾施工的地质探查钻孔柱状，获得不同开采区域顶板岩层赋存、各岩层的物理力学特性参数。利用关键层判别软件KSPB对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别，从而确定各区域覆岩关键层位置。
b.采用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”，通过覆岩关键层位置与煤层采高的关系对采动覆岩导水裂隙带高度进行判断，从而获得各区域覆岩导水裂隙带高度和基岩厚度的大小关系。若某采煤区域覆岩导水裂隙带高度小于基岩厚度，则导水裂隙带未沟通基岩顶界面，可在对应采区施工地表回灌钻孔5。而若某采煤区域覆岩导水裂隙带沟通了基岩顶界面12，则不能实施地表回灌钻孔5，以免回灌的水资源又通过导水裂隙通道重新漏至井下。
c.在可用于地表回灌井下采动漏失水资源的采煤区域对应开采盆地边界附近施工回灌钻孔5，并利用输水管路2将其与矿井水处理厂1的出水管路连接，从而将水处理厂1处理后的井下漏失水资源回灌至地表松散层。
所述水处理厂1处理后的井下采动漏失水资源，其水质应达到地表松散层原始水体的水质标准。所述地表回灌钻孔5的施工方法为：如图2所示，钻孔施工时以130mm的直径开孔，需钻进至基岩界面以下5～10m结束，在钻孔中下套管进行表土封闭止沙，所述套管包括花管11，花管11外包裹一层滤水挡沙的滤膜10，钻孔施工后，在孔口上覆盖封闭盖板9，所述封闭盖板9上连接有输水管路2。
d.在地表回灌钻孔5布置的采煤区域对应开采盆地中央布设松散层水位观测孔6，以观测松散层7内水位变化情况，当松散层7水位超过地表植被根系所需的合理取水水位时，停止回灌。
如图3、图4所示，图中为某煤矿北翼和南翼采区地层赋存柱状及其关键层位置判别结果，从柱状的关键层位置判别结果可以看出，该矿井在东翼和西翼两区域的岩层赋存存在明显不同的特征。由此，可对两区域的覆岩导水裂隙带发育高度进行判断。对于北翼采区，根据煤层6.0m的采高可知，覆岩主关键层正好处于7～10采高之外，因此，该区域覆岩导水裂隙发育主关键层底界面，不会沟通基岩顶界面12，该区域可以将井下采动漏失水资源回灌至地表松散层7。对于南翼采区，按照同样的方法，覆岩主关键层位于7～10倍采高以内，覆岩导水裂隙带3沟通到了基岩顶界面12，所以南翼采区不能实施井下采动漏失水资源的回灌措施。
在北翼采区施工回灌钻孔5时，其布置位置应设置在开采盆地边界处，便于回灌水自流至开采盆地，回灌钻孔5深度根据松散层115.45m的厚度设置为120.45-125.45m，以钻进至基岩顶界面12以下5-10m。同时在北翼采区的开采盆地中央设置了松散层水位观测孔6，实时观测回灌过程中的松散层水位变化。考虑到该矿区地表植被根系取水的合理水位埋深为1.0-1.5m，因此，当松散层水位观测孔内的水位埋深达到该值时，停止回灌。
本发明基于煤层地质赋存条件与开采参数，考虑了覆岩导水裂隙带发育对可用于回灌井下采动漏失水资源的采煤区域的影响，本发明将井下采煤引起的漏失水资源通过水处理厂处理达标后重新回灌至地表松散层，不仅能有效保护矿井地下水资源，还能大大提高地表松散层的水位标高，改善地表植被的生存环境，这对于矿区煤炭开采与水资源保护的协调发展、尤其是生态脆弱矿区地表植被修复与保护都具有重要意义，其使用方法科学可靠，实用性强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，其特征在于：根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带高度的发育特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位，之后结合覆岩导水裂隙带高度的预计方法，确定各区域不同覆岩关键层赋存条件下的导水裂隙带发育高度，最后，通过对比导水裂隙带高度与基岩厚度的大小关系，确定可用于地面回灌井下采动漏失水资源的采煤区域及回灌钻孔的施工参数；若导水裂隙带高度大于等于基岩厚度，则该区域不能将井下漏失水资源回灌至地表松散层；若导水裂隙带高度小于基岩厚度，则该区域施工地表回灌钻孔；所述回灌钻孔布置在对应采煤区域下沉盆地的边界附近，并利用输水管路将其与矿井水处理厂的出水管路连接，从而将水处理厂处理后的井下漏失水资源回灌至地表松散层。
2.根据权利要求1所述井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.收集矿井在各采煤区域曾施工的地质探查钻孔柱状，获得不同开采区域顶板岩层赋存、各岩层的物理力学特性参数；采用关键层位置判别方法对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别，从而确定各区域覆岩关键层位置；
b.采用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”，通过覆岩关键层位置与煤层采高的关系对采动覆岩导水裂隙带高度进行判断，从而获得各区域覆岩导水裂隙带高度和基岩厚度的大小关系；若某采煤区域覆岩导水裂隙带高度小于基岩厚度，则导水裂隙带未沟通基岩顶界面，可在对应采区施工地表回灌钻孔；而若某采煤区域覆岩导水裂隙带沟通了基岩顶界面，则不能实施地表回灌钻孔，以免回灌的水资源又通过导水裂隙通道重新漏至井下；
c.在可用于地表回灌井下采动漏失水资源的采煤区域对应开采盆地边界附近施工地表回灌钻孔，便于回灌水自流至开采盆地内，并利用输水管路将其与矿井水处理厂的出水管路连接，从而将水处理厂处理后的井下漏失水资源回灌至地表松散层。
3.根据权利要求2所述井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，其特征在于：还包括在地表回灌钻孔布置的采煤区域对应开采盆地中央布设松散层水位观测孔，以观测松散层内水位变化情况，当松散层水位超过地表植被根系所需的合理取水水位时，停止回灌。
4.根据权利要求2所述井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，其特征在于：所述步骤a中利用关键层判别软件KSPB对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别。
5.根据权利要求2所述井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，其特征在于：所述地表回灌钻孔的施工方法为：钻孔施工时以120-140mm的直径开孔，需钻进至基岩界面以下5～10m结束，在钻孔中下套管进行表土封闭止沙，所述套管包括花管，花管外包裹一层滤水挡沙的滤膜，钻孔施工后，在孔口上覆盖封闭盖板，所述封闭盖板上连接有输水管路。
6.根据权利要求5所述井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，其特征在于：钻孔施工时以130mm的直径开孔。
7.根据权利要求2所述井下采动漏失水资源回灌地表松散层的保水方法，其特征在于：所述水处理厂处理后的井下采动漏失水资源，其水质应达到地表松散层原始水体的水质标准。
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