CN107194615A - 煤矿地下水库建设适用性的评价方法 - Google Patents

煤矿地下水库建设适用性的评价方法 Download PDF

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杨永清
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李建华
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鞠金峰
贺艳军
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China Shenhua Energy Co Ltd
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China Shenhua Energy Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种煤矿地下水库建设适用性的评价方法,包括以下步骤:评价水源条件:判断是否满足Q水源≥Q需求;其中,Q水源为地下水库补给水量;Q需求为矿井需求水量;评价通道条件:按照覆岩导水裂隙带的发育高度与地层含水层所处层位的相对位置进行判断,如果所述地层含水层处于所述覆岩导水裂隙带的范围内,则所述地层含水层能够对所述煤矿地下水库进行水源补给;评价库容条件:判断是否满足V储水≥Q需求;其中,V储水为采空区储水空间;如果同时满足水源、通道和库容三种条件,则评价为适用于煤矿地下水库建设;如果有任一条件不满足,则评价为不适用于煤矿地下水库建设。本发明实现了煤矿地下水库保水技术的高效实施与推广。

Description

煤矿地下水库建设适用性的评价方法
技术领域
本发明涉及煤炭开采水资源保护技术领域,尤其涉及一种煤矿地下水库建设适用性的评价方法。
背景技术
我国西部大多是干旱半干旱的水资源匮乏地区,年均降水量低于400mm,但蒸发量却达到2500mm左右。近年来,随着该地区煤炭开采强度的不断加大,导致该地区水域环境及生态系统遭到严重破坏,主要表现为:地下水位下降,河湖萎缩;天然植被枯死,自然生态系统退化;水土流失严重,土地荒漠化加剧。我国西部水资源量仅占全国的1.6%,水资源与生态环境相互作用,互相影响,生态环境十分脆弱,已成为制约西部干旱半干旱地区煤炭可持续开发的重大因素。因此,如何能在煤炭开采的过程中最大限度的防止生态环境遭到破坏、有效保护水资源,是我国西部煤炭开发过程中面临的重大技术问题,也是保水采煤所需解决的关键科学问题。
目前,已有相关发明提出利用煤矿井下采空区作为储水和净化水的空间,依靠采动岩体的破断裂隙作为水源流动的通道,将雨水、地表水、基岩含水层储水等水源收集至采空区建设地下水库,进行矿区水资源的蓄储和循环利用,取得了较大成功(例如:中国专利CN1221479B,煤矿井下采空区水的净化方法,2005;中国专利CN102862775A,一种矿井地下水的分布式存储方法,2013)。然而,事实上并非所有的开采条件下矿井都可采用这种地下水库保水技术,它的实施与建设也存在一定的适用条件。如,若煤层开采引起的覆岩采动裂隙导水通道不会沟通地层含水水源,那么井下采空区所在的地下水库将因缺乏水源补给而无法实现水资源循环利用。因此,为了煤矿地下水库保水技术的高效实施与推广,有必要提出适用于煤矿地下水库建设的评价方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种实现煤矿地下水库保水技术的高效实施与推广的煤矿地下水库建设适用性的评价方法。
本发明的技术方案提供一种煤矿地下水库建设适用性的评价方法,包括以下步骤:
评价水源条件:判断是否满足Q水源≥Q需求
其中,Q水源为地下水库补给水量;
Q需求为矿井需求水量;
评价通道条件:按照覆岩导水裂隙带的发育高度与地层含水层所处层位的相对位置进行判断,如果所述地层含水层处于所述覆岩导水裂隙带的范围内,则所述地层含水层能够对所述煤矿地下水库进行水源补给;
评价库容条件:判断是否满足V储水≥Q需求
其中,V储水为采空区储水空间;
如果同时满足水源、通道和库容三种条件,则评价为适用于煤矿地下水库建设;
如果有任一条件不满足,则评价为不适用于煤矿地下水库建设。
进一步地,所述地下水库补给水量为大气降水、地表水、地下水之和。
进一步地,所述矿井需求水量包括井下煤炭生产、地面工业生产、生活与绿化用水之和。
进一步地,对于干旱、半干旱的缺水矿区,
Q水源=Q雨水+Q地下水
其中,Q雨水为大气降水水量,所述大气降水水量按照矿区全年平均降雨量根据开采面积计算;
Q地下水为地下水资源量,所述地下水资源量根据地质勘查部门对矿区专门出具的水文地质勘探报告进行计算。
进一步地,所述覆岩导水裂隙带的发育高度的判断采用施工钻孔进行测试。
进一步地,所述覆岩导水裂隙带的发育高度的判断利用钻孔冲洗液漏失量观测法。
进一步地,所述采空区储水空间通过以下公式计算得出:
V储水=0.5Lcosα×B×h×δ
其中,L为采空区储水范围对应的走向长度;
α为煤层倾角;
B为采空区倾向宽度;
h为采空区储水的极限储水水位;
δ为储水系数。
进一步地,所述储水系数为0.1-0.2。
采用上述技术方案后,具有如下有益效果:
本发明由于通过对水源、通道和库容三种条件的判断,考虑了利用井下采空区蓄水的地下水库保水技术的适用条件,能够适应不同开采条件煤矿地下水库是否可以实施的决策,可为矿区煤炭开采与水资源保护的协调发展提供保障,可靠性高,实用性强。
附图说明
参见附图,本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解:这些附图仅仅用于说明的目的,而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中:
图1是本发明一实施例中煤矿地下水库建设适用性的评价方法的流程图。
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。
容易理解,根据本发明的技术方案,在不变更本发明实质精神下,本领域的一般技术人员可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此,以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明,而不应当视为本发明的全部或视为对发明技术方案的限定或限制。
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的,它们是相对的概念,因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以,也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
如图1所示,煤矿地下水库建设适用性的评价方法,包括以下步骤:
步骤S101:评价水源条件:判断是否满足Q水源≥Q需求
其中,Q水源为地下水库补给水量;
Q需求为矿井需求水量;
具体为,所述地下水库补给水量为大气降水、地表水、地下水之和。所述矿井需求水量包括井下煤炭生产、地面工业生产、生活与绿化用水之和。
由于地下水库补给水源必须含有充足的水量,以满足矿井各方面的用水需求(包括井下煤炭生产、地面工业生产、生活与绿化等),因此需要对地下水库补给水量是否能够满足矿井需求水量进行评估,如果能够满足Q水源≥Q需求的条件,则进行下面的条件判断;如果不能满足,则评价为不适用于煤矿地下水库建设,不再进行后面条件的判断了。
进一步地,对于干旱、半干旱的缺水矿区,尤其是西部干旱半干旱的缺水矿区,地表水分布稀少,其实际为雨季的大气降水,因此
Q水源=Q雨水+Q地下水
其中,Q雨水为大气降水水量,所述大气降水水量按照矿区全年平均降雨量根据开采面积计算;
Q地下水为地下水资源量,所述地下水资源量根据地质勘查部门对矿区专门出具的水文地质勘探报告进行计算。
步骤S102:评价通道条件:按照覆岩导水裂隙带的发育高度与地层含水层所处层位的相对位置进行判断,如果所述地层含水层处于所述覆岩导水裂隙带的范围内,则所述地层含水层能够对所述煤矿地下水库进行水源补给;
即应使得煤层开采引起的覆岩导水裂隙带发育并沟通水库的补给水源,这样各类水源的大量水资源才能汇聚到地下水库中,才能高效供给水资源的需求。如果所述地层含水层能够对所述煤矿地下水库进行水源补给,则进行下面的条件判断;如果不能满足,则评价为不适用于煤矿地下水库建设,不再进行后面条件的判断了。
其中,所述覆岩导水裂隙带的发育高度的判断采用施工钻孔进行测试,可以利用钻孔冲洗液漏失量观测法。
也可以根据我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出的计算公式,结合矿井具体的开采条件(如采高、覆岩岩性、埋深等)进行确定。
步骤S103:评价库容条件:判断是否满足V储水≥Q需求
即用以储水的工作面采空区内应具有足够的、安全的、并能满足矿井水量需求的储水空间进行水资源储存。
其中,V储水为采空区储水空间;
进一步地,所述采空区储水空间通过以下公式计算得出:
V储水=0.5Lcosα×B×h×δ
其中,L为采空区储水范围对应的走向长度;
α为煤层倾角;
B为采空区倾向宽度;
h为采空区储水的极限储水水位;
δ为储水系数。
其中,采空区储水的极限储水水位主要依据采空区四周的隔离煤柱和人工构筑物的极限承载能力而定,可利用水工建筑学和岩体力学中的相关理论进行计算。
所述储水系数可根据现场采空区的注水与放水试验测试而定,一般取值0.1-0.2。
如果同时满足水源、通道和库容三种条件,则评价为适用于煤矿地下水库建设;如果有任一条件不满足,则评价为不适用于煤矿地下水库建设。
三种条件的判断没有先后顺序,可以选择任一条件先进行判断,如果有其中一个条件不满足,就不再进行其他条件的判断了。
地处内蒙东胜区域的某矿,矿井年均降雨量仅396.0mm,结合矿井计划实施地下水库的开采区域面积计算,全年的平均雨水量可达为693778m3,即平均每天的雨水量为Q雨水=1901m3/d。而对于地下水资源量,根据相关地质勘查部门出具的水文地质勘探报告,煤层开采后的涌水量为3313~5571m3/d,即Q地下水=3313~5571m3/d。由此,矿井若建设地下水库其拥有的补给水源量为Q水源=5214~7472m3/d。而根据该矿的用水需求估算,其用水量将达到4161m3/d(包括生产用水1641m3/d,工业用水492m3/d,生活用水1313m3/d,绿化用水1430m3/d)。由此可见,Q水源≥Q需求,满足“水源”条件。
根据该矿曾经实施的利用地面钻孔进行覆岩“三带”高度探测的结果可知,煤层开采引起的导水裂隙带高度为185.7m,与基岩厚度相同,即导水裂隙已直接沟通至上覆基岩顶界面。由此可见,地层内所有含水层以及地表水、雨水都可通过导水裂隙渗流至井下采空区,满足“通道”条件。
该矿选择已开采完毕的一盘区2个工作面采空区作为地下水库的建设地点,根据相关部门的评价结果,该区域采空区隔离煤柱及人工构筑物所能承受的极限水头值为13.5m,采空区煤层倾角4°,倾向宽581.3m;由此可得储水范围对应采空区走向长度为193.5m。根据采空区实施的注水与放水测试,储水系数为0.2。由此,可计算得出采空区库容量为151504m3。根据矿井的日用水量,该库容量可供矿井用水36.4天。满足“库容”条件。
鉴于上述分析评价,该矿满足了地下水库建设所需的3大条件,可以采用该技术进行水资源保护与利用。
本发明根据矿区具体水文地质与开采条件,通过收集矿水文地质勘探与降雨资料,判断地下水库建设的“水源”条件是否满足;结合井下煤层具体开采参数和覆岩赋存条件,确定采动覆岩导水裂隙带发育高度与地层补给水源的相对位置关系,判断地下水库建设的“通道”条件是否满足;根据采空区极限储水水位的确定进行其内储水空间的计算,判断地下水库建设的“库容”条件是否满足;最后,通过判断3大条件是否能全部满足来确定地下水库保水技术的适用性。
本发明基于煤层地质赋存条件与开采参数对覆岩导水裂隙带发育的影响,分别从补给水源、导水通道、储水容量等3大方面考虑了利用井下采空区蓄水的地下水库保水技术的适用条件,能够适应不同开采条件煤矿地下水库是否可以实施的决策,可为矿区煤炭开采与水资源保护的协调发展提供保障,可靠性高,实用性强。
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 (8)

1.一种煤矿地下水库建设适用性的评价方法,其特征在于,包括以下步骤:
评价水源条件:判断是否满足Q水源≥Q需求
其中,Q水源为地下水库补给水量;
Q需求为矿井需求水量;
评价通道条件:按照覆岩导水裂隙带的发育高度与地层含水层所处层位的相对位置进行判断,如果所述地层含水层处于所述覆岩导水裂隙带的范围内,则所述地层含水层能够对所述煤矿地下水库进行水源补给;
评价库容条件:判断是否满足V储水≥Q需求
其中,V储水为采空区储水空间;
如果同时满足水源、通道和库容三种条件,则评价为适用于煤矿地下水库建设;
如果有任一条件不满足,则评价为不适用于煤矿地下水库建设。
2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库建设适用性的评价方法,其特征在于,所述地下水库补给水量为大气降水、地表水、地下水之和。
3.根据权利要求1所述的煤矿地下水库建设适用性的评价方法,其特征在于,所述矿井需求水量包括井下煤炭生产、地面工业生产、生活与绿化用水之和。
4.根据权利要求1所述的煤矿地下水库建设适用性的评价方法,其特征在于,对于干旱、半干旱的缺水矿区,
Q水源=Q雨水+Q地下水
其中,Q雨水为大气降水水量,所述大气降水水量按照矿区全年平均降雨量根据开采面积计算;
Q地下水为地下水资源量,所述地下水资源量根据地质勘查部门对矿区专门出具的水文地质勘探报告进行计算。
5.根据权利要求1所述的煤矿地下水库建设适用性的评价方法,其特征在于,所述覆岩导水裂隙带的发育高度的判断采用施工钻孔进行测试。
6.根据权利要求5所述的煤矿地下水库建设适用性的评价方法,其特征在于,所述覆岩导水裂隙带的发育高度的判断利用钻孔冲洗液漏失量观测法。
7.根据权利要求1-6任一项所述的煤矿地下水库建设适用性的评价方法,其特征在于,所述采空区储水空间通过以下公式计算得出:
V储水=0.5Lcosα×B×h×δ
其中,L为采空区储水范围对应的走向长度;
α为煤层倾角;
B为采空区倾向宽度;
h为采空区储水的极限储水水位;
δ为储水系数。
8.根据权利要求7所述的煤矿地下水库建设适用性的评价方法,其特征在于,所述储水系数为0.1-0.2。
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