CN102865081A - 一种保水开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的保水开采方法，包括：以下步骤：对开采区进行地质勘察，以获取地质参数；根据所述地质参数，计算保水开采条件参数；根据所述地质参数，计算地下水分布趋势数据；根据保水开采条件参数和地下水分布趋势数据，确定开采区中各区块的开采顺序；根据保水开采条件参数和地下水分布趋势数据，确定每个区块中各工作面的开采顺序。采用本发明公开的保水开采方法，能准确地探查开采区的地质及水文地质条件，掌握煤厚变化及上覆岩层结构等情况，针对不同地质条件采取不同的开采方式与开采参数，从而减小煤炭开采对地下水资源和生态环境的影响。

Description

一种保水开采方法

技术领域

本发明涉及含水层地质开采技术，尤其涉及一种保水开采方法。

背景技术

有些煤炭资源赋存丰富区域的地表生态环境十分脆弱，而位于浅埋煤层附近的潜水因受采动影响而极易流失，进而会导致环境的进一步恶化，所以，保水开采是生态脆弱区煤层开发的关键性保障技术。

研究认为：浅部煤层的开采使其顶板破断直接影响到地表，顶板破断角大，地表下沉速度快，来压明显且难以控制。但在矿业开采水资源保护方面，研究成果特别很少，迄今还没有明确提出与保水开采相关的采矿理念和开采方法。

传统的开采方法，基本上是“先采后治”，甚至“采后不治”，没有考虑到开采引起的地质环境变化及其对人类的不良影响或危害，使得土地荒漠化的趋势呈直线上升；对水资源造成极大的负面影响和破坏。在现代开采技术下矿区地下水系统发生了剧烈的变化，地下水资源量也发生了明显的变化；因此开采后产生了如地下水水位大幅度下降、地表河流流量衰竭、地表生态环境破坏等一系列环境水文地质问题。

以往在煤炭开采以前，未能准确地探测其内部地质构造并掌握煤厚变化及上覆岩层结构条件，因此煤炭开采会导致水资源和生态环境破坏。因此，制定生态脆弱区保水开采方法对于煤炭资源大规模高强度开发是非常必要的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种针对地表生态环境脆弱地区进行浅埋煤层开采的保水开采方法。

本发明提供的保水开采方法包括以下步骤：a.对开采区进行地质勘察，以获取地质参数；b.根据所述地质参数，计算保水开采条件参数；c.根据所述地质参数，计算地下水分布趋势数据；d.根据保水开采条件参数和地下水分布趋势数据，确定开采区中各区块的开采顺序；e.根据保水开采条件参数和地下水分布趋势数据，确定每个区块中各工作面的开采顺序。

优选地，所述地质参数包括含水层厚度、渗透系数、单位涌水量、含水层压力、岩性组合、保护层结构。

优选地，保水开采条件参数为保水危险系数，保水危险系数通过下式计算：

T_s＝P/H

式中：T_S-保水危险系数，单位是MPa/m；

      P-含水层水压，单位是MPa；

      H-有效保护层厚度，m。

优选地，步骤c包括：根据保水开采条件参数，按照保水开采条件的优劣，优先开采保水开采条件更好的区块；对于开采保水开采条件相同的区块，优先开采地下水分布趋势变化更小的区块。更优选地，按照保水危险系数的大小，优先开采保水危险系数更小的区块；对于保水危险系数相同或保水危险系数差值小于阈值的区块，优先开采地下水分布趋势变化更小的区块。

优选地，步骤e包括：根据保水开采条件参数，按照保水开采条件的优劣，优先开采保水开采条件更好的工作面；对于开采保水开采条件相同的工作面，优先开采地下水分布趋势变化更小的工作面。更优选地，按照保水危险系数的大小，优先开采保水危险系数更小的工作面；对于保水危险系数相同或保水危险系数差值小于阈值的工作面，优先开采地下水分布趋势变化更小的工作面。

优选地，通过对水量平衡计算得出地下水分布趋势数据，表示水量平衡的连续性方程为：

$Q_i=S_s\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\ΔV}$

式中：

Q_i——单位时间内进入单元的水量(m³/t)；

S_s——贮水系数(l/m)；

ΔV——单元的体积(m³)

Δh——时间Δt水位变化量(m)。

相对于现有技术，本发明提供的保水开采方法，能准确地探查开采区的地质及水文地质条件，掌握煤厚变化及上覆岩层结构等情况，针对不同地质条件采取不同的开采方式与开采参数，从而减小煤炭开采对地下水资源和生态环境的影响。

附图说明

图1是本发明一种具体实施方式的保水开采方法的流程图；

图2是采用本发明一种具体实施方式的保水开采方法的实施现场示意图；

图3是采用本发明一种具体实施方式的保水开采方法产生的防水安全煤柱的结构示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明一种具体实施方式的保水开采方法。如图所示：

首先，在步骤101，首先探测开采区的地质参数，以便实现开采区的水文地质条件勘察。在采区水文地质条件勘察中，为了获得保水开采地质参数，采用基于地球物理勘探技术的方法对采区水文地质条件进行动态勘察，在本发明中，基于地球物理勘探技术的方法包括地震法、电法、地质雷达法以及这些方法的有效结合，从而可以获得更为精确的煤岩层结构、含水层结构及其分布、浅部松散层结构及赋水性等关键信息。基于地球物理勘探技术的方法可以采用目前各种适合的地质勘察方法。获得的地质参数包括含水层厚度、渗透系数、单位涌水量、岩性组合、含水层压力、保护层结构等。

在步骤102，计算保水开采条件参数。

基于上述地质参数的探测，特别是基于含水层厚度、渗透系数、单位涌水量，可以将含水层划分成五种类型，具体参见表1：

表1

对于表1中第I类、II类和III类含水层，开采时含水层水压会较大。本发明中引入“保水危险系数”的概念，即含水层水压P与有效保护层厚度H之比，称为保水危险系数T_S：

T_s＝P/H

式中：T_S-保水危险系数，MPa/m；

      P-含水层水压，MPa，无实测值时可以按0.01h估算，h为松散含水层厚度；

H-有效保护层厚度。

图3是本发明中防水安全煤柱的结构示意图。防水安全煤柱的作用是为了避免导水裂缝带波及水体。因此，垂高(H_sh)应大于或等于导水裂缝带的最大高度(Hli)加上保护层厚度(H_b)，如图3所示，即：

H_sh≥H_li+H_b

如图所示，开采煤层顶界至第四系松散含水层底界之间距离(Δh)减去开采煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度(H_li)为有效保护层厚度H：

H＝Δh-H_li

式中：Δh为开采煤层顶界至含水层底界之间距离；

      H_li为开采煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度。

若有效保护层厚度H小于或等于零，含水层的水可能涌入回采工作面，造成顶板突水，自然条件下不能实现保水开采，需要采用安全措施才能实现开采。

若有效保护层厚度H大于零，说明开采时可以一次采全高，不会导致导水裂隙带直接导通第四系松散含水层水，即保护层达到规定要求即可实现保水采煤。

有效保护层的厚度从松散层底部的隔水层底面向下计算，若松散层底部无隔水层，就应从基岩顶面向下计算。

对于保水危险系数T_S，可以设置相应的安全开采的临界系数Tso：

当T_S＜Tso时，有效保护层能有效阻隔含水层水压，开采是安全的；

当T_S≥Tso时，有效保护层不能有效阻隔含水层水压，开采时存在渗流危险。

安全开采的临界系数Tso的设置，可根据对不同地质条件保水开采的安全统计数据确定。

在计算保水危险系数时，含水层水压P的获取可以在步骤101进行地质勘察的时候获取，例如可以通过钻孔、设置压力传感器的方式检测含水层水压，也可以通过本领域其他的测量手段检测含水层水压P。

在步骤103，根据保水开采条件参数，确定开采区中各区块的开采顺序。具体地，可以将保水开采的保水性类型划分为保水性好(I)、保水性一般(II)、保水性差(III)三类。

在下面表2的实施例中：对于类似中国开滦矿区的地质条件，设定Tso＝0.1MPa/m。如表2所示。

表2

其中：

保水性好(第I类型)：保水危险系数小于0.1，且有效保护层厚度大于或等于0。在这种地质区域中，岩体的力学强度高，抗水压能力强，隔水性能好。对于这种区域进行煤炭开采，通常不会造成对含水层的破坏。

保水性一般(第II类型)：保水危险系数大于或等于0.1，且有效保护层厚度大于或等于0。在这种地质区域中，岩体力学强度中等，抗水压能力中等，隔水性能中等。对于这种区域进行煤炭开采，可能存在对含水层的影响，因此需要采取相应的措施，例如在开采中加强支护等。

保水性差(第III类型)：有效保护层厚度小于0。在这种地质区域中，岩体力学强度差，抗水压能力差，隔水性差，煤炭开采对上覆松散含水层的影响大。

由于每个开采区的面积较大，因此需要将一个开采区划分为多个区块，区块的划分可以按照地质条件划分，即在相同或相近的地质条件下，开采区的一个区域可以划分为一个或多个区块。对于每个区块，计算保水危险系数，根据保水危险系数，确定各个区块的开采顺序。即：优先开采保水危险系数更小的区块。

优选地，如果存在两个保水危险系数相同的区块，或存在两个保水危险系数之差小于阈值的区块，则需要进一步计算地下水分布趋势数据，例如，采用上述方法计算每个工作面中所有点的水位值及其水量，得出地下水分布趋势。然后选择地下水分布趋势小的工作面优先开采。

在步骤104，根据所述地质参数，计算地下水分布趋势数据。在步骤101中，通过地质勘察，获取了相关的地质参数，利用这些地质参数，建立采动岩体变形破坏与裂隙演化及渗流的物理模型，并通过所述物理模型进行模拟试验，从而能够获得覆岩变形破坏特征及采动裂隙的空间分布，以此建立采动岩体变形破坏与裂隙演化间的关系，掌握采动岩体裂隙贯通的动态演化规律。所述物理模型的建立和模拟试验，可以通过相应的软件模块来实现。模拟试验中，对于地下水分布趋势数据的计算可以通过以下方法实现：

假设地下水的密度为一个常数，表示水量平衡的连续性方程为：

$Q_i=S_s\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\ΔV}---\left(1\right)$

式中：

Q_i——单位时间内进入单元的水量(m³/t)；

S_s——贮水系数(l/m)；

ΔV——单元的体积(m³)

Δh——时间Δt水位变化量(m)

上述方程表示在Δt时间内，水位变化为Δh时水量的变化量，流入为正，流出为负。

根据达西定律，从单元(i，j-1，k)流入(i，j，k)的水量为：

$q_{i,j-1/2,k}=k{R}_{i,j,k}\mathrm{\Δ}{c}_j\mathrm{\Δ}{v}_k\frac{(h_{i,j-1,k}-h_{i,j,k})}{\mathrm{\Δ}{r}_{j-1/2}}---\left(2\right)$

式中：

h_i，j，k——节点i，j，k的水位值(m)；

h_i，j-1，k——节点i，j-1，k的水位值(m)；

q_{i，j-1/2，k}——通过单元i，j，k和i，j-1，k之间的面的流量(m³/t)；

kR_i，j，k——节点i，j，k和节点i，j-1，k间沿列的方向的渗透系数(m/t)；

Δc_jΔv_k——沿列方向的单元面的面积(m²)；

Δr_j-1/2——节点i，j，k和节点i，j-1，k之间的距离(m)；

同理，其它各个面流入单元(i，j，k)的水量为：

$q_{i,j+1/2,k}=k{R}_{i,j+1/2,k}\mathrm{\Δ}{c}_j\mathrm{\Δ}{v}_k\frac{(h_{i,j+1,k}-h_{i,j,k})}{\mathrm{\Δ}{r}_{j+1/2}}---\left(3\right)$

$q_{i+1/2,j,k}=k{R}_{i+1/2,j,k}\mathrm{\Δ}{c}_j\mathrm{\Δ}{v}_k\frac{(h_{i+1,j,k}-h_{i,j,k})}{\mathrm{\Δ}{r}_{i+1/2}}---\left(4\right)$

$q_{i-1/2,j,k}=k{R}_{i-1/2,j,k}\mathrm{\Δ}{c}_j\mathrm{\Δ}{v}_k\frac{(h_{i+1,j,k}-h_{i,j,k})}{\mathrm{\Δ}{r}_{i-1/2}}---\left(5\right)$

$q_{i,j,k+1/2}=k{R}_{i,j,k+1/2}\mathrm{\Δ}{c}_j\mathrm{\Δ}{v}_k\frac{(h_{i,1,k+1}-h_{i,j,k})}{\mathrm{\Δ}{r}_{k+1/2}}---\left(6\right)$

$q_{i,j,k-1/2}=k{R}_{i,j,k-1/2}\mathrm{\Δ}{c}_j\mathrm{\Δ}{v}_k\frac{(h_{i,j,k-1}-h_{i,j,k})}{\mathrm{\Δ}{r}_{k-1/2}}---\left(7\right)$

$q_{i,j-1/2,k}=k{R}_{i,j,k}\mathrm{\Δ}{c}_j\mathrm{\Δ}{v}_k\frac{(h_{i,j-1,k}-h_{i,j,k})}{\mathrm{\Δ}{r}_{j-1/2}}---\left(8\right)$

t_m时刻水位差与时间差的商可由下面获得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{h}_{i,j,k}}{\mathrm{\Δt}}m\≈\frac{h_{i,j,k}^m-h_{i,j,k}^{m-1}}{t_m-t_{m-1}}---\left(9\right)$

可建立的有限差分方程：

${\mathrm{CR}}_{i,j-1,k}(h_{i,j-1,k}^m-h_{i,j,k}^m)+{\mathrm{CR}}_{i,j+1/2,k}(h_{i,j+1,k}^m-h_{i,j,k}^m)$

$+{\mathrm{CC}}_{i-1/2,j,k}(h_{i-1,j,k}^m-h_{i,j,k}^m)+{\mathrm{CC}}_{i+1/2,j,k}(h_{i+1,j,k}^m-h_{i,j,k}^m)$

$+{\mathrm{Cv}}_{i,j,k-1/2}(h_{i,j,k-1}^m-h_{i,j,k}^m)+{\mathrm{CR}}_{i,j,k+1/2}(h_{i,j,k+1}^m-h_{i,j,k}^m)---\left(10\right)$

$+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i,j,k,n}{h}_{i,j,k}^m+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{i,j,k,n}={\mathrm{Ss}}_{i,j,k}\left(\mathrm{\Δ}{r}_j\mathrm{\Δ}{c}_i\mathrm{\Δ}{v}_k\right)\frac{h_{i,j,k}^m-h_{i,j,k}^{m-1}}{t_2-t_1}$

上述公式结合Taylor级数得到最终方程：

${\mathrm{CR}}_{i,j-1,k}(h_{i,j-1,k}^2-h_{i,j,k}^2)+{\mathrm{CR}}_{i,j+1/2,k}(h_{i,j+1,k}^2-h_{i,j,k}^2)$

$+{\mathrm{CC}}_{i-1/2,j,k}(h_{i-1,j,k}^2-h_{i,j,k}^2)+{\mathrm{CC}}_{i+1/2,j,k}(h_{i+1,j,k}^2-h_{i,j,k}^2)$

$+{\mathrm{Cv}}_{i,j,k-1/2}(h_{i,j,k-1}^2-h_{i,j,k}^2)+{\mathrm{CR}}_{i,j,k+1/2}(h_{i,j,k+1}^2-h_{i,j,k}^2)---\left(11\right)$

$+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i,j,k,n}{h}_{i,j,k}^2+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{i,j,k,n}={\mathrm{Ss}}_{i,j,k}\left(\mathrm{\Δ}{r}_j\mathrm{\Δ}{c}_i\mathrm{\Δ}{v}_k\right)\frac{h_{i,j,k}^2-h_{i,j,k}^1}{t_2-t_1}$

依据此理，可以计算出区域内所有点的水位值及其水量，因此获得了地下水分布趋势数据。

在步骤105，根据保水开采条件参数和地下水分布趋势数据，确定每个区块中各工作面的开采顺序。首先，计算各工作面的保水开采条件参数，优选地，计算各工作面的保水危险系数。根据保水开采条件参数确定各工作面的开采顺序，即，先开采保水开采条件好的工作面，例如，计算各工作面的保水危险系数，先开采保水危险系数小的工作面，后开采保水危险系数大的工作面。

优选地，在开采过程中，如果存在两个保水危险系数相同的工作面，或存在两个保水危险系数之差小于阈值的工作面，则需要进一步计算地下水分布趋势数据，例如，采用上述方法计算每个工作面中所有点的水位值及其水量，得出地下水分布趋势。然后选择地下水分布趋势小的工作面优先开采。

图2是采用本发明一种具体实施方式的保水开采方法的实施现场示意图。如图所示，在实际施工中，开采区具有四个区块，即：一采区、二采区、三采区、四采区，采区之间设有巷道。经过对各采区的保水危险系数的计算，四个采区的结果分别是0.12、0.21、0.08、0.18。因此，选择首先开采保水危险系数最小的三采区。在三采区中划分了多个工作面，工作面之间是留存的煤柱。其中经过计算，其中三个工作面A、B、C的保水危险系数相同，因此进一步对地下水分布趋势进行计算，计算得出：工作面A地下水分布趋势变化较小，则确定首先进行工作面A的开采。

尽管本发明是通过上述的优选实施方式进行描述的，但是其实现形式并不局限于上述的实施方式。应该认识到：在不脱离本发明主旨的情况下，本领域技术人员可以对本发明做出不同的变化和修改。

Claims (8)

1.一种保水开采方法，其特征在于，所述方法包括：

a.对开采区进行地质勘察，以获取地质参数；

b.根据所述地质参数，计算保水开采条件参数；

c.根据所述地质参数，计算地下水分布趋势数据；

d.根据保水开采条件参数和地下水分布趋势数据，确定开采区中各区块的开采顺序；

e.根据保水开采条件参数和地下水分布趋势数据，确定每个区块中各工作面的开采顺序。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地质参数包括含水层厚度、渗透系数、单位涌水量、含水层压力、岩性组合、保护层结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保水开采条件参数为保水危险系数，保水危险系数通过下式计算：

T_s＝P/H

式中：T_S-保水危险系数，单位是MPa/m；

P-含水层水压，单位是MPa；

H-有效保护层厚度，m。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤c包括：根据保水开采条件参数，按照保水开采条件的优劣，优先开采保水开采条件更好的区块；对于开采保水开采条件相同的区块，优先开采地下水分布趋势变化更小的区块。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，按照保水危险系数的大小，优先开采保水危险系数更小的区块；对于保水危险系数相同或保水危险系数差值小于阈值的区块，优先开采地下水分布趋势变化更小的区块。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤e包括：根据保水开采条件参数，按照保水开采条件的优劣，优先开采保水开采条件更好的工作面；对于开采保水开采条件相同的工作面，优先开采地下水分布趋势变化更小的工作面。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按照保水危险系数的大小，优先开采保水危险系数更小的工作面；对于保水危险系数相同或保水危险系数差值小于阈值的工作面，优先开采地下水分布趋势变化更小的工作面。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过对水量平衡计算得出地下水分布趋势数据，表示水量平衡的连续性方程为：

$Q_i=S_s\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\ΔV}$

式中：

Q_i——单位时间内进入单元的水量(m³/t)；

S_s——贮水系数(1/m)；

ΔV——单元的体积(m³)

Δh——时间Δt水位变化量(m)。

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