CN106351660B - 一种用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，包括如下步骤：S001：系统获取开采区域内的地质、水文基础数据；S002：确定含水层内需要对地下水进行保护的保护区域和用于地下水聚集的汇集区域，以及确定地下水库的位置；S003：采用在所述保护区域内对所述含水层进行隔离和在所述汇集区域内连通所述含水层与位于所述含水层下方的导水裂隙带的方式，控制所述含水层内的地下水向所述地下水库内渗流。通过隔离保护含水层和引导地下水聚集，可有效利用开采对土壤的疏松效应提高大气降水的收集能力，引导地下水向地下水库区汇集和渗流，扩大地下水库的水资源供给量。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法。
背景技术
我国西部地区赋存着丰富的煤炭资源，但西部晋陕蒙宁甘区域水资源仅占全国的6.8％，属于严重缺水区和生态脆弱区。近年来由于我国煤炭开采形成的大面积沉陷和采空区，导致地下水局部下降，形成了大面积地下水降水漏斗，造成了一系列环境地质问题。据统计，全国每年煤炭开采沉陷面积达到15万平方公里，类比地下水超采形成的地下水漏斗面积比计算，漏斗面积可达0.88倍。
煤矿地下水库是充分利用煤炭开采形成的采空区进行水库建设形成的地下水保存设施。地下水库水的来源包括了赋存在基岩中的裂隙水和第四系松散层的孔隙水，它是经由开采导水裂隙带渗流至采空区形成的地下水，也是地下水库的重要水源，矿井水是地下水库的主要水源。
目前，煤矿地下水库技术已趋成熟，现有技术中的分布式地下水库及其导流方法、分布式地下水库群和地下水库群内矿井水转移方法等方法，还有与地下水库相关的“非字型结构的渗入式地下水库的地表下集水和取水设施”，一种自流式地下水库的取水廊道、山间凹陷地下水库取水方法等，基本解决了矿井水地下存储问题。
但随着开采面积增加，地下水漏斗面积或影响区域逐步扩大，导致地下水库的地下水“汇集”效率降低和地下水资源的调控管理难度增加、地表水土流失加剧、地表生态影响面积增加，造成环境恶化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种用于对地下水资源进行调控的方法，其可以一方面有效维护含水层的“生态”水位或“原态”水位，减少开采对地下水循环系统和地表生态的影响范围，同时强化局部地下水漏斗的汇集效应，实现开采影响区域地下水向汇集区域集中并向对应的地下水库泄流，提高地下水库保有水量和可持续利用功能，对大幅度控制开采对地下水和地表生态的影响作用具有十分显著的效果。
本发明技术方案提供一种用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，包括如下步骤：S001：系统获取开采区域内的地质、水文基础数据；S002：确定含水层内需要对地下水进行保护的保护区域和用于地下水聚集的汇集区域，以及确定地下水库的位置；S003：采用在所述保护区域内对所述含水层进行隔离和在所述汇集区域内连通所述含水层与位于所述含水层下方的导水裂隙带的方式，控制所述含水层内的地下水向所述地下水库内渗流。
进一步地，连通所述含水层与位于所述含水层下方的导水裂隙带的方式包括如下步骤：
在所述汇集区域内从地表向位于所述含水层下方的基岩层施工至少一条垂直钻孔；
所述垂直钻孔的底端位于所述基岩层内的所述导水裂隙带内。
进一步地，将所述汇集区域范围内的含水层和所述基岩层中的全部区域或部分区域压裂，并形成与所述垂直钻孔连通的汇集区域压裂裂隙。
进一步地，在水平方向上，相邻的两条所述垂直钻孔之间的全部或部分所述汇集区域压裂裂隙贯通。
进一步地，对所述含水层进行隔离的方式包括如下步骤：确定需要建立的隔离层的层位；在所述保护区域内通过人造隔离层的方法建造至少一层所述隔离层。
进一步地，所述隔离层的建造方法包括：在所述保护区域内从地表向所述含水层的下方施工至少一条水平压裂钻孔；向所述水平压裂钻孔内注入注浆液，所述注浆液被驱至因压裂而产生的压裂裂隙及与所述压裂裂隙导通的导水裂隙带内；在所述注浆液凝固后，形成所述隔离层。
进一步地，还包括如下步骤S004：评价开采区域内地下水汇集效果和大气降水对所述地下水库的水资源补给量。
进一步地，还包括如下步骤：建立地下水位观测系统；在所述地下水库的中心区域建立地下水位观测钻孔；结合所述地下水位观测系统及所述地下水位观测钻孔，建立所述地下水库区域内的地下水库水位观测系统；定期采集地下水流场变化数据。
进一步地，所述含水层中包含有含水层低洼区域；位于所述含水层下方的基岩层中包含有与所述含水层低洼区域在水平方向上重叠的基岩层低洼区域；还包括如下步骤：将所述地下水库的中心区域布置在所述基岩层低洼区域的下方；将所述汇集区域布置在所述含水层低洼区域内。
进一步地，还包括如下步骤：对所述开采区域进行划分，划分为多个开采分区；在对所述含水层进行隔离时，在完成一个所述开采分区内的施工后，再进行下一个所述开采分区的施工。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
利用煤炭开采形成的汇集区域或地下水漏斗现象，采用人工引导方法，通过调控开采对含水层或含水层的影响区域，借助开采影响和含水层的导流作用，实现大气降雨水资源的大面积收集、含水层过滤净化、向地下水库输入的过程，确保了地下水库的水源供给。
由于大幅度提高了“原态”水位的范围，有效降低了煤炭开采的地表生态影响范围；通过人造隔水层阻断渗流，降低了地下水库的来自采空区水源的污染风险，节约了处理成本；利用含水层自然流场和岩石自然净化作用，有效引导影响区域大气降水向汇集区域汇流，直至汇流入地下水库，扩大了地下水库的水资源供给量，可持续发挥煤矿地下水库的储水功能。
附图说明
图1为本发明提供的用于对地下水资源进行调控的方法的步骤示意图；
图2为在保护区域下方形成有隔离层的剖视图；
图3为在汇集区域施工有垂直钻孔的示意图；
图4为含水层中的保护区域和汇集区域关系示意图；
图5为在保护区域内，施工水平压裂钻孔形成隔离层的示意图。
附图标记对照表：
1-地表； 2-含水层； 21-保护区域；
22-汇集区域； 3-基岩层； 31-导水裂隙带；
4-地下水库； 5-采空区； 6-水平压裂钻孔；
61-垂直段钻孔； 62-弯曲段钻孔； 63-水平段钻孔；
7-隔离层； 8-泄水漏斗； 9-大气降水观测站；
10-垂直钻孔； 100-开采分区。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1-2和图4所示，本发明一实施例提供的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，包括如下步骤：
S001：系统获取开采区域内的地质、水文基础数据。
S002：确定含水层2内需要对地下水进行保护的保护区域21和用于地下水聚集的汇集区域22，以及确定地下水库4的位置。
S003：采用在保护区域21内对含水层2进行隔离和在汇集区域22内连通含水层2与位于含水层2下方的导水裂隙带31的方式，控制含水层2内的地下水向地下水库4内渗流。
本发明提供的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，主要用于对地下水资源进行调控。
在地表1的下方依次有含水层2和基岩层3，在开采煤层时，形成有采空区5，地下水库4位于基岩层3的下方，并由采空区5形成。基岩层3内在开采过程中形成有导水裂隙带31。
为了对含水层2的大部分区域进行有效保护，并对其内部的水进行有效引导，则需要确定含水层2中的保护区域21和汇集区域22，并使得汇集区域22在垂直方向上的投影位于地下水库4内。
综合分析开采区域地下水补-径-排关系，来确定保护区域21、汇集区域22和地下水库4的位置。
汇集区域22是在开采过程中形成的地下水漏斗，例如图2所示的泄水漏斗8的顶部投影对应在含水层2内的区域即为汇集区域22。
可以采用物探和钻探和测井相结合方法，获得采动前—采动后—垂直压裂后—稳定后等多期次高密度电法、钻探观测和验证数据，分析汇集区域22的渗流变化，获得汇集区域聚集周围开采影响区域的地下水向泄水漏斗8的“汇集”效果。
为了避免保护区域21的水流渗入下方的基岩层3或采空区5，采用在保护区域21内对含水层2进行隔离的方式，将保护区域21与基岩层3或基岩层3内的导水裂隙带31隔离，从而对保护区域21内的地下水通过隔离层7进行有效阻断，避免直接渗入基岩层的导水裂隙带31内。保护区域21内的地下水如图4所示从四周向汇集区域22流动，经过在汇集区域22的下方的基岩层3内的泄水漏斗8的导水裂隙带，最终将保护区域21内的地下水缓慢渗入至地下水库4内。
为了提高汇集区域22与地下水库4之间连通性，采用在汇集区域22内连通含水层2与导水裂隙带31的方式，将汇集区域22内的地下水与导水裂隙带31进一步连通，通过导水裂隙带31渗入地下水库4内。
因此，本发明是通过采用在保护区域21内对含水层2进行隔离和在汇集区域22内连通含水层2与位于含水层2下方的导水裂隙带31的方式，实现了控制含水层2内的地下水向地下水库4内定向有序渗流。
通过上述方式，保护区域21上方的地表1作为地表生态保护区域，其保持原态的地下水位和保证了地表生态平衡，汇集区域22上方的地表1，由于地下水位下降，地表生态需要重点修复。
采用该种方案，大幅度提高了保护区域21内的“原态”水位的范围，有效降低了煤炭开采的地表生态影响范围，大大缩小了需要重点修复的区域，保证了地下水生态平衡。
通过隔离保护含水层2和引导地下水汇集，可有效利用开采对土壤的疏松效应提高大气降水的收集能力和地下水资源量，并引导地下水向汇集区汇流，扩大了地下水库4的水资源供给量。
利用含水层2自然流场和岩石自然净化作用，降低了地下水库4的采空区水源的污染风险，节约了处理成本。
在步骤S001中包括：
系统探查或收集开采区域内的矿区地质和水文地质数据，获得开采区域内的地层及岩性组合关系。
采用钻探验证和实验分析方法获得采动煤层的覆岩物理特性数据和含水层的组成及渗流特性数据，以便选取合适的地下水库的位置。
在步骤S001中还包括：
根据水文地质数据，结合物探与钻孔观测，获得开采区域的含水层的分布区、地下水分布特征和流动规律，以便选取合适的保护区域和汇集区域的位置。
垂直钻孔：
较佳地，如图3所示，连通含水层2与位于含水层2下方的导水裂隙带31的方式包括如下步骤：
在汇集区域22内从地表1向位于含水层2下方的基岩层3施工至少一条垂直钻孔10，垂直钻孔10的底端位于基岩层3内的导水裂隙带31内。
从而将汇集区域22与导水裂隙带31连通，提高了汇集区域22与地下水库4之间的连通性。
较佳地，将汇集区域22范围内的含水层2底部至导水裂隙带的基岩层3中的全部区域或部分区域压裂，并形成与垂直钻孔10连通的汇集区域压裂裂隙，提高汇集区域22的含水层2与导水裂隙带31的连通性。
优选地，在水平方向上，相邻的两条垂直钻孔10之间的全部或部分汇集区域压裂裂隙贯通。
在采煤工作面回采时，开采煤层上方的岩石会下落形成冒落带，在此过程中，基岩层3部分区域会变形或塌落，形成基岩裂隙，从而形成导水裂隙带31，导水裂隙带31的基岩裂隙中含有大量的裂隙水。
将压裂深度范围控制在含水层2的底部至基岩层3中的导水裂隙带31的裂隙带底部范围，将压裂水平范围控制使相邻的两条垂直钻孔10之间的汇集区域压裂裂隙相接贯通，增加了汇集区域22下方的导水裂隙带31的高度和导水裂隙网络连通性，提高含水层2的地下水向地下水库4的渗流能力。
隔离层：
较佳地，如图5所示，对含水层2进行隔离的方式包括如下步骤：
确定需要建立的隔离层7的层位；
在保护区域内通过人造隔离层的方法建造至少一层隔离层7。
通过形成该隔离层7，可以避免基岩层3中的裂隙发育到含水层2中或阻断导水裂隙带的裂隙渗流通道，从而保护上方含水层2中的孔隙水不会经由导水裂隙带流入采空区5中，维持了原态水位使保护区域内的水资源可以保持生态平衡。
其中，根据采动覆岩的岩性组合及与含水层的关系和导水裂隙带31高度确定隔离层7的层位或位置。
较佳地，如图5所示，隔离层7的建造方法包括：
在保护区域21内，从地表1向含水层2的下方施工至少一条水平压裂钻孔6。
向水平压裂钻孔6内注入注浆液，注浆液被驱至因压裂而产生的压裂裂隙及与压裂裂隙导通的导水裂隙带31内。
在注浆液凝固后，形成隔离层7。
首先设计并施工水平压裂钻孔6，然后向水平压裂钻孔6内注入注浆液，在一定压力下，注浆液可以流入水平压裂钻孔6中或通过水平压裂钻孔6流入裂隙中。在一定时间后，注浆液凝固，之后形成隔离层7，其隔离在含水层2与基岩层3之间，或位于基岩层3内，将位于隔离层7上方的含水层2和位于隔离层7下方的基岩层3有效封闭。
水平压裂钻孔6为水平钻孔被主动压裂后所形成的钻孔，在地表对水平钻孔进行压裂的过程中，在设计隔离层7中会形成压裂裂隙，其导通在水平压裂钻孔6控制的压裂裂隙区域与导水裂隙带31之间，由此，在注浆液被压力驱动时，其可以延伸至压裂裂隙及与压裂裂隙导通的导水裂隙带31内，以对保护区域21内的地下水进行有效隔离保护。
上述步骤以压(压裂钻水平压裂钻孔)—采(采煤工作面回采)—注(向水平压裂钻孔内注入注浆液)的方式循环推进。
形成隔离层7的方法还包括如下步骤：
将保护区域21内的隔离层7的部分区域或全部区域压裂造缝，并在隔离层7中形成与水平压裂钻孔6连通的保护区域压裂裂隙。
注浆液流入压裂裂隙中，并在压裂裂隙中凝固形成隔离层7。
通过压裂设备在地表1将隔离层7所处的指定层位压裂，形成有保护区域压裂裂隙层，该过程是对指定层位的主动压裂。
保护区域压裂裂隙中的全部裂隙或部分裂隙与压裂钻孔6连通，从而在将注浆液注入压裂钻孔6内时，注浆液会流入保护区域压裂裂隙和相连的导水裂隙带中，并在保护区域压裂裂隙中凝固形成隔离层7，提高了隔离效果。
形成隔离层7的方法还包括如下方案：
注浆液在保护区域压裂裂隙内的水平方向流动速度大于其垂直方向流动速度，从而使得注浆液沿着水平方向快速流动延伸形成水平隔离在导水裂隙带31与含水层2之间的隔离层7。
如图5所示，水平压裂钻孔6包括依次形成的垂直段钻孔61、弯曲段钻孔62和水平段钻孔62。垂直段钻孔61从地表1向下延伸至含水层2的下方，水平段钻孔63在含水层2的下方水平延伸，弯曲段钻孔62连接在垂直段钻孔61与水平段钻孔63之间。
较佳地，本发明一实施例提供的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，还包括如下步骤：
S004：评价开采区域内地下水汇集效果和大气降水对所述地下水库的水资源补给量。
具体地，包括：
建立大气降水观测站9，在大气降水期间连续采集大气降水数据，获得大气降水汇集特点和水资源量分析依据。
利用大气降水观测站9、地下水位观测系统，结合物探及钻探方法进行的定期探测，评价开采区域内大气降水的渗流效果和地下水库内的水资源补给量。
观测地下水位变化，采用体积法获得开采区域内的地下水向地下水库4的补给量；观测地下水库内的水位变化和输出量，应用水库储水系数计算地下水库的水资源量，评价开采区域内的地下水和大气降水对地下水库4的水资源量补给效果，可以从宏观上调控对地下水库4的补给和输出。
较佳地，本发明一实施例提供的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，还包括如下步骤：
建立地下水位观测系统。
在地下水库4的中心区域建立地下水位观测钻孔。
结合地下水位观测系统及地下水位观测钻孔，建立地下水库区域内的地下水库水位观测系统。
定期采集地下水流场变化数据。
定时和定期采集地下水流场变化数据。采集手段分为人工和自动两种方式，一般设定每周(人工)或每天(自动)记录1次数据，通过数字设备导入数据库，汇集不同时期和不同格式的多源数据，作为大气降雨资源分析和初始水文地质条件依据。
较佳地，含水层2中包含有含水层低洼区域；基岩层3中包含有与含水层低洼区域在水平方向上重叠的基岩层低洼区域。
本发明一实施例提供的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，还包括如下步骤：
将地下水库4的中心区域布置在基岩层低洼区域的下方，将汇集区域22布置在含水层低洼区域内，利于水流汇集至汇集区域22，并最终渗流至地下水库4。
较佳地，本发明一实施例提供的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，还包括如下步骤：
对开采区域进行划分，划分为多个开采分区100。
在对含水层2进行隔离时，在完成一个开采分区100内的施工后，再进行下一个开采分区100的施工，最终完成整个开采区域的施工。
综上所述，本发明提供的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，利用煤炭开采形成的汇集区域或地下水漏斗现象，采用人工引导方法，通过隔离保护含水层和引导地下水向汇集区聚集，可有效利用开采对土壤的疏松效应提高大气降水的收集能力和地下水资源量，扩大地下水库的水资源供给量。
利用含水层自然流场和岩石自然净化作用，降低了地下水库采空区水源的污染风险，节约了处理成本。
根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S001：系统获取开采区域内的地质、水文基础数据；
S002：确定含水层内需要对地下水进行保护的保护区域和用于地下水聚集的汇集区域，以及确定地下水库的位置；
S003：采用在所述保护区域内对所述含水层进行隔离和在所述汇集区域内连通所述含水层与位于所述含水层下方的导水裂隙带的方式，控制所述含水层内的地下水向所述地下水库内渗流；
其中，对所述含水层进行隔离的方式包括如下步骤：
确定需要建立的隔离层的层位；
在所述保护区域内通过人造隔离层的方法建造至少一层所述隔离层。
2.根据权利要求1所述的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，
连通所述含水层与位于所述含水层下方的导水裂隙带的方式包括如下步骤：
在所述汇集区域内从地表向位于所述含水层下方的基岩层施工至少一条垂直钻孔；
所述垂直钻孔的底端位于所述基岩层内的所述导水裂隙带内。
3.根据权利要求2所述的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，
将所述汇集区域范围内的含水层和所述基岩层中的全部区域或部分区域压裂，并形成与所述垂直钻孔连通的汇集区域压裂裂隙。
4.根据权利要求3所述的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，
在水平方向上，相邻的两条所述垂直钻孔之间的全部或部分所述汇集区域压裂裂隙贯通。
5.根据权利要求1所述的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，
所述隔离层的建造方法包括：
在所述保护区域内从地表向所述含水层的下方施工至少一条水平压裂钻孔；
向所述水平压裂钻孔内注入注浆液，所述注浆液被驱至因压裂而产生的压裂裂隙及与所述压裂裂隙导通的导水裂隙带内；
在所述注浆液凝固后，形成所述隔离层。
6.根据权利要求1所述的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S004：评价开采区域内地下水汇集效果和大气降水对所述地下水库的水资源补给量。
7.根据权利要求1所述的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
建立地下水位观测系统；
在所述地下水库的中心区域建立地下水位观测钻孔；
结合所述地下水位观测系统及所述地下水位观测钻孔，建立所述地下水库区域内的地下水库水位观测系统；
定期采集地下水流场变化数据。
8.根据权利要求1所述的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，
所述含水层中包含有含水层低洼区域；位于所述含水层下方的基岩层中包含有与所述含水层低洼区域在水平方向上重叠的基岩层低洼区域；
还包括如下步骤：
将所述地下水库的中心区域布置在所述基岩层低洼区域的下方；
将所述汇集区域布置在所述含水层低洼区域内。
9.根据权利要求1所述的用于煤炭开采区域对地下水资源进行调控的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
对所述开采区域进行划分，划分为多个开采分区；
在对所述含水层进行隔离时，在完成一个所述开采分区内的施工后，再进行下一个所述开采分区的施工。
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