專利名稱：地下空間特別是礦區(qū)的排水方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下空間、特別是礦區(qū)的人工排水方法，此方法在于通過地下水泵站和采用至少一個(gè)充水孔將儲(chǔ)水區(qū)的水排出或?qū)B透水匯集并注入充水區(qū)，充水區(qū)與地下空間之間隔有不透水的夾層。
礦區(qū)排水最常用的方法是將從礦區(qū)排出的水或滲透水匯集起來，并用水泵將其提升到地面上。在地層內(nèi)的水由于開采排水或自然排水失去平衡而必須進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，通常經(jīng)過注水井將從礦區(qū)提升上來的水(或部分這樣的水)重新抽回地下儲(chǔ)水區(qū)。
將水不斷地從礦區(qū)排出并將從地下儲(chǔ)水區(qū)抽出的水再送回去，這種雙重的技術(shù)目的用現(xiàn)有的方法就能完全實(shí)現(xiàn)，但這種方法過于復(fù)雜和昂貴。此外，在將水從地面上重新注入地下時(shí)還有會(huì)加大污染環(huán)境的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的目的在于消除上述缺點(diǎn)，也就是要提供一種與現(xiàn)有方法相比，費(fèi)用較低，受外界污染危險(xiǎn)較小的方法，用以將水自礦區(qū)和其他地下空間排出而又將其送回到地下水系統(tǒng)中去。
本發(fā)明的基本精神在于認(rèn)識(shí)到若能滿足以下兩個(gè)條件，就可使為了保護(hù)地下空間而從地下儲(chǔ)水區(qū)排出的水或使?jié)B透水返回到地下充水區(qū)。第一個(gè)條件是在地下水系統(tǒng)內(nèi)的排水區(qū)和充水區(qū)之間應(yīng)具有足夠高的阻水能力;第二個(gè)條件是在礦區(qū)和地下水系統(tǒng)內(nèi)的充水區(qū)之間應(yīng)具有不透水夾層，其中，使夾層自身發(fā)生自發(fā)液力破裂的水壓應(yīng)大于所用充水壓力。
如不能滿足第一個(gè)條件，在充水時(shí)，排水量或滲水量都會(huì)急劇增大。
如不能滿足第二個(gè)條件，受壓返回地下水系統(tǒng)內(nèi)的水就會(huì)在不透水夾層中引起液力破裂，而在充水時(shí)，地下儲(chǔ)水系統(tǒng)內(nèi)的水就會(huì)涌進(jìn)礦區(qū)。
因此，本發(fā)明從地下空間特別是從礦區(qū)排水的方法，在于通過地下水泵站和采用至少一個(gè)充水孔對(duì)儲(chǔ)水區(qū)進(jìn)行人工排水或匯集滲透水，并將水注入與地下空間隔有不透水夾層的充水區(qū)，這種方法是將水從地下空間直接注入充水區(qū)而不必將其提升到地面上。
本方法的另一特點(diǎn)是注入充水區(qū)的水壓小于儲(chǔ)水區(qū)和充水區(qū)之間的阻水能力，同時(shí)小于地下空間和充水區(qū)之間不透水夾層的最小巖石強(qiáng)度。
本方法還可對(duì)不透水夾層進(jìn)行爆破和測(cè)定爆破壓力，并采用較爆破壓力至少小5%，最好小10～15%的壓力將水注入充水區(qū)。
在某種情況下，本方法還可采用已知的產(chǎn)量增加法(如酸處理)和(或)對(duì)充水孔進(jìn)行爆破以減低充水壓力。
另一種可行的有效方法是通過至少一個(gè)充填孔，將填料或含水泥的充填料充填到儲(chǔ)水區(qū)和充水區(qū)之間。
在另有可能的情況下，本方法還能在滲透水注入充水區(qū)之前將其凈化。
在本方法的實(shí)施中，最好將至少是部分的滲透水或部分從儲(chǔ)水區(qū)排出的水，借助于過濾井，用一種保障開采作業(yè)的已知方法，匯集在一個(gè)封閉的或至少能防止污染的重力集流管道內(nèi)，再將其導(dǎo)向安裝在礦區(qū)內(nèi)的充水水泵站。
借助于充水水泵站，必要時(shí)在經(jīng)過處理后，將水經(jīng)由充水孔注入儲(chǔ)水區(qū)的某一區(qū)段內(nèi)，在此區(qū)段與地下儲(chǔ)水系統(tǒng)的排水區(qū)之間隔有一高阻水能力的區(qū)域，而在此區(qū)段與礦區(qū)之間隔有一不透水夾層，此不透水夾層具有大于充水壓力的抗液力破裂強(qiáng)度。
在地下儲(chǔ)水區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造上的原因或由于存在著不透水夾層而受到隔斷時(shí)，可對(duì)儲(chǔ)水區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，便能在排水區(qū)和充水區(qū)之間取得足夠大的阻水能力，而在其他情況下，作為補(bǔ)充措施則至少應(yīng)部分地對(duì)水的通路進(jìn)行充填，以增加排水區(qū)和充水區(qū)之間的阻水能力。
對(duì)于防止在礦區(qū)或其他地下空間與設(shè)在儲(chǔ)水區(qū)內(nèi)的充水區(qū)之間產(chǎn)生液力破裂的可靠性應(yīng)進(jìn)行兩種檢測(cè)，即對(duì)不透水夾層進(jìn)行試驗(yàn)性爆破并作壓力檢測(cè)和對(duì)儲(chǔ)水區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)性充水并作壓力檢測(cè)。
根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)于最不利的最小抗裂強(qiáng)度應(yīng)通過以下方法使之適當(dāng)增大選定充水區(qū)和礦區(qū)之間的距離，使其至多達(dá)到符合原始應(yīng)力條件下的限度;以及(或者)通過下述方式來降低所需充水壓力，即要末增加充水孔的數(shù)量，要末采用已知的產(chǎn)量增加法(如酸處理)或?qū)Τ渌走M(jìn)行爆破。
也有可能取得可供充水的極為有利的儲(chǔ)水區(qū)，其中的水壓使充水可通過吸水作用而不必通過泵送來完成。
本發(fā)明可結(jié)合以下實(shí)例進(jìn)行說明。


圖1示明了本發(fā)明之方法的一個(gè)實(shí)例，其中的水文地質(zhì)環(huán)境為排水地層和充水地層之間具有較遠(yuǎn)的水路連接;
圖2所示應(yīng)用例的情況為排水區(qū)和充水區(qū)取自同一儲(chǔ)水區(qū)，但由于地質(zhì)錯(cuò)層，排水區(qū)和充水區(qū)之間無直接的水路連接;
圖3所示實(shí)例涉及這樣的情況排水區(qū)和充水區(qū)之間的水路連接通過對(duì)水路進(jìn)行部分充填而有所減弱;
圖4所示情況為由于能力不足，或?yàn)榱送瑫r(shí)降低運(yùn)水費(fèi)用和減輕從地下儲(chǔ)水區(qū)排水在經(jīng)濟(jì)上的不利因素，而謀求從已開采的礦區(qū)中減少提升水量。與上述各例相比的另一差別在于，礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的水是滲透水且不用排水孔，但也可同時(shí)使用排水孔。
如圖1所示，地下空間1位于礦層22中，在地下空間1的上面為儲(chǔ)水區(qū)2，儲(chǔ)水區(qū)2危及地下空間1。儲(chǔ)水區(qū)2穿過不整合的地層，在遠(yuǎn)離礦層22的地方與地下空間1下面的充水區(qū)3存在著水路連接，充水區(qū)3與地下空間1之間隔有不透水夾層4。通過起始于地下空間1的排水孔8對(duì)儲(chǔ)水區(qū)2進(jìn)行排水以保護(hù)地下空間1。在排水過程中，儲(chǔ)水區(qū)2的起始水位24即變?yōu)橄陆邓?1。在充水之前，借助于安全水泵站17，通過運(yùn)水管18將排出的水提升到地面上。在開始充水之前，應(yīng)在爆破注射孔9內(nèi)側(cè)定使不透水夾層4破裂的壓力Pr，此爆破注射孔9位于不透水夾層4內(nèi)預(yù)定注射位置附近，在充水區(qū)3的近側(cè)，然后應(yīng)將爆破注射孔9用后硬化材料堵死。此后，應(yīng)在充水區(qū)3的試驗(yàn)性充水孔10內(nèi)進(jìn)行注水試驗(yàn)，試驗(yàn)性充水孔10是在前期爆破試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)置的，注水試驗(yàn)所用壓力不應(yīng)超過破裂壓力Pr的85～90%，注水試驗(yàn)的目的在于確定借助于充水泵12通過一個(gè)充水孔所能注入的水量。作為附加措施，還可采用產(chǎn)量增加法如增產(chǎn)爆破法。在測(cè)定出排水量和通過一個(gè)充水孔所能注入的水量后，就應(yīng)同時(shí)擴(kuò)展到整個(gè)排水孔8和充水孔5的系統(tǒng)中去。應(yīng)將排水孔8中經(jīng)沉降的水通過管道13和充水泵12引到充水孔5中去。對(duì)每個(gè)充水孔5應(yīng)配置一通用的減壓閥，例如配置一排泄閥，將充水壓力調(diào)到破裂壓力Pr的90%。
通過以上措施，改變了充水區(qū)3注水前的水位14，從而使提高后的水位15的壓力始終低于會(huì)導(dǎo)致不透水夾層4破裂的壓力Pr。
來自排水孔8的水中未沉降的部分則借助于安全水泵站17通過送水管18提升到地面上。安全水泵站17的能力應(yīng)考慮到排水充水系統(tǒng)發(fā)生局部故障的因素。
圖2所示實(shí)例可用于儲(chǔ)水區(qū)2遇有地質(zhì)錯(cuò)層的情況下，這意味著在錯(cuò)層的被分隔開的兩個(gè)部分之間存在著足夠的阻水能力。圖2中儲(chǔ)水區(qū)2直接位于地下空間1的上面。由于存在著錯(cuò)層19，在充水區(qū)3和儲(chǔ)水區(qū)2之間隔有不透水夾層4。在這種情況下，地下空間1可接近充水區(qū)3，但應(yīng)以不透水夾層4不致產(chǎn)生液力破裂為限。因此開采作業(yè)可先擴(kuò)展到臨時(shí)性的礦區(qū)保安礦柱20處，位于離充水區(qū)3約100～150m的安全距離處，然后測(cè)定導(dǎo)向充水區(qū)3的一組爆破注射孔9內(nèi)的破裂壓力Pr。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，即可確定使得充水壓力為破裂壓力Pr的85～90%時(shí)從地下空間1到充水區(qū)3的應(yīng)有距離，從而防止充水壓力超出充水區(qū)3的原有水壓。此后，地下空間1即可進(jìn)一步接近充水區(qū)3，而到達(dá)在排水孔8和安全水泵站17的防護(hù)下所允許的礦區(qū)保安礦柱21。此時(shí)，再設(shè)置新的爆破注射孔9并測(cè)定其中的破裂壓力值。根據(jù)測(cè)得的值即可按圖1所示實(shí)例繼續(xù)這一過程。
圖3所示水文地質(zhì)環(huán)境與圖2所示相比，差異在于地質(zhì)錯(cuò)層19并不防礙儲(chǔ)水區(qū)2和充水區(qū)3之間的水路連接。在這種情況下，沿地質(zhì)錯(cuò)層19的水路至少應(yīng)部分地通過從地面上開挖出的充填孔6進(jìn)行充填，從而構(gòu)成具有增高阻水能力的區(qū)段23。進(jìn)一步的處置與圖2所示相同。
在圖4中，地下空間1中出現(xiàn)的從下面儲(chǔ)水區(qū)2通過薄層不透水夾層4滲進(jìn)的水7，可通過管道25借重力傳送到安全水泵站17?？梢钥紤]對(duì)位于地下空間1上的面的充水區(qū)3進(jìn)行充水，在充水之前，此充水區(qū)的水位14遠(yuǎn)低于地面水平。
在儲(chǔ)水區(qū)2和充水區(qū)3之間通過不整合的地層存在著水路連接，這與圖1所示的地質(zhì)情況相同。在地下空間1和充水區(qū)3之間隔有不透水夾層4。
首先須對(duì)爆破注射孔9進(jìn)行一些試驗(yàn)，以確定允許的充水壓力，再對(duì)試驗(yàn)性充水孔10進(jìn)行充水試驗(yàn)，然后如圖1所示設(shè)置充水孔5，在作好將充水孔5的系統(tǒng)投入使用的準(zhǔn)備工作后，將一部分預(yù)先穩(wěn)定位的滲進(jìn)水引進(jìn)澄清器26，再用充水泵12將其抽送到充水孔5中。
采用這種方法可以部分地減輕安全水泵站17的負(fù)荷，因此能減少提水所耗能量，而這一能量對(duì)應(yīng)于提水水位15和地面水平之差。此外，水的平衡由于這部分的充水量而得到改善。
采用本發(fā)明所述方法的優(yōu)點(diǎn)是使從地下水系統(tǒng)中排出的水直接返回到地下水系統(tǒng)，這種排水和充水所需投資和運(yùn)行費(fèi)用相應(yīng)地低于現(xiàn)有的方法，由于一般對(duì)水采用封閉的處置方法，基本上免除了充水前較貴的水處理費(fèi)用。
在通常情況下，特別是在原始水壓相對(duì)較低而充水區(qū)具有較好的透水性時(shí)，按本發(fā)明所述方法，水的提升費(fèi)用比將水提升到地面上而不再返回的方法低得多。這意味著本發(fā)明所采用的節(jié)水法較傳統(tǒng)的耗水法便宜。
基于后一優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明所述方法還可取代其它各種不經(jīng)濟(jì)的方法。
編號(hào)部位名稱1.地下空間2.儲(chǔ)水區(qū)3.充水區(qū)4.不透水夾層5.充水孔6.充填孔7.滲透水8.排水孔9.爆破注射孔10.試驗(yàn)性充水孔11.下降水位12.充水泵13.管道14.充水前水位15.提升水位17.安全水泵站18.運(yùn)水管19.地質(zhì)錯(cuò)層20.臨時(shí)性礦區(qū)保安礦柱21.允許礦區(qū)保安礦柱22.礦層23.增高阻水能力的區(qū)段24.起始水位
25.重力傳送管道26.澄清器
權(quán)利要求
1.一種對(duì)地下空間，特別是對(duì)礦區(qū)進(jìn)行排水的方法，此方法在于于對(duì)儲(chǔ)水區(qū)進(jìn)行人工排水或匯集滲透水，并借助于地下水泵站和通過至少一個(gè)充水孔將水注入充水區(qū)，充水區(qū)與地下空間之間隔有不透水夾層，其特征是將水從地下空間(1)直接注入充水區(qū)(3)，而不必將其提升到地面上。
2.如權(quán)利要求1所述的對(duì)地下空間進(jìn)行排水的方法，其特征是將水注入充水區(qū)(3)時(shí)所用的壓力，既低于儲(chǔ)水區(qū)(2)和充水區(qū)(3)之間的阻水能力，又小于地下空間(1)和充水區(qū)(3)之間不透水夾層(4)的最小巖石強(qiáng)度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的對(duì)地下空間進(jìn)行排水的方法，其特征是對(duì)不透水夾層(4)進(jìn)行爆破，以測(cè)定爆破壓力，并將水注入充水區(qū)(3)，充水壓力與爆破壓力相比至少小5%，最好小10～15%。
4.如權(quán)利要求1～3所述的對(duì)地下空間進(jìn)行排水的方法，其特征是采用已知的產(chǎn)量增加法(如酸處理)和(或)對(duì)充水孔(5)爆破，以降低充水壓力。
5.如權(quán)利要求1～4任何一項(xiàng)所述的對(duì)地下空間進(jìn)行排水的方法，其特征是在儲(chǔ)水區(qū)(2)和充水區(qū)(3)之間，通過至少一個(gè)充填孔(6)裝入填料或含水泥的充填料。
6.如權(quán)利要求1～5任何一項(xiàng)所述的對(duì)地下空間進(jìn)行排水的方法，其特征是在注入充水區(qū)(3)之前對(duì)滲透水(7)進(jìn)行凈化。
全文摘要
對(duì)地下空間，特別是對(duì)礦區(qū)進(jìn)行排水的方法，此方法在于用人工方法對(duì)儲(chǔ)水區(qū)進(jìn)行排水或匯集滲透水，并借助于地下水泵站和通過至少一個(gè)充水孔將水注入充水壓，充水區(qū)與地下空間之間隔有不透水夾層，而其特征是將水從地下空間直接注入充水區(qū)而不必將水提升到地面上，注水時(shí)所用壓力則低于儲(chǔ)水區(qū)和充水區(qū)之間的阻水能力，同時(shí)小于地下空間和充水區(qū)之間不透水夾層的最小巖石強(qiáng)度。
文檔編號(hào)E21F16/00GK1042966SQ88108259
公開日1990年6月13日 申請(qǐng)日期1988年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月1日
發(fā)明者弗蘭茨·比亞, 喬治·斯薩帝亞, 賽索爾特·科索, 比德·多斯, 拉斯羅·科普利亞 申請(qǐng)人:韋斯普里米森本亞克, 礦山開發(fā)中心研究所, 國(guó)家地理研究勘探公司