本發(fā)明涉及一種保水方法，尤其是一種適用于煤炭開采與環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域中的井下采動(dòng)漏失水資源回灌地表松散層的保水方法。

背景技術(shù)：

煤炭地下開采將引起上覆巖層的破斷、垮落，從而在覆巖中形成垮落帶、導(dǎo)水(氣)裂隙帶和彎曲下沉帶，即采動(dòng)覆巖的“三帶”。對(duì)于采動(dòng)覆巖垮落帶和導(dǎo)水(氣)裂隙帶，由于裂隙在巖層上下界面貫通，處于該范圍內(nèi)的含水層將會(huì)受裂隙破壞和導(dǎo)流作用發(fā)生水資源漏失；而對(duì)于覆巖彎曲下沉帶，巖層裂隙無(wú)法上下貫通，因而也不會(huì)對(duì)其中的地下水形成導(dǎo)流作用，仍能達(dá)到隔水效果。因此，采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙是煤礦地下水資源漏失的地質(zhì)根源。煤層采動(dòng)破壞引起的水資源漏失不僅增加了礦井涌水量、加大了井下排水壓力，而且還破壞了區(qū)域地下水循環(huán)系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)水害威脅。因此，如何在煤炭開采過(guò)程中最大限度的防止地下水資源遭到破壞、有效保護(hù)并合理利用水資源，是我國(guó)煤炭開發(fā)過(guò)程中面臨的重大技術(shù)問(wèn)題，也是保水采煤所需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

目前，已有相關(guān)發(fā)明提出利用煤礦井下采空區(qū)作為儲(chǔ)水和凈化水的空間，依靠采動(dòng)巖體的破斷裂隙作為水源流動(dòng)的通道，將采動(dòng)漏失水資源收集至井下采空區(qū)，進(jìn)行礦區(qū)水資源系統(tǒng)的統(tǒng)籌蓄儲(chǔ)和循環(huán)利用，取得了較大成功(cn1221479c，煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法，2005；cn102862775a，一種礦井地下水的分布式存儲(chǔ)方法，2013)。然而，在一些地層含水層賦存量較大、富水性較強(qiáng)的礦區(qū)，井下采空區(qū)往往沒(méi)有足夠的儲(chǔ)水空間來(lái)蓄存大量的頂板漏失水，導(dǎo)致采空區(qū)儲(chǔ)水水位過(guò)高，反而造成垮壩潰水危險(xiǎn)。為了合理配置采動(dòng)漏失水資源，使其重新回歸到地下含水層中，有必要開展將井下采動(dòng)漏失的水資源重新回灌至地表松散層中的保水方法的專門設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種井下采動(dòng)漏失水資源回灌地表松散層的保水方法，結(jié)合礦井各開采區(qū)域具體的煤層開采和水文地質(zhì)條件，統(tǒng)籌考慮煤層埋深、采高、基巖厚度、覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、開采沉陷盆地等因素，據(jù)此確立可用于地面回灌井下采動(dòng)漏失水資源的區(qū)域，形成井下采動(dòng)漏失水資源回灌地表松散層的保水方法，以指導(dǎo)解決煤炭開發(fā)過(guò)程中的保水采煤?jiǎn)栴}，實(shí)現(xiàn)煤炭開采與水資源保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種井下采動(dòng)漏失水資源回灌地表松散層的保水方法，根據(jù)具體開采條件下采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育特征，通過(guò)收集各采煤區(qū)域的地面鉆孔柱狀資料，采用關(guān)鍵層位置判別方法確定覆巖中各關(guān)鍵層層位，之后結(jié)合覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì)方法，確定各區(qū)域不同覆巖關(guān)鍵層賦存條件下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，最后，通過(guò)對(duì)比導(dǎo)水裂隙帶高度與基巖厚度的大小關(guān)系，確定可用于地面回灌井下采動(dòng)漏失水資源的采煤區(qū)域及回灌鉆孔的施工參數(shù)。若導(dǎo)水裂隙帶高度大于等于基巖厚度，則該區(qū)域不能將井下漏失水資源回灌至地表松散層。若導(dǎo)水裂隙帶高度小于基巖厚度，則該區(qū)域施工地表回灌鉆孔。所述回灌鉆孔布置在對(duì)應(yīng)采煤區(qū)域下沉盆地的邊界附近，并利用輸水管路將其與礦井水處理廠的出水管路連接，從而將水處理廠處理后的井下漏失水資源回灌至地表松散層。

具體包括以下步驟：

a.收集礦井在各采煤區(qū)域曾施工的地質(zhì)探查鉆孔柱狀，獲得不同開采區(qū)域頂板巖層賦存、各巖層的物理力學(xué)特性參數(shù)。采用關(guān)鍵層位置判別方法對(duì)各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置進(jìn)行判別，從而確定各區(qū)域覆巖關(guān)鍵層位置。

b.采用“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì)方法”，通過(guò)覆巖關(guān)鍵層位置與煤層采高的關(guān)系對(duì)采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行判斷，從而獲得各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度和基巖厚度的大小關(guān)系。若某采煤區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度小于基巖厚度，則導(dǎo)水裂隙帶未溝通基巖頂界面，可在對(duì)應(yīng)采區(qū)施工地表回灌鉆孔。而若某采煤區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶溝通了基巖頂界面，則不能實(shí)施地表回灌鉆孔，以免回灌的水資源又通過(guò)導(dǎo)水裂隙通道重新漏至井下。

c.在可用于地表回灌井下采動(dòng)漏失水資源的采煤區(qū)域?qū)?yīng)開采盆地邊界附近施工地表回灌鉆孔，便于回灌水自流至開采盆地內(nèi)，并利用輸水管路將其與礦井水處理廠的出水管路連接，從而將水處理廠處理后的井下漏失水資源回灌至地表松散層。

進(jìn)一步地：還包括在地表回灌鉆孔布置的采煤區(qū)域?qū)?yīng)開采盆地中央布設(shè)松散層水位觀測(cè)孔，以觀測(cè)松散層內(nèi)水位變化情況，當(dāng)松散層水位超過(guò)地表植被根系所需的合理取水水位時(shí)，停止回灌。

優(yōu)選的：所述步驟a中利用關(guān)鍵層判別軟件kspb對(duì)各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置進(jìn)行判別。

優(yōu)選的：所述地表回灌鉆孔的施工方法為：鉆孔施工時(shí)以120-140mm的直徑開孔，需鉆進(jìn)至基巖界面以下5～10m結(jié)束，在鉆孔中下套管進(jìn)行表土封閉止沙，所述套管包括花管，花管外包裹一層濾水擋沙的濾膜膜，鉆孔施工后，在孔口上覆蓋封閉蓋板，所述封閉蓋板上連接有輸水管路。

優(yōu)選的：鉆孔施工時(shí)以130mm的直徑開孔。

優(yōu)選的：所述水處理廠處理后的井下采動(dòng)漏失水資源，其水質(zhì)應(yīng)達(dá)到地表松散層原始水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

本發(fā)明基于煤層地質(zhì)賦存條件與開采參數(shù)，考慮了覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育對(duì)可用于回灌井下采動(dòng)漏失水資源的采煤區(qū)域的影響，本發(fā)明將井下采煤引起的漏失水資源通過(guò)水處理廠處理達(dá)標(biāo)后重新回灌至地表松散層，不僅能有效保護(hù)礦井地下水資源，還能大大提高地表松散層的水位標(biāo)高，改善地表植被的生存環(huán)境，這對(duì)于礦區(qū)煤炭開采與水資源保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展、尤其是生態(tài)脆弱礦區(qū)地表植被修復(fù)與保護(hù)都具有重要意義，其使用方法科學(xué)可靠，實(shí)用性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明井下采動(dòng)漏失水資源回灌地表松散層的實(shí)施示意圖。

圖2是本發(fā)明井下采動(dòng)漏失水資源回灌地表松散層的回灌鉆孔布置剖面圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中某煤礦北翼采區(qū)地層賦存柱狀及關(guān)鍵層位置判別結(jié)果示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中某煤礦南翼采區(qū)地層賦存柱狀及關(guān)鍵層位置判別結(jié)果示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中某煤礦采區(qū)布置及回灌鉆孔布置平面示意圖；

其中，1為水處理廠，2為輸水管路，3為導(dǎo)水裂隙帶輪廓線，4為井筒，5為回灌鉆孔，6為松散層水位觀測(cè)孔，7為松散層，8為含水層，9為封閉蓋板，10為濾膜，11為花管，12為基巖頂界面，13為下沉盆地邊界。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明的一種井下采動(dòng)漏失水資源回灌地表松散層的保水方法，根據(jù)具體開采條件下采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育特征，通過(guò)收集各采煤區(qū)域的地面鉆孔柱狀資料，采用關(guān)鍵層位置判別方法確定覆巖中各關(guān)鍵層層位，之后結(jié)合覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì)方法，確定各區(qū)域不同覆巖關(guān)鍵層賦存條件下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，最后，通過(guò)對(duì)比導(dǎo)水裂隙帶高度與基巖厚度的大小關(guān)系，確定可用于地面回灌井下采動(dòng)漏失水資源的采煤區(qū)域及回灌鉆孔的施工參數(shù)；若導(dǎo)水裂隙帶高度大于等于基巖厚度，則該區(qū)域不能將井下漏失水資源回灌至地表松散層；若導(dǎo)水裂隙帶高度小于基巖厚度，則該區(qū)域可以施工地表回灌鉆孔；所述回灌鉆孔布置在對(duì)應(yīng)采煤區(qū)域下沉盆地邊界13附近，并利用輸水管路將其與礦井水處理廠的出水管路連接，從而將水處理廠處理后的井下漏失水資源回灌至地表松散層，回灌的水體其水質(zhì)應(yīng)達(dá)到地表松散層原始水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；回灌過(guò)程中應(yīng)在下沉盆地中央布置松散層水位觀測(cè)孔，當(dāng)其水位超過(guò)地表植被根系的合理取水水位時(shí)，停止回灌。具體包括以下步驟：

a.收集礦井在各采煤區(qū)域曾施工的地質(zhì)探查鉆孔柱狀，獲得不同開采區(qū)域頂板巖層賦存、各巖層的物理力學(xué)特性參數(shù)。利用關(guān)鍵層判別軟件kspb對(duì)各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置進(jìn)行判別，從而確定各區(qū)域覆巖關(guān)鍵層位置。

b.采用“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì)方法”，通過(guò)覆巖關(guān)鍵層位置與煤層采高的關(guān)系對(duì)采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行判斷，從而獲得各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度和基巖厚度的大小關(guān)系。若某采煤區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度小于基巖厚度，則導(dǎo)水裂隙帶未溝通基巖頂界面，可在對(duì)應(yīng)采區(qū)施工地表回灌鉆孔5。而若某采煤區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶溝通了基巖頂界面12，則不能實(shí)施地表回灌鉆孔5，以免回灌的水資源又通過(guò)導(dǎo)水裂隙通道重新漏至井下。

c.在可用于地表回灌井下采動(dòng)漏失水資源的采煤區(qū)域?qū)?yīng)開采盆地邊界附近施工回灌鉆孔5，并利用輸水管路2將其與礦井水處理廠1的出水管路連接，從而將水處理廠1處理后的井下漏失水資源回灌至地表松散層。

所述水處理廠1處理后的井下采動(dòng)漏失水資源，其水質(zhì)應(yīng)達(dá)到地表松散層原始水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。所述地表回灌鉆孔5的施工方法為：如圖2所示，鉆孔施工時(shí)以130mm的直徑開孔，需鉆進(jìn)至基巖界面以下5～10m結(jié)束，在鉆孔中下套管進(jìn)行表土封閉止沙，所述套管包括花管11，花管11外包裹一層濾水擋沙的濾膜10，鉆孔施工后，在孔口上覆蓋封閉蓋板9，所述封閉蓋板9上連接有輸水管路2。

d.在地表回灌鉆孔5布置的采煤區(qū)域?qū)?yīng)開采盆地中央布設(shè)松散層水位觀測(cè)孔6，以觀測(cè)松散層7內(nèi)水位變化情況，當(dāng)松散層7水位超過(guò)地表植被根系所需的合理取水水位時(shí)，停止回灌。

如圖3、圖4所示，圖中為某煤礦北翼和南翼采區(qū)地層賦存柱狀及其關(guān)鍵層位置判別結(jié)果，從柱狀的關(guān)鍵層位置判別結(jié)果可以看出，該礦井在東翼和西翼兩區(qū)域的巖層賦存存在明顯不同的特征。由此，可對(duì)兩區(qū)域的覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行判斷。對(duì)于北翼采區(qū)，根據(jù)煤層6.0m的采高可知，覆巖主關(guān)鍵層正好處于7～10采高之外，因此，該區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育主關(guān)鍵層底界面，不會(huì)溝通基巖頂界面12，該區(qū)域可以將井下采動(dòng)漏失水資源回灌至地表松散層7。對(duì)于南翼采區(qū)，按照同樣的方法，覆巖主關(guān)鍵層位于7～10倍采高以內(nèi)，覆巖導(dǎo)水裂隙帶3溝通到了基巖頂界面12，所以南翼采區(qū)不能實(shí)施井下采動(dòng)漏失水資源的回灌措施。

在北翼采區(qū)施工回灌鉆孔5時(shí)，其布置位置應(yīng)設(shè)置在開采盆地邊界處，便于回灌水自流至開采盆地，回灌鉆孔5深度根據(jù)松散層115.45m的厚度設(shè)置為120.45-125.45m，以鉆進(jìn)至基巖頂界面12以下5-10m。同時(shí)在北翼采區(qū)的開采盆地中央設(shè)置了松散層水位觀測(cè)孔6，實(shí)時(shí)觀測(cè)回灌過(guò)程中的松散層水位變化。考慮到該礦區(qū)地表植被根系取水的合理水位埋深為1.0-1.5m，因此，當(dāng)松散層水位觀測(cè)孔內(nèi)的水位埋深達(dá)到該值時(shí)，停止回灌。

本發(fā)明基于煤層地質(zhì)賦存條件與開采參數(shù)，考慮了覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育對(duì)可用于回灌井下采動(dòng)漏失水資源的采煤區(qū)域的影響，本發(fā)明將井下采煤引起的漏失水資源通過(guò)水處理廠處理達(dá)標(biāo)后重新回灌至地表松散層，不僅能有效保護(hù)礦井地下水資源，還能大大提高地表松散層的水位標(biāo)高，改善地表植被的生存環(huán)境，這對(duì)于礦區(qū)煤炭開采與水資源保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展、尤其是生態(tài)脆弱礦區(qū)地表植被修復(fù)與保護(hù)都具有重要意義，其使用方法科學(xué)可靠，實(shí)用性強(qiáng)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。