利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库的方法

摘要

本发明涉及一种利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库的方法，其包含如下步骤：步骤1：基岩弯曲带地下水库建库地质条件勘探；步骤2：基岩弯曲带地下水库可选建设地址确定；步骤3：基岩弯曲带连通式地下水库连通性构建；步骤4：矿井水输送、回灌和抽采系统建设；由此，本发明通过对基岩弯曲带地下水库建设的地质条件进行分析，在传统煤矿地下水库建设选址的基础上，提出了利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库的总体设计，减少矿井水资源的无效外排，避免水资源浪费，且充分利用采矿形成的弯曲带建设地下水库，减少工程建设费用。最终实现最大程度地保护干旱区井工煤矿矿井水资源。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程、水文地质和采矿工程的综合应用技术领 域，尤其涉及一种利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库的方法。

背景技术

首先，井工煤矿开采过程中，由于导水裂缝带已发育至上部含水 层，导致含水层水进入采空区，为了保证煤炭开采安全，必须排放矿 井水。大量的矿井水资源被抽排到地面，造成了水资源的浪费。

其次，我国水资源与煤炭资源呈逆向分布，14个大型煤炭基地 主要位于西北、东北等干旱区，蒸发量是降水量的4～6倍，矿井水外 排地表后，但由于蒸发量大，不能有效储存和利用。

第三，井工煤矿开采过程中，采空区上方顶板岩层发生冒落破坏， 形成冒落带，冒落带上部岩层还将相继发生断裂和弯曲下沉，其中弯 曲带基本呈整体移动，在垂直剖面上，弯曲带上下各部分下沉量差值 很小。基岩段为隔水层，构成了地下水库的底板和坝体，不需要像鄂 尔多斯盆地侏罗系煤田建设挡水墙等人工坝体结构，节省了大量的工 程费用。上覆第四系松散层主要由粒径较大的砾石和中粗砂颗粒组 成，且该层地下水已干涸，提供了非常良好的水资源地下储存空间。

利用基岩弯曲带建设地下水库储存水资源，一方面可以保护水资 源，另一方面则可以实现矿井水不外排。合理的地下水库位置选取不 仅涉及到该区域的地形地貌、地质构造、地层岩性以及底部基岩渗透 性等，而且与煤矿生产方式和排水系统形式密切相关，在不影响煤矿 正常生产的条件下，实现井下煤炭开采扰动形成的矿井水合理输送至 该地下水库进行储存。因此，在实现基岩弯曲带储存矿井水之前，需 进行基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库方法设计。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计， 综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种利用基岩 弯曲带构建煤矿连通式地下水库的方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地 下水库的方法，通过对地下水库所在区域的水文气象、地质构造、地 层岩性等地质条件进行勘探，结合矿井水排水系统，利用基岩弯曲带 设计合理的煤矿连通式地下水库，实现井工煤矿矿井水的合理储存和 有效利用。解决了现有技术中存在的问题。

为解决上述问题，本发明公开了一种利用基岩弯曲带构建煤矿连 通式地下水库的方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤1：基岩弯曲带地下水库建库地质条件勘探；

在收集整理前期勘探资料的基础上对地层岩性、地质构造等进行 勘探，确定基岩隔水性、第四系渗透性和储水能力；

步骤2：基岩弯曲带地下水库可选建设地址确定；

根据步骤1获取的地质参数，结合煤炭开采厚度和基岩向下弯曲 程度，来共同确定适合水库建设的工作面上覆弯曲带；

步骤3：基岩弯曲带连通式地下水库连通性构建；

利用工作面上覆弯曲带建设的连通式地下水库，使地下水库相互 连通；

步骤4：矿井水输送、回灌和抽采系统建设；

选择基岩顶界面标高最高的地下水库，利用回灌井将矿井水回灌 至地下水库，再利用地下水库底板坡度和水库之间的连通通道，实现 所有水库的水相互联系，在基岩顶界面标高最低的地下水库建设抽采 井，将地下水库中的水抽至地面，作为矿区生产生活用水。

其中：在步骤2中，弯曲带要求底部基岩渗透系数k<0.001m/d、 第四系地层的有效孔隙度n>25％、单位涌水量q>5.0L/(s·m)。

其中：在步骤3中，每个工作面上覆基岩弯曲带四周都形成了隔 水坝体，利用长距离定向钻机在基岩弯曲带之间施工钻孔，使地下水 库相互连通。

通过上述内容可知，本发明的利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地 下水库的方法具有如下效果：

1、通过对基岩弯曲带地下水库建设的地质条件进行分析，在传 统煤矿地下水库建设选址的基础上，提出了利用基岩弯曲带构建煤矿 连通式地下水库的总体设计，减少矿井水资源的无效外排，造成水资 源浪费；

2、实现矿井水资源地下储存，减少地表无效蒸发，保护地下水 资源。

3、充分利用采矿形成的弯曲带建设地下水库，减少工程建设费 用。最终实现最大程度地保护干旱区井工煤矿矿井水资源。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库 的方法的安装示意图。

图2是地下水库选址剖面示意图；

图3是定向钻孔施工水库间连通通道(平面)示意图；

图4是定向钻孔施工水库间连通通道(剖面)示意图；

图5是矿井水输送、回灌和抽采系统平面示意图；

图6是注(抽)水井剖面示意图。

具体实施方式

参见图1和2，显示了本发明的利用基岩弯曲带构建煤矿连通式 地下水库的方法。

所述利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库的方法需要解决 的技术难题包括：对拟选择的地下水库建设区域，需要开展包括地层 岩性、地质构造、空间范围的研究(采用前期勘探资料收集，野外踏 勘、物探钻探综合验证的技术手段)，重点是对基岩顶板(水库底板) 隔水性、第四系地层储水和导水能力的探测；结合煤矿地面排水系统 和供水系统，实现矿井水向地下水库的最佳输送，确定合理的地下水 库建设地址；充分考虑矿区供水系统布置，为地下水库中储存水的抽 排利用提供便利。

由此，为实现本发明的具体目的，所述利用基岩弯曲带构建煤矿 连通式地下水库的方法包含如下步骤：

步骤1：基岩弯曲带地下水库建库地质条件勘探；

在收集整理前期勘探资料的基础上，采用野外踏勘、物探钻孔综 合验证的手段，对地层岩性、地质构造等进行勘探，优选采用钻探取 芯手段对水库底部基岩、上部第四系地层进行岩样采集，通过室内检 测岩样粒径(镜下薄片鉴定法和筛分法)、孔隙率(液体饱和排液法)、 渗透率(气体渗透率测定法)等方法确定地质参数，确定基岩隔水性、 第四系渗透性和储水能力等；

步骤2：基岩弯曲带地下水库可选建设地址确定；

根据步骤1获取的地层岩性、地质构造、底部基岩渗透性、第四 系地层储水能力等地质参数，结合煤炭开采厚度和基岩向下弯曲程 度，来共同确定适合水库建设的工作面上的弯曲带(弯曲下沉>3m)， 基岩的弯曲带连通式水水库地址要求地质条件相对稳定(构造不发 育)、底部基岩防渗性较好(渗透系数k<0.001m/d)、第四系地层储 水能力较强(有效孔隙度n>25％、单位涌水量q>5.0L/(s·m))的区域；

步骤3：基岩弯曲带连通式地下水库连通性构建；

利用工作面回采过程中形成的上覆弯曲带建设连通式地下水库， 由于井下工作面之间煤柱的影响，每个工作面上覆基岩弯曲带四周都 形成了隔水坝体，利用长距离定向钻机在基岩弯曲带之间施工钻孔， 使地下水库相互连通；

步骤4：矿井水输送、回灌和抽采系统建设；

选择基岩顶界面标高最高的地下水库，基于最佳(最短)输送距 离，将矿井水输运至目的地，利用回灌井将矿井水回灌至地下水库， 再利用地下水库底板坡度和水库之间的连通通道，实现所有水库的水 相互联系，在基岩顶界面标高最低的地下水库建设抽采井，将地下水 库中的水抽至地面，作为矿区生产生活用水。

由此，通过上述步骤，本发明通过对基岩弯曲带地下水库建设的 地质条件进行分析，在传统煤矿地下水库建设选址的基础上，提出了 利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库的总体设计，实现最大程度 地保护干旱区井工煤矿矿井水资源。

在本发明的一个具体实施例中，以陈旗井田某深埋井工煤矿利用 基岩弯曲带建设连通式水库为例进行进一步说明，该井工煤矿开采伊 敏组16号煤，共分六个盘区，目前在南一和北一盘区开采了5个工 作面，其中4个工作面上覆基岩弯曲带作为地下水库，可储存 313×104m³矿井水，将这些水资源作为矿井生产生活用水，可大大减>3)，且该地下水库可以长期循环使用，社会经济效益>

以陈旗井田某深埋井工煤矿利用基岩弯曲带建设连通式水库为 例进行进一步说明，该井工煤矿开采伊敏组16号煤，共分六个盘区， 目前在南一和北一盘区开采了5个工作面，因此先期开采区域进行基 岩弯曲带地下水库建设方法设计。

步骤1：基岩弯曲带地下水库建库地质条件勘探：收集整理本井 田前期勘探资料的基础上，采用物探和钻孔综合勘探方法，对南一和 北一盘区5个已采工作面地层岩性、地质构造等进行分析总结，对水 库底部基岩、上部第四系地层进行取样，实验室检测其渗透性、储水 能力，结果表明水库底部基岩由15号煤层、泥岩和粉砂质泥岩组成， 隔水性较好；第四系地层由砾石、粗砂等颗粒组成，储水能力强，水 动力条件好。

步骤2：基岩弯曲带地下水库可选建设地址确定：根据上述步骤 勘探或实测获取的参数、条件，基岩弯曲带连通式地下水库要求地质 条件相对较好、底部岩层的防渗性好的区域，如图1和图2所示，可 选作为水库建设的工作面上覆基岩弯曲带包括B、C、D、E；A位置 存在落差较大的断层，不适宜作为地下水库建设地址。

步骤3：基岩弯曲带连通式地下水库连通性构建：由于井下工作 面之间煤柱的影响，每个工作面上覆基岩弯曲带四周形成了隔水坝体 (图1和图2)，将B、C、D、E地下水库隔开，利用长距离定向钻机 在基岩弯曲带之间施工近水平定向钻孔，并在坝体位置下套管保证地 下水库之间长期的水力联系，实现B、C、D、E地下水库相互连通(图 3和图4)。

步骤4：矿井水输送、回灌和抽采系统建设：选择基岩顶界面标 高最高的地下水库，基于最佳(最短)输送距离，将矿井水从处理站 输运至目的地(B号水库基岩标高最高位置)，利用回灌井将矿井水 回灌至地下水库，再利用地下水库底板坡度和水库之间的连通通道， 实现所有水库的水相互联系，在基岩顶界面标高最低的地下水库建设 抽采井(E号水库基岩标高最低位置)，将地下水库中的水抽至地面， 作为矿区生产生活用水(图5)。注水井和抽水井下半段，均采用花 管(滤水管，图6)，以利于矿井水回灌进入地下水库和从地下水库 抽出水资源。

由此，本发明的利用基岩弯曲带构建煤矿连通式地下水库的方法 具有如下优点：

1、通过对基岩弯曲带地下水库建设的地质条件进行分析，在传 统煤矿地下水库建设选址的基础上，提出了利用基岩弯曲带构建煤矿 连通式地下水库的总体设计，减少矿井水资源的无效外排，造成水资 源浪费；

2、实现矿井水资源地下储存，减少地表无效蒸发，保护地下水 资源。

3、充分利用采矿形成的弯曲带建设地下水库，减少工程建设费 用。最终实现最大程度地保护干旱区井工煤矿矿井水资源。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本 发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附 图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的 作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的 范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。