CN117266925A - 一种矿山水处理及矿井水能源利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矿山水处理及矿井水能源利用方法，涉及矿产资源开采领域。本发明通过在煤矿巷道中施工能源孔；对能源孔进行高压注浆封孔，并在能源孔口部安装高压防喷阀门和压力计量器；在高压防喷阀门后侧装入水力发电涡轮机组，改变水流方向，将水流压力改为角动量，由角动量转变为电能；施工地下水仓，通过密闭式导水管道，将放喷的水体导入地下水仓；在地下水仓附近放置卧泵，通过卧泵将地下水仓的水抽排出进入地表水处理站，对水进行物理除杂质、除垢；除垢后的水体进入分质用水工程或灌入地表水库；施工奥灰井，将地表水库中的水体通过抽水泵抽出，除砂后回灌入开采层；能够在确保施工安全的前提下充分利用矿井水能源，提高经济效益。

Description

一种矿山水处理及矿井水能源利用方法

技术领域

本发明涉及矿产资源开采技术领域，特别是涉及一种矿山水处理及矿井水能源利用方法。

背景技术

目前在中国华北区矿产资源地下开采过程中，随着开采深度的逐渐增加，存在上覆水体渗透性能强、下覆水体承压水头大的矿区水文地质情况，也是形成矿山突水等“水害”的主要原因。矿山生产过程中涌水量大、处理手段繁杂，现有方法通常是直接对矿井水进行处理和外排，未进行水中蕴能的利用，经济效益较低。

发明内容

针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种矿山水处理及矿井水能源利用方法，能够在确保施工安全性的前提下充分利用矿井水能源，提高经济效益。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种矿山水处理及矿井水能源利用方法，包括：

在疏水情况下，在煤矿巷道中向下或向上施工能源孔；

对施工的能源孔进行高压注浆封孔，并在能源孔口部安装高压防喷阀门和压力计量器；

在高压防喷阀门后侧装入水力发电涡轮机组，通过水力发电涡轮机组放置方式改变水流方向，将水流压力改为角动量，由角动量转变为电能；

施工地下水仓，通过密闭式导水管道，将放喷的水体导入地下水仓；

在地下水仓附近放置卧泵，通过卧泵将地下水仓的水抽排出进入地表水处理站，对水进行物理除杂质、除垢；

除垢后的水体进入分质用水工程或灌入地表水库；

施工奥灰井，将地表水库中的水体通过抽水泵抽出，除砂后回灌入开采层。

可选地，所述高压防喷阀门设置多组；所述高压防喷阀门用于控制何时放水；所述压力计量器用于监测高压防喷阀门处的水压。

可选地，所述水力发电涡轮机组放置多个，用于将水流压力转化为电能。

可选地，所述地下水仓建设大小根据探放水获取的水量和匹配峰谷时差建设，应至少能承载12小时自然放水的储水量。

可选地，所述在煤矿巷道中向下或向上施工能源孔，具体包括：

当开采煤层为下组煤时，寻找存在断裂的位置施工能源孔，断裂探入层间岩溶下方100-300m，断裂导通层间岩溶区；施工顺序为先施工入层间岩溶区，对层间岩溶进行注浆，封堵形成稳定充填体；然后打穿充填体，施工入具备导水性能的构造与层间复合三角区影响带；

当井下不具备施工输水管道条件时，将水体进行水质处理后进行回注，形成良水回灌。

可选地，所述构造与层间复合三角区影响带的水头压降符合达西定律和Forchheimer流。

可选地，所述施工奥灰井，具体包括：

在煤矿巷道内增加封堵墙，封堵墙建设好后，于地表定位并施工奥灰井，奥灰井穿过开采巷道层位并深入下部地层，施工至层间岩溶上方临界地层；

对已施工完成的奥灰井进行下管，下管后对管材外侧进行高压注浆，并于封堵墙附近形成充填体；

待注浆材料冷却后，由井下巷道向地表施工奥灰井处掘进，打穿封堵墙及充填体，并将横向管材与垂直管材相焊接，焊接处不对垂直管材进行切割；

于水平管材上安装高压防喷阀门和压力计量器，完成本次水平方向作业；

继续由地表对垂直奥灰井施工，向下钻进至奥灰岩溶层间岩溶区或复合三角区，奥灰岩溶层间岩溶区采取裸孔或安装桥式滤水管；

奥灰井施工至相应孔深后，对垂直管材和横向管材连接部位进行射孔或切割，将水平奥灰井与垂向奥灰井之间的通道打通，形成连通器效应；

将奥灰岩溶体作为大体量等效水库，施工的奥灰井相当于水体连通器，在地热井巷道部位安装水平放喷口则具有等效水压，利用副井完成抽灌水循环，形成水流循环。

可选地，下入管材为高强度钢管或石油套管。

可选地，高压注浆材料采用速凝水泥。

可选地，所述矿山水处理及矿井水能源利用方法还包括：高电价时对水进行放喷发电，低电价时利用抽水泵将水抽到地表或回注。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种矿山水处理及矿井水能源利用方法，通过在疏水情况下，在煤矿巷道中向下或向上施工能源孔；对施工的能源孔进行高压注浆封孔，并在能源孔口部安装高压防喷阀门和压力计量器；在高压防喷阀门后侧装入水力发电涡轮机组，通过水力发电涡轮机组放置方式改变水流方向，将水流压力改为角动量，由角动量转变为电能；施工地下水仓，通过密闭式导水管道，将放喷的水体导入地下水仓；在地下水仓附近放置卧泵，通过卧泵将地下水仓的水抽排出进入地表水处理站，对水进行物理除杂质、除垢；除垢后的水体进入分质用水工程或灌入地表水库；施工奥灰井，将地表水库中的水体通过抽水泵抽出，除砂后回灌入开采层；能够在确保施工安全性的前提下充分利用矿井水能源，大幅提高经济效益。

本发明矿山水处理及矿井水能源利用方法兼顾矿山水害治理、抽水蓄能调峰填谷、矿井地下空间全生命周期利用以及超前疏水开发矿井水资源化利用等功能，既充分利用了水的势能，将“水害”变为“水资源”，又通过较少的投资结合利用储能的方法，为矿井地下空间完成采掘任务后赋予一种新的利用方法，为矿山涌水增添了一种新的经济价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种矿山水处理及矿井水能源利用方法的流程图；

图2为本发明一种矿山水处理及矿井水能源利用方法的原理示意图；

图3为本发明下组煤巷道向下施工能源孔的施工方法示意图；

图4为本发明奥灰井地表施工方法中建设封堵墙和下管过程示意图；

图5为本发明奥灰井地表施工方法中安装横向管材过程示意图；

图6为本发明奥灰井地表施工方法中钻进及管材连通过程示意图；

图7为本发明奥灰井概念模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种矿山水处理及矿井水能源利用方法，能够在确保施工安全性的前提下充分利用矿井水能源，提高经济效益。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种矿山水处理及矿井水能源利用方法的流程图，图2为本发明一种矿山水处理及矿井水能源利用方法的原理示意图。参见图1和图2，一种矿山水处理及矿井水能源利用方法，包括：

步骤1：在疏水情况下，在煤矿巷道中向下或向上施工能源孔。

本发明煤矿巷道即煤矿开采巷道，可选择已完成开采任务的巷道施工能源孔。参见图2，本发明在疏水情况下，在煤矿巷道中向下或向上施工能源孔，即钻孔用于下一步能量的转化利用。根据能量转化效率的区别，本实施例着重介绍向下施工能源孔。

图3为本发明下组煤巷道向下施工能源孔的施工方法示意图。参见图3，如开采煤层为下组煤，则可以寻找存在断裂的特殊位置施工能源孔疏放水，一般断裂应具备导水性能，有足够的保安煤柱，断裂探入层间岩溶下方100-300m，断裂可导通层间岩溶区。施工顺序应为先施工入层间岩溶区，对层间岩溶进行注浆，封堵形成稳定充填体。充填体是指注浆(一般只注水泥、水玻璃)等可凝固流体，待凝固后形成堵水的区域。然后打穿充填体，施工入具备导水性能的断裂“构造富水三角区”影响带(即图3中构造与层间复合三角区)。构造与层间复合三角区是指地质上存在断裂裂隙构造和层间岩溶富水区的复合部位，断裂构造是指地层沉积中存在断裂裂缝、错位的缝合部位。该“构造富水三角区”影响带水头压降一般符合达西定律、Forchheimer流。接下来将Navier-Stokes紊流、达西层流、Forchheimer流3个物理过程介绍如下。

根据流场动力学理论，地下水在华北煤炭采空区垮落带(张性断层带)、含水层、破碎带(断层、导水裂隙带、陷落柱)中分别经历了Navier-Stokes紊流、达西层流、Forchheimer流3个物理过程。

1)采空区垮落带(张性断层带)的Navier-Stokes紊流

采空区垮落带主要由大空隙介质和不规则管道组成，地下水在其中自由流动且流速较快，雷诺数普遍大于10，呈现非恒定紊流状态，非稳定状态下可由不可压缩流体的Navier-Stokes方程表示：

式中，ρ表示流体密度，kg/m³；u为地下水流速，m/s；t为时间变量，s；η为动力粘度，Pa·s；为梯度算子；p为流体压力，Pa；f为流体的质量力，N。

2)含水层中的达西层流

地下水在含水层中的运动速度非常小，渗流驱动力以流体压力为主，流速随流体压力增大而增大，雷诺数一般处于1～10之间，服从线性达西定律，可表示为：

式中，k为渗透率，㎡；Z为水头高度，m；g为重力加速度，通常为9.8m/s²。

非稳态情况下，渗流连续性方程为：

式中φ为介质的孔隙率。

3)破碎带中的Forchheimer流

经过采矿扰动后，无论是断层破碎带还是导水裂隙带，都由破碎岩体组成，属于含有大空隙的多孔介质，前人的研究证明，地下水在其中的运动速度增大或缩小，此种介质的导水流态已不再属于达西渗流范畴，服从Forchheimer方程关系，同样断层破碎带也符合本特征。非稳态条件下，地下水在破碎带中的Forchheimer型非达西流运动方程、连续性方程和状态方程可分别表示为：

式中，c_a为加速度系数；β为非达西因子；q为源汇项强度，s^-1；p₀为初始压力，Pa；φ₀为初始孔隙率；c_φ为孔隙压缩系数。

流动阻力是线性达西定律成立时单位渗流系数的倒数，根据科技文献(地热异常型矿井裂隙岩体水热运移机理及热环境控制研究·王骏辉)，流动阻力的表达形式可为：

将无量纲化的Forchheimer公式(8)写成流动阻力的形式，根据科技文献，流动阻力r可显示为：

B_D＝A_D·ξ (10)

上述三个物理过程相互调和，共同作用，组成了地下水在多重复杂介质中渗流的有机整体。各个渗流场交界面上流体压力和流速的连续则组成了地下水在不同流动区域过渡的边界条件。

4)由实际生产过程试验总结的特征系数

明确粗糙渗流特征就可以分析粗糙度、裂隙宽度和流量对波浪型及平面型裂隙水渗流的影响规律，判别达西流和非达西流的临界点，修正裂隙渗流-压降方程。然而Navier-Stokes紊流、达西层流、Forchheimer流在实验室中较容易模拟。在实际生产过程中，可以忽略渗流特性中间段的水头损失，更多的可以概化初始端和末端可利用的压力水头对比来解释其粗糙渗流特性。

根据华北煤田区的一些渗流特征，研究人员统计了部分砂岩、碳酸盐岩地层的渗流特性。根据矿山超前疏放水实际数据统计，华北煤田区主要上覆含水层砂岩水，其粗糙渗流特性造成的水头压力损失大约可达到60％。

即在地表施工钻孔1000m米埋深位置，水头压力公式为ρgh，水压约10Mpa；而在井下针对砂岩水超前疏放水进行压力观测，疏放水压由于受到粗糙渗流特性影响，其疏放水压仅达到了4Mpa，特征多符合Forchheimer流。

5)关于层间岩溶的调查研究及理论总结

在古岩溶发生时，随着地壳变动，原生岩溶很难保存下来，现存岩溶多为各流体侵蚀的次生裂隙。目前对层间岩溶的定义尚未统一，但根据实际勘查资料，该层是在古岩溶发生期，不同于厚层未风化基岩的风化壳，其形成的结构多为沟壑状、团块状、底砾状等松散结构，该结构下易于原生气体、流体侵入、溶蚀并形成良好的水流导通通道。

华北区层间岩溶其中一处较为显著的位置，位于煤系地层底板之下，奥陶系岩溶灰岩顶部的风化层，厚度约50m，具备溶蚀发育、透水性好、各向异性表征不明显、岩石破碎、部分含泥质、岩体完整性差等特点。经多次碳酸盐岩抽灌水压力测试证明，该含水层频繁抽水的情况下，压降小，粗糙渗流造成的影响小，特征符合达西渗流公式。该区域经过多次钻探施工下管及裸孔测试、大规模抽水试验和井下物探探查、示踪试验等方式，查明了层间岩溶的特性适宜概化为地下承压水库。在非层间渗流区，构造破碎的碳酸盐岩地层中，流体渗流多为Forchheimer流，部分为达西层流，少部分为Navier-Stokes紊流。

继续参见图3，如井下不具备施工输水管道条件(根据矿山实际情况确定，如果矿山开采高度狭窄，施工难度大，就不具备施工条件)，水体应进行水质处理后，方可回注，形成良水回灌，保证地质生态环境。水岩离子交换作用是个长期而复杂的地质作用，煤矿地下空间超前疏放的水，在经过水质处理后，净化其中的可溶易溶性盐，在长期循环利用下，由于地下水更新速度快，地表地下水体离子成分趋于统一。

图3所示的施工方法可结合地层产状，通过地表管道形成水平异位回灌，异位回灌扩大了水循环途径，增加了水循环回抽水区的时间，特殊情况下对处理井下突发状况提供了时间缓冲。图2和图3中放喷孔与回注孔位于不同的位置，但属于同一地层，在不同区域放喷并回注后水在地下地层中进行了运移，即异位回灌。

图3所示的施工方法还可结合热泵供热取热、地热储能利用，由于煤的热传导系数较低，在上组煤开采的时候，下组煤具备保温隔热性能，可符合储热。地下的水中不仅具备势能，还具备热能，通过热泵汲取水中的热量进行利用即供热取热，该利用方式比较成熟。地热储能是指，把生活或者光伏发电中的余热作为一种资源进行储存，以水为储热媒介将热能储存于地层中进行储能，图3所示的施工方法仅指在完成开采任务的矿井中利用，否则热量传导可能影响矿山地下开采。

步骤2：对施工的能源孔进行高压注浆封孔，并在能源孔口部安装高压防喷阀门和压力计量器。

参见图2，对施工的能源孔进行高压注浆封孔，保证矿山开采安全；并在能源孔口部安装高压防喷阀门和压力计量器。根据压力情况，高压防喷阀门可设置多组。其中高压防喷阀门是用于控制出水口出水的开关，以便于确定何时放水。压力计量器用于监测高压防喷阀门处的水压。

步骤3：在高压防喷阀门后侧装入水力发电涡轮机组，通过水力发电涡轮机组放置方式改变水流方向，将水流压力改为角动量，由角动量转变为电能。

参见图2，在高压防喷阀门后侧装入水力发电涡轮机组，由放喷水压提供稳定发电动力。通过水力发电涡轮机组放置方式改变水流方向，将水流压力改为角动量，由角动量转变为电能，提高压降发电效率。水力发电涡轮机组可放置多个，以充分将势能差转化。水力发电机组的作用是将水压(水势能)转化为电能，其原理与水电站类似。

步骤4：施工地下水仓，通过密闭式导水管道，将放喷的水体导入地下水仓。

本发明将奥灰储水箱等效看做地下水仓，不同煤矿位置不同。参见图2，施工地下水仓，通过密闭式导水管道，将放喷的水体导入地下水仓，地下水仓建设大小可根据探放水获取的水量、匹配峰谷时差建设。考虑经济性的情况下，地下水仓建设大小应根据高压防喷阀门放水能力确定，最小应设置能承载12小时自然放水的储水量。考虑特殊情况可增加储水仓满足1-3天井下疏水需求。

步骤5：在地下水仓附近放置卧泵，通过卧泵将地下水仓的水抽排出进入地表水处理站，对水进行物理除杂质、除垢。

参见图2，地下水仓附近放置卧泵，通过卧泵可将地下水仓的水进行抽排。抽排出的水流经副井中的回水管道进入地表简易水处理站，对水进行物理除杂质、除垢。其中副井是指煤炭行业正常进出人员和排水的一种垂向大井。一般情况下生产矿山生产会产生涌水，本发明回水管道是指将水排出后再灌回地下的地表管道。水处理站是指水体出现水质差别时，为了实现“良水回灌”设置的水处理站。

步骤6：除垢后的水体进入分质用水工程或灌入地表水库。

参见图2，除垢后的水体可进入分质用水工程，进行提取水体热量等方式利用。如无需分质用水，则将其灌入地表水库，地表水库主要是为了辅助地下水仓调蓄，并非主要的特需的设施。一些矿山具备地表露天采坑或地表水体，在水质符合的情况下也可以作为替代。

其中地表水库是指地表可蓄水的水库，为了缓解井下储水压力设置，如水压不大可省略。分质用水工程是一个概化用语，本发明中指消耗水的工程，根据不同水质类型，可用于灌溉、生产等。

步骤7：施工奥灰井，将地表水库中的水体通过抽水泵抽出，除砂后回灌入开采层。

参见图2，施工奥灰地层回注井(简称奥灰井)，将地表水库中的水体通过抽水泵抽出，除砂后回灌入开采层。

奥灰井是将水回注到原疏水层的井，为确保地下水环境不受影响，尽可能的将水注回原含水层(本发明中以奥灰含水层代指)。抽水泵是地表水库往回注井抽水的动力泵，如无地表水库可省略。

由于煤层赋存特性及井下地层裂隙不确定性，在兼顾生产安全和特定狭窄巷道难以施工的情况下，为了降低技术难度，增加本发明方法的普适性，本发明提出结合奥灰井地表施工的具体施工方法，如图4至图6所示。

图4为本发明奥灰井地表施工方法中建设封堵墙和下管过程示意图。参见图4，本发明奥灰井地表施工方法首先在巷道内增加封堵墙，施工方式为用水、泥浆渗入巷道，封堵墙建设好后，于地表精准定位并施工奥灰井。施工奥灰井应穿过开采巷道层位，并深入下部地层，施工至层间岩溶上方临界地层为宜。然后对已施工完成的奥灰井进行下管，下入管材为高强度钢管或石油套管，下管后对管材外侧进行高压注浆，并于封堵墙附近形成充填体，注浆材料可用速凝水泥。

使用高强度钢管能够延长装置的使用寿命，也可使用石油套管。封堵墙位于地下巷道中施工回注井的两侧，是为了防止施工中水体灌入巷道，而进行对巷道预先封堵的设施。充填体是指施工回注井至一定深度后，将通过井筒向下注入水泥、水玻璃等进行固井，固井后回注井钢管和地层形成紧密结合。由于注入时水泥、水玻璃为流体，所以在封堵的巷道位置形成了凝固充填体，其作用一是稳固，二是堵水。通过高压注浆可使得充填流体堵塞一般裂隙。

图5为本发明奥灰井地表施工方法中安装横向管材过程示意图。参见图5，待注浆水泥冷却后，由井下巷道向地表施工奥灰井处掘进，打穿封堵墙及充填体，并将横向高强度钢管与垂直钢管相焊接。焊接处并不对垂直钢管进行切割，以便于进一步施工。于水平高强度钢管上装置高压阀门和压力计量器，完成本次水平方向作业。

图6为本发明奥灰井地表施工方法中钻进及管材连通过程示意图。参见图6，继续由地表对垂直奥灰井施工，向下钻进至奥灰岩溶层间岩溶区或富水三角区，奥灰岩溶层间岩溶区采取裸孔或安装桥式滤水管。该奥灰井施工至相应孔深后，对垂向井和水平井管材连接部位进行射孔或切割，将水平井与垂向井之间的通道打通，形成连通器效应。此时原地质环境条件下等压力水头线远高于巷道水平位置。

本发明奥灰井概念模型如图7所示，将奥灰岩溶体作为大体量等效水库，施工的奥灰井(地热井)相当于水体连通器，在地热井巷道部位安装水平放喷口则具有等效水压，利用副井完成抽灌水循环，形成水流循环。

在近期的生产过程中，通过技术分析、地震资料判别、施工钻孔、产能测试验证等手段发现了一种可提供持续压力水头的、粗糙渗流系数导致压损较少的渗流层，该渗流层可等效为概念性地下水库，可以通过计算得出该等效水库的等效水体流速、等效水体流量、补给径流情况下等效水体总储量。

本发明矿山水处理及矿井水能源利用方法普适性强，但是需要施工队伍具备一定的技术水平，施工风险性高。因此本发明提出了图3所示的下组煤巷道向下施工能源孔的施工方法，能够适用于临近高压含水层的煤层巷道，防止施工风险。并且进一步提供了图4至图6所示的奥灰井地表施工方法，是一种安全可靠、施工技术要求低的施工方式，防范风险能力强。

此外，本发明矿山水处理及矿井水能源利用方法还具有以下优势：

层间岩溶体系是地热开发利用过程中经过多次验证的稳定的透水通道，通过注浆封堵或帷幕技术可形成天然的地下水力梯度坡体。可以根据水文地质系数和弹性释水系数、层间岩溶厚度和储水系数，预测虚拟水库的量。

倾斜向煤层开采可与奥灰水热进行联采，对岩溶地热水的开采可因降落漏斗的形成而形成超前疏水或堵水，对煤矿开采安全起到促进作用。

煤层上部砂岩水探放水可用于超前疏水并用于水力发电，根据一般水力发电计算经验和顶底部观测压力水头降幅比，水头压降转化电能效率约30％。

通过大量数据证明层间岩溶水体渗透基本符合达西渗流原理。煤层下部奥灰层间岩溶超前疏水并用于水力发电，水头压降转化为电能，转化效率可达到60％以上。

上组煤开采时，由于煤层与奥灰层间岩溶之间夹层较厚，高压封堵应在技术可控的情况下，尽量采用双套管钻进技术，注浆避免渗入层间岩溶区，造成注浆物资浪费。

下组煤开采时，煤层与奥灰层之间夹层较薄，可对层间岩溶区进行注浆封堵，寻找特定断裂延伸适宜位置，将探放水孔施工进岩溶三角区进行汲水。但该项措施由于增加了水渗流距离，且位于构造导水体系范围内，其动能或因粗糙渗流影响损失10％—30％，具体损失量应根据断矩宽度和构造导水性实践确定。

本发明方法可用于上部具备水体的大水矿山水害治理，通过控制输灌量(通过阀门控制)、调节压力水头(通过压力计、阀门共同控制)可解决生产矿山水害问题，水害变动能，超前疏水也对矿井水水质恶化提供了治理方法，是矿井水害资源化利用的一种方式。采用超前疏水提前将水疏干、***掉，就可以避免生产过程中导通富水地层，进而导致矿山水害。

本发明方法可用于新能源电力的调峰填谷，在谷电时期利用电能进行抽水，在峰电时期对水体进行放水，能源由势能—电能—势能之间转化，由于层间岩溶的特性可视为连通器，渗流基本符合达西定律，该能源转化效率高，具备良好开发利用前景。层间岩溶作为华北区广泛存在的一层地质体，由于层间岩溶存在形式是立体的、宽泛的、涉及空间巨大的，在等压水头的自然渗流下，也可认为其单独构成了上下水库条件，其开发利用可破解抽水蓄能区域利用局限性，适用范围更广。

在将本发明方法用于调峰填谷时，即在电价高的时候对水进行放喷发电，电价低的时候利用抽水泵将水抽到地表或回注，原理相通于抽水蓄能电站。

进一步地，本发明方法利用奥陶系层间岩溶水力特性和煤矿地下巷道，成功将抽水蓄能搬到了地下。层间岩溶可利用特性的证明是地热地质从业人员根据碳酸盐岩热储长期相关实验实践验证的结果。同时根据实践经验和统计数据，结合服务矿山生产的理念，本发明创新提出本发明方法的井下抽水蓄能电站建设方式，该方式是一种用于调峰填谷、水害治理、超前疏水煤水热协同利用的地质解释。

由于整套体系利用基本为闭环***，未发生水岩反应，属于同层水体回灌，对环境产生影响较小。微弱的影响(指水质氧化等产生沉淀絮凝等)可采取水质处理方式，属于“良水回灌”。

进一步地，本发明方法通过帷幕注浆技术封堵后，可同样用于上部具备水体的、有裂隙沟通采矿巷道的大水金属矿山，解决大水金属矿山排水经济性问题。具体施工方法为对主要出水点先进行封堵，进行施工导流，把无序排放的水利用起来。

进一步地，本发明方法对于生产矿山结合超前疏放水适用，亦可在矿山开采生命周期结束后，进行抽水蓄能调峰填谷，充分利用地下开拓设施，提高设施建设经济性和生命周期。

进一步地，本发明方法中，具备承压及越流条件的、具备可靠渗流通道的、具有一定可观渗流流量的承压含水层均可视为蓄能水箱。具备势能差和顶部老窑水的以及具备顶部积水和水库的承压含水层也是应用场景的一种。结合帷幕注浆可成为本发明方法的一种利用方式。

进一步地，本发明方法中，水量的计算可参考大井法、狭长巷道法等方法计算大概疏水量，也可根据实际监测疏水量。能量的利用可参考水力发电的能量利用公式。

大井法计算公式为：

水平坑道法计算公式为：

可发电量的能量计算方程为：

进一步地，本发明方法投资较少，利用场景较多。目前峰时电价和谷时电价价格比为八倍，利用风光发电峰值负电、峰谷价差实施抽水蓄能，使得本发明方法具有较高的经济性。

进一步地，本发明奥灰井地表施工方法可利用井下空间建设大规模调峰储能电站(多组回注孔和防喷孔施工加上发电机组，利用井下水压与地表水压差建设调峰储能电站)，投资较少。

本发明方法可用于生产矿山，由于有了超前疏水调峰抽水需求，井下抽水泵量则大幅度增加，大幅度增加的抽水泵量属于工程建设的一部分。由于增加了抽水泵量，增加了井下施工应急能力，相应的减少了可能发生的“水害”造成的生命财产损失，提高了矿山生产过程的安全性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，包括：

在疏水情况下，在煤矿巷道中向下或向上施工能源孔；

对施工的能源孔进行高压注浆封孔，并在能源孔口部安装高压防喷阀门和压力计量器；

在高压防喷阀门后侧装入水力发电涡轮机组，通过水力发电涡轮机组放置方式改变水流方向，将水流压力改为角动量，由角动量转变为电能；

施工地下水仓，通过密闭式导水管道，将放喷的水体导入地下水仓；

在地下水仓附近放置卧泵，通过卧泵将地下水仓的水抽排出进入地表水处理站，对水进行物理除杂质、除垢；

除垢后的水体进入分质用水工程或灌入地表水库；

施工奥灰井，将地表水库中的水体通过抽水泵抽出，除砂后回灌入开采层。

2.根据权利要求1所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，所述高压防喷阀门设置多组；所述高压防喷阀门用于控制何时放水；所述压力计量器用于监测高压防喷阀门处的水压。

3.根据权利要求1所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，所述水力发电涡轮机组放置多个，用于将水流压力转化为电能。

4.根据权利要求1所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，所述地下水仓建设大小根据探放水获取的水量和匹配峰谷时差建设，应至少能承载12小时自然放水的储水量。

5.根据权利要求1所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，所述在煤矿巷道中向下或向上施工能源孔，具体包括：

当开采煤层为下组煤时，寻找存在断裂的位置施工能源孔，断裂探入层间岩溶下方100-300m，断裂导通层间岩溶区；施工顺序为先施工入层间岩溶区，对层间岩溶进行注浆，封堵形成稳定充填体；然后打穿充填体，施工入具备导水性能的构造与层间复合三角区影响带；

当井下不具备施工输水管道条件时，将水体进行水质处理后进行回注，形成良水回灌。

6.根据权利要求5所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，所述构造与层间复合三角区影响带的水头压降符合达西定律和Forchheimer流。

7.根据权利要求1所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，所述施工奥灰井，具体包括：

在煤矿巷道内增加封堵墙，封堵墙建设好后，于地表定位并施工奥灰井，奥灰井穿过开采巷道层位并深入下部地层，施工至层间岩溶上方临界地层；

对已施工完成的奥灰井进行下管，下管后对管材外侧进行高压注浆，并于封堵墙附近形成充填体；

待注浆材料冷却后，由井下巷道向地表施工奥灰井处掘进，打穿封堵墙及充填体，并将横向管材与垂直管材相焊接，焊接处不对垂直管材进行切割；

于水平管材上安装高压防喷阀门和压力计量器，完成本次水平方向作业；

继续由地表对垂直奥灰井施工，向下钻进至奥灰岩溶层间岩溶区或复合三角区，奥灰岩溶层间岩溶区采取裸孔或安装桥式滤水管；

奥灰井施工至相应孔深后，对垂直管材和横向管材连接部位进行射孔或切割，将水平奥灰井与垂向奥灰井之间的通道打通，形成连通器效应；

将奥灰岩溶体作为大体量等效水库，施工的奥灰井相当于水体连通器，在地热井巷道部位安装水平放喷口则具有等效水压，利用副井完成抽灌水循环，形成水流循环。

8.根据权利要求7所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，下入管材为高强度钢管或石油套管。

9.根据权利要求7所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，高压注浆材料采用速凝水泥。

10.根据权利要求1所述的矿山水处理及矿井水能源利用方法，其特征在于，还包括：高电价时对水进行放喷发电，低电价时利用抽水泵将水抽到地表或回注。