CN102865103B - 一种矿井地下水的分布式利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井地下水的分布式利用方法，包括：A、对采区地下空间进行勘查，获得地层的基础地质数据；B、对矿井地下水进行观测，获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据；C、根据获得的地层基础地质数据，和地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据，将采煤后一个或多个地下水无法穿透的采空区空间确定为分布式地下水库的储水空间；D、当确定的储水空间形成后，其相邻工作面采煤时产生的地下水，自然渗流到所述储水空间；E、每个储水空间有连通到地表的抽水孔，当需要用水时，将地下水抽出到地表进行利用；当需要增加存水时，将外部水回灌到储水空间。本发明能够减少地下水的流失及对生态环境的生长及恢复的影响。
Description
技术领域
本发明涉及地下水资源的利用领域，特别涉及一种矿井地下水的分布式利用方法。
背景技术
中国是缺水国家，水资源短缺现象对国民经济发展和人民生活的改善构成了严重威胁。在煤炭开采过程中不可避免的会产生矿井地下水，仅国有重点煤矿每年排放的矿井地下水就高达22亿吨，平均每开采一吨煤就需要排放2吨废水。这样，不仅浪费了大量宝贵的水资源，而且矿井地下水一旦外排，对周边环境极易构成严重的环境污染。
在中国西部地区赋存着丰富的煤炭资源，但水资源匮乏，矿区用水及周边区域用水紧张的情况进一步恶化，已经严重制约了矿区的正常生产，也不利于资源与环境的协调发展。
目前，对矿井地下水的处理仍以抽排到地表为主。由于水资源利用的季节性等因素，造成水资源的极大浪费，加剧了当地水资源供给的失衡。同时，对矿井地下水悬浮物及水质的处理方法大多仍是在矿井水由井下排放在地表进行处理，也容易造成二次污染。
对于地下水资源的保护国内已有一些尝试，比如峰峰集团梧桐庄矿出于对深部水害的防治及地下水的保护，对矿井水进行井下收集、处理并回灌至奥灰含水层。另外，“矿井水处理工艺及矿井水一体化处理装置”(CN1884145)、“利用矿井地下巷道空间处理矿井水技术”(CN101012091)、“煤矿矿井水井下净化处理装置及方法”(CN102336484A)、“矿井水综合处理利用技术”(CN101975087A)、“煤矿井下采空区水的净化方法”(CN1482078)等专利文献中，分别提出了通过采空区过滤净化水、巷道空间利用净水设备处理矿井水、以及对矿井水的收集与利用，以此实现对矿井水的处理及保护。
上述方法中，矿井水的利用主要是先通过井下水泵及管道将矿井水收集到水仓，再排水管将水输送到地表进行利用。其中有两种方式，一是在井下进行收集后处理，然后直接在井下复用到生产中；二是将水收集后输送到地表进行处理及利用。不管是收集后井下处理还是地表处理，这两种方法都是将矿井水从地层空间中抽走，实际造成了地下水的流失，导致水位不断下降，影响生态环境的生长及恢复。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种矿井地下水的分布式利用方法，减少地下水的流失及对生态环境的生长及恢复的影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种矿井地下水的分布式利用方法，包括如下步骤
A、对采区地下空间进行勘查，获得地层的基础地质数据；
B、对矿井地下水进行观测，获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据；
C、根据步骤A获得的地层基础地质数据，和步骤B获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据，将采煤后一个或多个地下水无法穿透的采空区空间确定为分布式地下水库的储水空间；
D、在采煤过程中，当确定的储水空间形成后，其相邻工作面采煤时产生的地下水，自然渗流到所述储水空间；
E、所述每个储水空间设置有连通到地表的抽水孔，当需要用水时，通过抽水孔将地下水抽出到地表进行利用；当需要增加存水时，通过抽水孔将外部水回灌到储水空间。
较佳地，所述步骤A包括采煤前的勘察和采空区形成后的勘察，分别获得地层开采前和采空区的基础地质数据；所述步骤C中，根据获得的地层开采前和采空区的基础地质数据，和步骤B获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据，确定储水空间。
较佳地，所述基础地质数据至少包括：地层结构，各地层岩性，岩石力学强度，岩石渗透性能，采空区的空间范围。
较佳地，步骤B所述获得地下水的流场分布情况为确定地下水的流动方向。
较佳地，该方法还包括：进行首采时，在保障安全的前提下，在采区工作面中最低标高的工作面进行首采。
较佳地，在采煤过程中向作为储水空间的采空区的底部回填煤矸石，形成煤矸石净化过滤层；该煤矸石净化过滤层的填充量和填充粒度，根据自来水厂沙滤池的填充量和填充粒度确定。
较佳地，该方法还包括：在储水空间未形成前对应的工作面，预设区域保留预设厚度的煤矸石；采煤后，形成位于储水空间底部的煤矸石净化过滤层；所述储水空间的抽水孔，从煤矸石净化过滤层底部连通到地表。
较佳地，在采煤过程中选择煤矸石强度最弱的区域作为预设区域，并按照自来水厂沙滤池的填充量确定所需要保留的煤矸石煤层厚度；采煤后，煤矸石自然塌落，形成粗细不一的煤矸石颗粒层，该煤矸石颗粒层作为煤矸石净化过滤层。
较佳地，该方法在采煤后自然形成煤矸石净化过滤层的方式中，还在采煤过程中回填破碎块度为200mm-400mm的煤矸石颗粒至工作面预设区域，以形成过滤性能更好的煤矸石净化过滤层。
较佳地，所述抽水孔位于地表的一端连接有控制阀门，通过控制该控制阀门，将地下水抽出到地表或将外部水回灌到储水空间。
较佳地，该方法进一步包括，以混凝土防水密闭加固各作为储水空间的采空区与大巷交叉的平巷出口。
较佳地，该方法还包括：在作为储水空间的采空区的平巷口加设采空区水位观测透明胶管以及泄水管路；当采空区水位超过警戒水位时，打开泄水阀进行疏放。
附图说明
图1为本发明矿井地下水的分布式利用方法的过程图；
图2为本发明一个较佳实施例中的分布式水库的空间示意图；
图3为图3所示实施例中的储水空间与净化过滤层、抽水孔、控制阀门的位置和连接关系示意图。
具体实施方式
以下参照附图，并举具体实施例对本发明进行详细说明。
一种矿井地下水的分布式利用方法，通过将矿井地下水存储到能够防止透水的采空区，当需要用水时，通过抽水孔将地下水抽出到地表进行利用；当需要增加存水时，通过抽水孔将外部水回灌到储水空间的方式，减少了地下水的流失及对生态环境的生长及恢复的影响。
如图1所示，本发明的这种矿井地下水的分布式利用方法，包括如下步骤：
步骤101，对采区地下空间进行勘查，获得地层的基础地质数据。
实际应用中，对采区地下空间的勘察包括采煤前的勘察和采空区形成后的勘察，分别获得地层开采前和采空区的基础地质数据。这些基础地质数据包括：地层结构，各地层岩性，岩石力学强度，岩石渗透性能，采空区的空间范围等等。
步骤102，对矿井地下水进行观测，获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据。
这里所述的获得地下水的流场分布情况为确定地下水的流动方向。
步骤103，根据步骤101获得的地层基础地质数据，和步骤102获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据，将采煤后一个或多个地下水无法穿透的采空区空间确定为分布式地下水库的储水空间。
实际应用中，可以根据获得的地层开采前和采空区的基础地质数据，和步骤102获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据，确定储水空间。
步骤104，在采煤过程中，当确定为储水空间形成后，其相邻工作面采煤时产生的地下水，自然渗流到所述储水空间。
步骤105、所述每个储水空间设置有连通到地表的抽水孔，当需要用水时，通过抽水孔将地下水抽出到地表进行利用；当需要增加存水时，通过抽水孔将外部水回灌到储水空间。
另外，本发明在初始储水空间的选择上，改变以往基于防治水理念选择煤层较高标高进行首采的思路，在采区工作面最低标高的工作面进行首采，以利于地下水通过自然渗流汇入分布式水库的各个储水空间。
同时，由于分布式水库的各个储水空间有限，大量积水的存在必然导致水压的上升，为了防止突水事故的发生，本发明还可以采取一些密封加固工程措施。
实际生产中，在储水空间未形成前对应的工作面，预设区域保留预设厚度的煤矸石；采煤后，煤矸石层塌落，自然形成位于储水空间底部的煤矸石净化过滤层。这样，所述储水空间设置的连通到地表的抽水孔，就从煤矸石净化过滤层底部连通到地表。
下面以神东矿区利用分布式水库存储地下水的应用情况为实施例对本发明作进一步描述：
首先，为了选取可能适宜的地下储水空间，对采区地下空间了进行勘查。本实施例中从采区地下空间的综合勘查成果图中获取地层、岩性、构造分布等数据和信息，从地下水分布动态观测数据库导入水位数据及其相关数据和信息。充分搜集采区的现有钻孔数据、水文地质图以及相关水文地质资料，通过数字化仪、扫描仪等将原始数据数字化，采用数据库工具管理、维护和处理最终获得了地层的地层结构、各地层岩性、岩石力学强度、岩石渗透性能、采空区的空间范围等等基础地质数据。
具体的勘查方法与现有技术相同，这里不再赘述。
然后，对矿井地下水进行观测，获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据。本实施例中，为了探索地下水的分布特征、流动规律等，对采区地下水的水位、水质、水压等进行定期动态观测。
地下水分布动态观测与采集的手段分为人工和自动两种方式，结合实际水文地质条件，一般设定每周记录1次数据，通过数字设备导入数据库中。通过数据库实现将不同时期、不同格式的多源数据汇集，作为原始水文地质依据。
地下水观测的目的是主要有三个：一是通过水位数据获得地下水的流场分布情况，即地下水的流动方向，基于此可以为选择地下水库提供依据，因为水库的选择需要使地下水流入其中；二是获得水质数据，了解地下水库中地下水的污染情况，为将来的处理与利用做依据；三是获得水压数据，为密封保护提供依据，使地下水库的结构强度能否满足水压要求，不至于发生泄漏。
然后，再根据前面获得的地层基础地质数据和地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据，将采煤后一个或多个地下水无法穿透的采空区空间确定为分布式地下水库的储水空间。
分布式水库中储水空间的选择受控于地下空间的介质条件与地下水分布，因此根据前面获得的数据，将分布式水库中储水空间划分为储水能力好(I)、储水能力一般(II)、储水能力差(III)三类。
保水性好(I)：岩体力学强度高，抗水压能力强，隔水性能好，储水能力好；
保水性一般(II)：岩体力学强度中等，抗水压能力中等，隔水性能中等，储水能力一般；
保水性差(III)：岩体力学强度差，抗水压能力差，隔水性差，储水能力差。
在水文地质学中一般将钻孔单位涌水量小于0.001L/s.m的岩层视为隔水层。隔水层的抗水压能力和隔水层的岩性密切相关。对于煤系沉积岩石，隔水层岩性主要有泥岩、粉砂岩和砂岩。
根据有效保护层的断裂构造发育程度和工程规模将有效保护层划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构和松散结构四类。可以认为完整结构为保水性好，块裂结构为保水性一般，碎裂结构和松散结构为保水性差。
对于上述储水能力好(I)的储水空间，在实际生产中，可以考虑不另外增加或少增加密封措施；对于储水能力一般(II)和储水能力差(III)的储水空间，要根据实际情况多增加密封措施。
在初始储水空间的选择上，改变以往基于防治水理念选择煤层较高标高进行首采的思路，在采区工作面中最低标高的工作面进行首采，例如：某采区有多个工作面，标高从200米-210米，则从标高为200米的工作面进行首采以利于地下水通过自然渗流汇入分布式水库。分布式水库的空间布局如图2所示，图2中示出了四个采区中，三采区分布式水库的空间位置。其中，一采区和二采区相邻，三采区和四采区相邻，一/二采区和三/四采区之间设置有巷道。三采区中分布式水库示出了2个储水空间和一个工作面，各个储水空间和工作之间分布设有煤柱相隔。在2个储水空间靠近巷道的位置设置有泄水阀。
然后，基于分布式水库的确定，通过调整开采参数，主要是工作面大小来控制分布式水库的形成，以利于储水。
本实施例中，通过适当加大工作面长度，以增大分布式水库的储水空间，同时可以减少工作面的准备工程量，提高回采率。结合神东矿区已经形成的先进的生产管理经验，并充分考虑本采区井下开采技术条件、煤层赋存稳定的实际情况，确定52304首采工作面长度为300米。在其他矿区实施时，可根据实际情况进行调整，例如可以将首采工作面长度设置在290-310米之间。
同时，还可以通过适当加大工作面推进长度，进一步增大分布式水库的储水空间。鉴于矿井5-2煤层赋存十分稳定，倾角小，具有布置长距离推进的长壁工作面的资源条件，因此设计在综合考虑到井田构造、煤层条件等因素的情况下，尽可能的加长工作面推进长度，确定52304首采工作面推进长度4450m。在其他矿区实施时，可根据实际情况进行调整，例如可以将首采工作面推进长度设置在4400-4500米之间。
由于分布式水库空间有限，大量积水的存在必然导致水压的上升。本实施例中，为了防止突水事故的发生，需要采取了一些密封保护工程措施，以利于地下水直接流入储水空间进行过滤及存储，减少地下水涌入矿井。
具体的措施有：
1、以混凝土防水密闭加固各作为储水空间的采空区与大巷交叉的平巷出口。
2、可以在所有作为储水空间的采空区，或仅在地势较低的采空区的平巷口加设采空区水位观测透明胶管以及泄水管路；当采空区水位超过警戒水位时，可以打开泄水阀将多余的水通过管路疏放至地下水仓，进一步通过地下水仓连接的管路，将多余的水抽取到地表上。
本实施例中，为了提高地下水的质量。在从分布式水库中的储水空间抽采地下水进行利用前，可以先对存储的水进行净化。净化的方法可以采用现有技术实现，也可以采用如下方式实现：在抽水孔底部布置合理砾度的煤矸石作为地下水的净化过滤层。
具体地，煤矸石净化过滤层可以由两种方式形成：
第一种是在采煤过程中通过回填煤矸石的方式形成，采用回填方式时，本领域技术人员可以根据自来水厂沙滤池的填充量和填充粒度进行填充煤矸石以形成煤矸石净化过滤层。
第二种是自然形成煤矸石净化过滤层，在采煤过程中选择煤矸石强度最弱的区域作为预设区域，可以按照自来水厂沙滤池的填充量确定所需要保留的煤矸石煤层厚度。
在开采结束后，煤矸石采后自然塌落，由于本身强度较为脆弱，其会形成粗细不一的颗粒层，即煤矸石净化过滤层。
对于这种方式，还可以在采煤过程中回填颗粒较小煤矸石，例如：破碎块度200mm-400mm的煤矸石颗粒，至工作面预设区域，以形成过滤性能更好的煤矸石净化过滤层。
如图3所示，本实施例中，在分布式水库的某个储水空间的底部中间位置，由于采煤后煤矸石塌落形成了部分煤矸石净化过滤层。图3中，抽水孔从储水空间中煤矸石净化过滤层的底部一直连通到地表，且该抽水孔位于地表的一端连接有控制阀门。本实施例中通过控制该控制阀门，将地下水抽出到地表或将外部水回灌到储水空间。
由上述的实施例可见，本发明的这种矿井地下水的分布式利用方法，改变了以往矿井地下水先抽采再处理利用的传统思维，通过采区地下空间实现矿井地下水的分布式存储，并对地下水进行净化、利用与回灌，将地下水尽可能的保存在地层空间进行科学利用，减少地下水的流失，同时也有利于地区生态环境的保护与修复。
Claims (12)
1.一种矿井地下水的分布式利用方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、对采区地下空间进行勘查，获得地层的基础地质数据；
B、对矿井地下水进行观测，获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据；
C、根据步骤A获得的地层基础地质数据，和步骤B获得的地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据，将采煤后一个或多个地下水无法穿透的采空区空间确定为分布式地下水库的储水空间；
D、在采煤过程中，当确定的储水空间形成后，其相邻工作面采煤时产生的地下水，自然渗流到所述储水空间；
E、所述每个储水空间设置有连通到地表的抽水孔，当需要用水时，通过抽水孔将地下水抽出到地表进行利用；当需要增加存水时，通过抽水孔将外部水回灌到储水空间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A包括采煤前的勘察和采空区形成后的勘察，分别获得地层开采前和采空区的基础地质数据；
所述步骤C中，根据获得的地层开采前和采空区的基础地质数据，和步骤B获得地下水的流场分布情况、水质数据以及水压数据，确定储水空间。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述基础地质数据至少包括：地层结构，各地层岩性，岩石力学强度，岩石渗透性能，采空区的空间范围。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤B所述获得地下水的流场分布情况为确定地下水的流动方向。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：进行首采时，在保障安全的前提下，在采区工作面中最低标高的工作面进行首采。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在采煤过程中向作为储水空间的采空区的底部回填煤矸石，形成煤矸石净化过滤层；
该煤矸石净化过滤层的填充量和填充粒度，根据自来水厂沙滤池的填充量和填充粒度确定。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在储水空间未形成前对应的工作面，预设区域保留预设厚度的煤矸石；采煤后，形成位于储水空间底部的煤矸石净化过滤层；
所述储水空间的抽水孔，从煤矸石净化过滤层底部连通到地表。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：在采煤过程中选择煤矸石强度最弱的区域作为预设区域，并按照自来水厂沙滤池的填充量确定所需要保留的煤矸石煤层厚度；
采煤后，煤矸石自然塌落，形成粗细不一的煤矸石颗粒层，该煤矸石颗粒层作为煤矸石净化过滤层。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该方法还在采煤过程中回填破碎块度为200mm-400mm的煤矸石颗粒至工作面预设区域，以形成过滤性能更好的煤矸石净化过滤层。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述抽水孔位于地表的一端连接有控制阀门，通过控制该控制阀门，将地下水抽出到地表或将外部水回灌到储水空间。
11.如权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于：该方法进一步包括，以混凝土防水密闭加固各作为储水空间的采空区与大巷交叉的平巷出口。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在作为储水空间的采空区的平巷口加设采空区水位观测透明胶管以及泄水管路；当采空区水位超过警戒水位时，打开泄水阀进行疏放。
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