CN106285571B - 一种煤矿水资源分区预开采系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿水资源分区预开采系统和方法，所述煤矿水资源分区预开采系统包括水资源开采系统和水资源排灌系统；所述水资源开采系统包括用于伸入水资源开采区域的管井、第一水泵和抽水管道，所述水资源排灌系统包括储水空间、第二水泵和排水管道；所述抽水管道的一端位于所述管井内，另一端与所述第一水泵的入水口流体连通，所述第一水泵位于所述管井外部；所述储水空间位于所述第一水泵出水口的下游；所述排水管道的一端位于所述储水空间中，另一端与所述第二水泵的入水口流体连通；所述第二水泵位于所述储水空间外部。本发明的系统和方法根据实际情况对煤矿开采区域的水资源进行预防、开发、保护和修复，实现水资源提前保护。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域和水资源综合利用领域，涉及一种煤矿水资源分区预开采系统和方法。
背景技术
我国的煤炭的存储量占世界第一，是煤炭生产、消费都十分巨大的国家。随着煤炭需求量的上升，煤炭开采量也相应的提高。目前国内主要有两种煤矿开采形式，包括露天开采和井下开采。井下开采煤炭的方式非常容易出现下沉、顶板和围岩垮落，导致含水层破坏、各类含水层地下水快速渗漏和外排甚至于出现地表面塌陷的问题。露天开采煤炭的方式可以分成剥离土地以及挖损等，造成采矿区及周边地区的地表沉陷和地裂缝，导致河水渗漏，河道变形、断流、干涸，从而影响土地的耕作以及植物生长，甚至现山体滑坡、泥石流等问题。在开采煤炭的过程中会在很大程度上破坏地下水径流，导致地下水位出现快速下降，对水文造成很大影响，煤炭开采还在一定程度上污染地下水和地表水。在煤炭开采的过程中，由于排水处理费用相对较高，大部分企业都把没有经过处理的污水直接排出，从而导致出现地下水资源遭到破坏。目前有两种保水开采方式，分别是底板加固和减少导水裂缝带高度等。底板加固是对底板隔水薄弱的地方进行注浆强化，降低渗透性及提高抗压能力，实现加固和封堵的目的；降低导水裂缝带的高度可通过分层开采、充填开采、覆岩离层注浆法以及条带开采等方式实现。现有的保水开采均为在煤炭开采过程中采取应对措施，属于被动防御，已经不可避免的对当地水资源造成污染和损失。煤炭开采影响破坏水资源是客观现实，如何控制、减轻煤炭开采对水资源的影响破坏的关键技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿水资源分区预开采系统和方法，本发明的系统和方法根据实际情况对煤矿开采区域的水资源进行预防、开发、保护和修复，实现水资源提前保护，减少煤矿矿坑涌水、降低排水处理费用、快速修复当地生态环境的多重目标。
为实现上述目的，本发明提供了一种煤矿水资源分区预开采系统，所述煤矿水资源分区预开采系统包括水资源开采系统和水资源排灌系统；所述水资源开采系统包括用于伸入水资源开采区域的管井、第一水泵和抽水管道，所述水资源排灌系统包括储水空间、第二水泵和排水管道；所述抽水管道的一端位于所述管井内，另一端与所述第一水泵的入水口流体连通，所述第一水泵位于所述管井外部；所述储水空间位于所述第一水泵出水口的下游；所述排水管道的一端位于所述储水空间中，另一端与所述第二水泵的入水口流体连通；所述第二水泵的出水口位于所述储水空间外部。
优选地，所述管井的深度小于200米，管井的管口直径为50-1000毫米。
优选地，所述管井包括井壁管、位于所述井壁管内中下部的过滤器和位于所述井壁管内中所述过滤器下方的沉淀管。
优选地，所述井壁管的材料选用钢、铸铁、混凝土、陶瓷和工程塑料中的一种或几种。
优选地，所述过滤器包括过滤骨架和填充在过滤骨架内的滤料。
优选地，所述过滤骨架为钢筋材料，其内设置有上下流体连通的圆形或条形的孔道，所述滤料填充在所述孔道中，所述滤料为多孔材料、或具有级配的砂砾石或卵石。
优选地，所述沉淀管的材料选自钢、铸铁、混凝土、陶瓷和工程塑料中的一种或多种。
本发明还提供一种煤矿水资源分区预开采方法，该方法包括：
1)、煤矿开采区域进行探测，以确定煤矿水资源厚度、面积、地下水补给通道和导水通道发育情况；
2)、按照煤矿开采区域的开采顺序，将煤矿开采区域分为Z1，Z2，Z3，…，Zn，并对煤矿开采区域之间的导水通道和地下水流通区域进行钻孔注浆加固；
3)、对煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述储水空间，然后进行采矿；其中，所述地下水的抽取量为W1，W1＝W11+W12；W11为煤矿开采区域Z1的地下潜水层的地下水量，W11＝μ11·F11·h11，μ11为地下潜水层的给水度，F11为地下潜水层的面积，h11为地下潜水层的厚度；W12为煤矿开采区域Z1的承压水层的地下水量，W12＝μ12·F12·h12，μ12为贮水系数，F12为承压水层的面积，h12为承压水层自顶板算起的压力水头高度；
4)、对煤矿开采区域Z2的地下潜水层和承压水层采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层中，然后进行采矿，多余水输送至所述储水空间，不够的水从所述储水空间输送至所述煤矿开采区域Z1；其中，所述地下水的抽取量为W2，W2＝W21+W22；W21为煤矿开采区域Z2的地下潜水层的地下水量，W21＝μ21·F21·h21，μ21为地下潜水层的给水度，F21为地下潜水层的面积，h21为地下潜水层的厚度；W22为煤矿开采区域Z2的承压水层的地下水量，W22＝μ22·F22·h22，μ22为贮水系数，F22为承压水层的面积，h12为承压水层自顶板算起的压力水头高度；
5)按照Z1，Z2，Z3，…，Zn的顺序进行开采所述煤矿开采区域，待所述煤矿开采区域Zn开采完毕，采用本发明所提供煤矿水资源分区预开采系统将所述储水空间的水输送至所述煤矿开采区域Zn中。
优选地，步骤3)中所述对煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述储水空间的步骤包括：
将管井打入所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层，采用第一水泵通过抽水管道将潜水层和承压水层中的地下水抽出并输送至所述储水空间；
步骤4)中所述对煤矿开采区域Z2的地下潜水层和承压水层采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层中的步骤包括：
将管井打入所述煤矿开采区域Z2的地下潜水层和承压水层，采用第一水泵通过抽水管道将潜水层和承压水层中的地下水抽出并通过所述煤矿开采区域Z1的管井输送至所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层中；
步骤5)中所述采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统将所述储水空间的水输送至所述煤矿开采区域Zn中的步骤包括：
将管井打入所述煤矿开采区域Zn的地下潜水层和承压水层，采用第二水泵通过排水管道将所述储水空间的水输送至所述煤矿开采区域Zn中。
本发明具有如下优点：
1.隔离煤矿开采区域涉及的地下水补充通道，在煤矿采掘前抽取地下水，能有效减少采掘过程中矿坑涌水，减少采掘过程中的污水处理、排水工作量，同时大大减少渗漏污染深层地下水和外排矿坑污水污染地表水甚至于通过渗漏污染矿区周围的地下水的可能性。
2.抽取的地下水未经煤矿开采的污染，经检测合格后可用于煤矿的生产生活用水，也可对周围供水进行有益补充。
3.煤炭资源开采完毕后通过管井回灌地下水，及时对地下潜水层和地下承压水进行补充，恢复原有的地下水资源的循环条件，减轻煤炭开采对水资源的影响破坏，有效改善区域生态环境。
附图说明
图1为本发明公开的一种煤矿水资源分区预开采系统的一种具体实施方式的的结构示意图。
图2为本发明公开的一种煤矿水资源分区预开采方法的一中具体实施方式的流程示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供的一种煤矿水资源分区预开采系统，所述煤矿水资源分区预开采系统包括水资源开采系统和水资源排灌系统；所述水资源开采系统包括用于伸入水资源开采区域的管井1、第一水泵2和抽水管道3，所述水资源排灌系统包括储水空间4、第二水泵5和排水管道6；所述抽水管道3的一端位于所述管井1内，另一端与所述第一水泵2的入水口流体连通，所述第一水泵(2)位于所述管井(1)外部；所述储水空间4位于所述第一水泵2出水口的下游；所述排水管道6的一端位于所述储水空间4中，另一端与所述第二水泵5的入水口连通；所述第二水泵5位于所述储水空间4外部。
所述的煤矿水资源分区预开采系统，管井1的深度由地下煤矿储存涉及的地下潜水层和承压水层的深度决定，深度一般在200m以内，管口直径50-1000mm，管井1包括井壁管10、过滤器11和沉淀管12。井壁管10材料可选用钢、铸铁、混凝土、陶瓷和工程塑料等，用于加固井壁和隔离采煤没有涉及到的含水层；过滤器11包括过滤骨架和滤料，安装在含水层段，用于汇集地下水和保持含水层稳定，其中可包括钢筋骨架、圆孔或条孔过滤器，滤料内部可填充物多孔材料或一定级配的砂砾石卵石。沉淀管12放置在过滤器11下方，用于沉淀细小沙粒，材料可采用钢、铸铁、混凝土、陶瓷和工程塑料等。
如图2所示，本发明还提供一种煤矿水资源分区预开采方法，该方法包括：
1)、煤矿开采区域进行探测，以确定煤矿水资源厚度、面积、地下水补给通道和导水通道发育情况；例如可以采用核磁共振等地下水联合探测技术；
2)、按照煤矿开采区域的开采顺序，将煤矿开采区域分为Z1，Z2，Z3，…，Zn，并对煤矿开采区域之间的导水通道和地下水流通区域进行钻孔注浆加固；
3)、对煤矿开采区域Z1(首采区)的地下潜水层和承压水层采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述储水空间，然后进行采矿；其中，所述地下水的抽取量为W1，W1＝W11+W12；W11为煤矿开采区域Z1的地下潜水层的地下水量，W11＝μ11·F11·h11，μ11为地下潜水层的给水度，F11为地下潜水层的面积，h11为地下潜水层的厚度；W12为煤矿开采区域Z1的承压水层的地下水量，W12＝μ12·F12·h12，μ12为贮水系数，F12为承压水层的面积，h12为承压水层自顶板算起的压力水头高度；抽取的地下水也可用于煤矿开采的生产生活用水；
4)、对煤矿开采区域Z2地下潜水层和承压水层采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述煤矿开采区域Z1地下潜水层和承压水层中，然后进行采矿，多余水输送至所述储水空间，不够的水从所述储水空间输送至所述煤矿开采区域Z1；其中，所述地下水的抽取量为W2，W2＝W21+W22；W21为煤矿开采区域Z2的地下潜水层的地下水量，W21＝μ21·F21·h21，μ21为地下潜水层的给水度，F21为地下潜水层的面积，h21为地下潜水层的厚度；W22为煤矿开采区域Z2的承压水层的地下水量，W22＝μ22·F22·h22，μ22为贮水系数，F22为承压水层的面积，h12为承压水层自顶板算起的压力水头高度；抽取的地下水也可用于煤矿开采的生产生活用水；
5)按照Z1，Z2，Z3，…，Zn的顺序进行开采所述煤矿开采区域，待所述煤矿开采区域Zn开采完毕，采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统将所述储水空间的水输送至所述煤矿开采区域Zn中。其中，每个煤矿开采区域所抽取的地下水W2，W3，W4…，Wn依次循环回上一个煤矿开采区域，W1的水循环回煤矿开采区域Zn。
一种具体实施方式，步骤3)中所述对煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述储水空间的步骤包括：
将管井1打入所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层，采用第一水泵2通过抽水管道3将潜水层和承压水层中的地下水抽出并输送至所述储水空间4；
步骤4)中所述对煤矿开采区域Z2的地下潜水层和承压水层采用本发明所提供的所述的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层中的步骤包括：
将管井1打入所述煤矿开采区域Z2的地下潜水层和承压水层，采用第一水泵2通过抽水管道3将潜水层和承压水层中的地下水抽出并通过所述煤矿开采区域Z1的管井1输送至所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层中；
步骤5)中所述采用本发明所提供的煤矿水资源分区预开采系统将所述储水空间的水输送至所述煤矿开采区域Zn中的步骤包括：
将管井1打入所述煤矿开采区域Zn的地下潜水层和承压水层，采用第二水泵5通过排水管道6将所述储水空间4的水输送至所述煤矿开采区域Zn中。
所述的排灌系统，储水空间指储水容积≥首采区Z1的地下水抽取量的水池或已有水库设施。
如果每个煤矿开采区域的水有多余，则送入储水空间，水不够，则从储水空间取，储水空间的水可以用于生活用水。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种煤矿水资源分区预开采方法，其特征在于，该方法包括：
1)、煤矿开采区域进行探测，以确定煤矿水资源厚度、面积、地下水补给通道和导水通道发育情况；
2)、按照煤矿开采区域的开采顺序，将煤矿开采区域分为Z1，Z2，Z3，…，Zn，并对煤矿开采区域之间的导水通道和地下水流通区域进行钻孔注浆加固；
3)、对煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层采用煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至储水空间，然后进行采矿；其中，所述煤矿水资源分区预开采系统包括水资源开采系统和水资源排灌系统；所述水资源开采系统包括用于伸入水资源开采区域的管井(1)、第一水泵(2)和抽水管道(3)，所述水资源排灌系统包括储水空间(4)、第二水泵(5)和排水管道(6)；所述抽水管道(3)的一端位于所述管井(1)内，另一端与所述第一水泵(2)的入水口流体连通，所述第一水泵(2)位于所述管井(1)外部；所述储水空间(4)位于所述第一水泵(2)出水口的下游；所述排水管道(6)的一端位于所述储水空间(4)中，另一端与所述第二水泵(5)的入水口流体连通；所述第二水泵(5)位于所述储水空间(4)外部；所述地下水的抽取量为W1，W1＝W11+W12；W11为煤矿开采区域Z1的地下潜水层的地下水量，W11＝μ11·F11·h11，μ11为地下潜水层的给水度，F11为地下潜水层的面积，h11为地下潜水层的厚度；W12为煤矿开采区域Z1的承压水层的地下水量，W12＝μ12·F12·h12，μ12为贮水系数，F12为承压水层的面积，h12为承压水层自顶板算起的压力水头高度；
4)、对煤矿开采区域Z2的地下潜水层和承压水层采用所述的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层中，然后进行采矿，多余水输送至所述储水空间，不够的水从所述储水空间输送至所述煤矿开采区域Z1；其中，所述地下水的抽取量为W2，W2＝W21+W22；W21为煤矿开采区域Z2的地下潜水层的地下水量，W21＝μ21·F21·h21，μ21为地下潜水层的给水度，F21为地下潜水层的面积，h21为地下潜水层的厚度；W22为煤矿开采区域Z2的承压水层的地下水量，W22＝μ22·F22·h22，μ22为贮水系数，F22为承压水层的面积，h12为承压水层自顶板算起的压力水头高度；
5)按照Z1，Z2，Z3，…，Zn的顺序进行开采所述煤矿开采区域，待所述煤矿开采区域Zn开采完毕，采用所述的煤矿水资源分区预开采系统将所述储水空间的水输送至所述煤矿开采区域Zn中。
2.根据权利要求1所述的煤矿水资源分区预开采方法，其特征在于，步骤3)中所述对煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层采用所述的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述储水空间的步骤包括：
将管井(1)打入所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层，采用第一水泵(2)通过抽水管道(3)将潜水层和承压水层中的地下水抽出并输送至所述储水空间(4)；
步骤4)中所述对煤矿开采区域Z2的地下潜水层和承压水层采用所述的煤矿水资源分区预开采系统抽取地下水并输送至所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层中的步骤包括：
将管井(1)打入所述煤矿开采区域Z2的地下潜水层和承压水层，采用第一水泵(2)通过抽水管道(3)将潜水层和承压水层中的地下水抽出并通过所述煤矿开采区域Z1的管井(1)输送至所述煤矿开采区域Z1的地下潜水层和承压水层中；
步骤5)中所述采用所述的煤矿水资源分区预开采系统将所述储水空间的水输送至所述煤矿开采区域Zn中的步骤包括：
将管井(1)打入所述煤矿开采区域Zn的地下潜水层和承压水层，采用第二水泵(5)通过排水管道(6)将所述储水空间(4)的水输送至所述煤矿开采区域Zn中。
3.根据权利要求1所述的煤矿水资源分区预开采方法，其特征在于，所述管井(1)的深度小于200米，管井(1)的管口直径为50-1000毫米。
4.根据权利要求1所述的煤矿水资源分区预开采方法，其特征在于，所述管井(1)包括井壁管(10)、位于所述井壁管(10)内中下部的过滤器(11)和位于所述井壁管(10)内中所述过滤器(11)下方的沉淀管(12)。
5.根据权利要求4所述的煤矿水资源分区预开采方法，其特征在于，所述井壁管(10)的材料选用钢、铸铁、混凝土、陶瓷和工程塑料中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的煤矿水资源分区预开采方法，其特征在于，所述过滤器(11)包括过滤骨架和填充在过滤骨架内的滤料。
7.根据权利要求6所述的煤矿水资源分区预开采方法，其特征在于，所述过滤骨架为钢筋材料，其内设置有上下流体连通的圆形或条形的孔道，所述滤料填充在所述孔道中，所述滤料为多孔材料、或具有级配的砂砾石或卵石。
8.根据权利要求4所述的煤矿水资源分区预开采方法，其特征在于，所述沉淀管(12)的材料选自钢、铸铁、混凝土、陶瓷和工程塑料中的一种或多种。
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