CN108316924B - 一种保水采煤矿井/矿区等级划分方法 - Google Patents
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Abstract
一种保水采煤矿井/矿区等级划分方法，属于煤炭开采领域，解决了现有技术中无法直观的对矿区内各矿井进行保水采煤等级划分的问题。以矿井为计算单元，计算吨煤水资源量，根据吨煤水资源量分布与吨煤消耗水资源量的关系将研究区内的矿井划分为不同类型，形成矿井吨煤水资源存储量等级图；根据浅表层水漏失量与浅表层水补给量关系确定的保护层厚度，将研究区内的矿井划分不同环境工程地质模式，形成矿井环境工程地质模式分布图；最终进行研究区矿井保水采煤矿井/矿区等级划分。本发明使用的划分方法简单实用，针对性的对矿井保水采煤等级进行了直观划分，为矿区选择开采方式提供了依据，对西北生态环境脆弱区保水采煤具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采领域，尤其是涉及一种保水采煤矿井/矿区等级划分方法。
背景技术
我国西部属干旱－半干旱地区，水资源量总体严重不足，生态地质环境脆弱，给区域经济和社会发展带来严重制约和影响。在区域地形地貌和地层条件适宜时，形成的浅表层水是非常值得珍惜的水资源。如陕北煤田毛乌素沙漠滩地大面积分布的上更新统萨拉乌苏组(Q3s)砂层潜水、黄土沟壑分布区大气降雨形成的径流水、地面水库(海子)等。另外，我国西部侏罗纪煤田资源储量极大，而且煤质好，开采前景广阔。由于我国东部地区煤炭资源在逐渐枯竭，煤炭生产战略西移会不断加快，所以西部煤炭采量会逐年攀升，未来西部地区煤炭产量将占全国煤炭总产量的70％以上。但十多年来的采煤造成该区浅表层水资源大范围破坏、沟谷断流，泉水及湖泊水量减少甚至干涸，造成工农业用水困难，地表干旱、植被枯萎和荒漠化加剧等次生生态地质灾害。因此对矿区保水采煤的研究成为保护干旱－半干旱地区生态环境的重要课题。
近些年来，国内地质界针对西部侏罗纪煤田保水采煤问题开展了大量研究工作，探讨了保水采煤的对策和方法，提出了保水采煤的核心是生态水位保护的新观点。关于如何处理好煤炭开采与地下水的协调关系，采取更合理的采煤方法和工程措施来实现保水采煤，即关于保水程度及保水采煤的途径等问题还需要进一步研究。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种保水采煤矿井/矿区等级划分方法，为西北地区保水采煤开采提供基础依据。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种保水采煤矿井/矿区等级划分方法，包括以下步骤：
步骤一、获取矿区内各矿井地质和水文地质资料；
步骤二、以矿井为计算单元，计算矿区内各矿井的吨煤水资源量；
步骤三、根据步骤二中计算的吨煤水资源量将矿井划分为不同的浅表层水资源类型，形成矿井吨煤水资源存储量等级图；
步骤四、根据煤层厚度和顶板岩层坚硬程度计算导水裂缝带高度，获得残余土层厚度；
步骤五、根据浅表层水漏失量与浅表层水补给量关系确定保护层厚度，将所述保护层厚度与步骤四所述残余土层厚度进行比较，对矿井进行保水采煤环境工程地质模式划分，形成矿井环境工程地质模式分布图；
步骤六、将步骤三所述矿井吨煤水资源存储量等级图和步骤五所述矿井环境工程地质模式分布图叠加，对矿区保水采煤矿井/矿区进行等级划分。
进一步地，步骤一所述地质和水文地质资料包括土层厚度、煤层厚度、煤层埋深、基岩厚度、顶板岩层坚硬程度、地表水动态监测点数据和钻孔揭露的含水层资料。
进一步地，步骤一具体为：采用钻探、物探及原位监测的方法获得土层厚度、煤层厚度、煤层埋深、基岩厚度、地表水动态监测点数据和钻孔揭露的含水层资料；通过室内岩石力学实验方法获取顶板岩层坚硬程度。
进一步地，步骤二以矿井为计算单元，计算矿区内各矿井的吨煤水资源量具体包括以下步骤：
步骤2.1、分别确定对矿井有直接的供水意义和生态价值的浅表层水资源，包括地表水系水资源和潜水水资源，根据步骤一中获取的水文地质资料，分别计算所述地表水系水资源单位面积静储存量和潜水水资源单位面积静储存量；
步骤2.2、根据步骤2.1的结果，计算矿井浅表层水资源单位面积总储存量；
步骤2.3、根据煤层钻孔数据，计算各矿井的首采煤层单位面积可采储存量；
步骤2.4、以矿井为计算单元，计算步骤2.2所述矿井浅表层水资源单位面积总储存量与步骤2.3所述首采煤层单位面积可采储存量的比值，所述比值即为矿井的吨煤水资源量。
进一步地，步骤2.1中分别计算所述地表水系水资源和潜水水资源的单位面积静储存量，具体为：根据每条河流的水资源静储量计算河流水资源静总储存量；计算潜水地下水的容积储存量W容；根据结果计算地表水系水资源单位面积静储存量和潜水水资源单位面积静储存量，其中，
每条河流的水资源静储量计算公式为：Qj＝Q×L/V，式中Qj为每条河流静储量，Q为流量，L为河流长度，V为流速；
潜水地下水容积储存量的计算公式为：W容＝μ·V，式中W容为地下水的容积储存量；μ为含水介质的给水度，无因次；V为潜水含水层的体积。
进一步地，步骤三所述浅表层水资源类型包括吨煤浅表层水资源贫乏型、吨煤浅表层水资源中等型和吨煤浅表层水资源丰富型，
当矿井的吨煤水资源量大于等于开采吨煤消耗水资源量最大值时，所述矿井为吨煤浅表层水资源丰富型矿井；
当矿井的吨煤水资源量大于开采吨煤消耗水资源量最小值，且小于开采吨煤消耗水资源量最大值时，所述矿井为吨煤浅表层水资源中等型矿井；
当矿井的吨煤水资源量小于开采吨煤消耗水资源量最小值时，所述矿井为吨煤浅表层水资源贫乏型矿井。
进一步地，步骤四具体为，根据获得的煤层厚度和顶板岩层坚硬程度，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》推荐的导水裂缝带高度预计公式计算矿井导水裂缝带高度，通过矿井导水裂缝带高度与矿区煤层埋深叠加分析，结合基岩厚度和土层厚度分析，确定导水裂缝带以上土层厚度，所述土层厚度即为残余土层厚度。
进一步地，步骤五具体为：采集开采区含隔水层渗透系数和浅表层水水头这些水文地质参数，根据浅表层水漏失量与沉降引起的侧向补给增加流量关系确定的保护层厚度为环境友好型与环境渐变恢复型阈值；根据浅表层水漏失量与一个水文年浅表层水补给量的关系确定的保护层厚度为环境渐变恢复型与环境渐变恶化型阈值；保护层厚度等于零为环境渐变恶化型与环境灾变型阈值；根据步骤四所述残余土层厚度与各阈值的比较结果，确定矿井保水采煤环境工程地质模式类型。
进一步地，环境友好型与环境渐变恢复型阈值、环境渐变恢复型与环境渐变恶化型阈值通过计算，式中M为保护层厚度，ΔQ为沉降引起侧向补给增加流量或一个水文年浅表层水补给量，K为隔水土层渗透系数，ΔH为渗透水压力差，F为渗透面积，t为渗透时间。
进一步地，步骤六具体为，环境渐变恢复型和环境友好型的矿井为正常开采矿井类型；吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源丰富型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为一级保水采煤矿井；吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源中等型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为二级保水采煤矿井；吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源贫乏型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为三级保水采煤矿井。
本发明有益效果如下：
现有技术中没有关于保水采煤矿井/矿区等级划分的方法，针对该不足，本发明提供的保水采煤矿井/矿区等级划分方法，直观的对矿区内各矿井进行保水采煤等级划分，矿区可根据矿井保水采煤等级制定相应的保水开采方案，处理好煤炭开采与地下水的协调关系，采取更合理的采煤方法和工程措施来实现保水采煤，从而将开采造成的生态环境破坏降到最低。
本发明使用的划分方法简单实用，根据矿区前期勘查成果，预先评价煤炭开采对浅表层水资源的影响程度，即进行保水采煤矿井/矿区等级划分，可为矿区规划及开采方式选择等工作提取基础依据，对实现干旱-半干旱区生态环境保护开采及西北生态环境脆弱区保水采煤具有重要意义。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明方法实施流程图；
图2为依据本发明方法对西北某井田矿井吨煤浅表层水资源富水性划分的结果；
图3为依据本发明方法对西北某井田矿井保水采煤环境工程地质模式划分的结果；
图4为依据本发明方法对西北某井田保水采煤矿井等级划分的结果。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为一种保水采煤矿井/矿区等级划分方法，包括如下步骤：
1.收集矿区内各矿井地质、水文地质资料。
该步骤具体为：采用钻探、物探及原位监测的方法获得土层厚度、煤层厚度、煤层埋深、基岩厚度、顶板岩层坚硬程度、地表水动态监测点数据和钻孔揭露的含水层资料等，所述顶板岩层坚硬程度通过室内岩石力学实验方法获取。
2.以矿井为计算单元，计算矿区内各矿井的吨煤水资源量，即矿井浅表层水资源单位面积(1km2)总储存量和首采煤层单位面积(1km2)可采储存量的比值。
该步骤具体包括：
A.依据如下公式分别计算各类浅表层水资源单位面积(1km2)的静储存量；再基于ArcGIS空间分析功能，计算矿井浅表层水资源单位面积(1km2)总储存量；
B.基于ArcGIS平台，利用煤层钻孔数据，对各矿井首采煤层单位面积(1km2)可采储存量分别计算；
C.计算各矿井吨煤水资源量。
各个河流的静储量为：
Qj＝Q×L/V
式中，Qj为河流静储量(单位为m3)；Q为流量(单位为L/s)；L为河流长度(单位为m)；V为流速(单位为m/s)。
潜水地下水容积储存量为：
W容＝μ·V
式中，W容为地下水的容积储存量(单位为m3)；μ为含水介质的给水度，无因次；V为潜水含水层的体积(单位为m3)。
3.根据吨煤水资源量分布与矿井开采吨煤消耗水资源量的关系将矿井划分为吨煤浅表层水资源贫乏型、吨煤浅表层水资源中等型和吨煤浅表层水资源丰富型，形成矿井吨煤水资源存储量等级图。
该步骤具体为：将吨煤水资源量大于等于开采吨煤消耗水资源量最大值的矿井划为吨煤浅表层水资源丰富型；将吨煤水资源量大于开采吨煤消耗水资源量最小值且小于开采吨煤消耗水资源量最大值的矿井划为吨煤浅表层水资源中等型；将吨煤水资源量小于等于开采吨煤消耗水资源量最小值的矿井划为吨煤浅表层水资源贫乏型。根据现有经验可将开采吨煤消耗水资源量最大值设置为5m3/t，开采吨煤消耗水资源量最小值设置为1m3/t。
4.根据煤层厚度和顶板岩层坚硬程度计算导水裂缝带高度，分析获得残余土层厚度。
该步骤具体为：根据获得的煤层厚度和顶板岩层坚硬程度，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》推荐的导水裂缝带高度预计公式计算研究区导水裂缝带高度，具体见表1。
表1厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式
注：∑M为累计采厚；公式应用范围：单层厚度1～3m，累计采厚不超过15m；计算公式中±号项为中误差。
通过矿井导水裂缝带高度与矿区煤层埋深叠加分析，结合基岩厚度和土层厚度分析，确定导水裂缝带以上土层厚度，即为残余土层厚度。
5.将步骤4获得的残余土层厚度与根据浅表层水漏失量与浅表层水补给量关系确定的保护层厚度进行比较，将矿井划分为环境灾变型、环境渐变恶化型、环境渐变恢复型及环境友好型，形成矿井环境工程地质模式分布图。
该步骤具体为：采集开采区含隔水层渗透系数、浅表层水水头等水文地质参数，根据浅表层水漏失量与沉降引起的侧向补给增加流量关系确定的保护层厚度作为环境友好型与环境渐变恢复型阈值；根据浅表层水漏失量与一个水文年浅表层水补给量的关系确定的保护层厚度作为环境渐变恢复型与环境渐变恶化型阈值；将保护层厚度等于零作为环境渐变恶化型与环境灾变型阈值。环境友好型与环境渐变恢复型阈值、环境渐变恢复型与环境渐变恶化型阈值通过下式计算：
式中，M为保护层厚度(单位为m)；ΔQ为沉降引起侧向补给增加流量或一个水文年浅表层水补给量(单位为m3)；K为隔水土层渗透系数(单位为m/d)；ΔH为渗透水压力差(单位为m)；F为渗透面积(单位为m2)；t为渗透时间(单位为d)。
6.基于ArcGIS平台，根据矿井吨煤水资源存储量分布和矿井环境工程地质模式分布的关系，将矿区保水采煤矿井/矿区等级划分为一级保水采煤矿井、二级保水采煤矿井、三级保水采煤矿井和正常开采矿井。
该步骤具体为：将环境渐变恢复型和环境友好型的矿井为正常开采矿井类型；将吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源丰富型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为一级保水采煤矿井；将吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源中等型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为二级保水采煤矿井；将吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源贫乏型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为三级保水采煤矿井。
下面结合实施例对本发明作出进一步的说明。
实施例
榆神矿区所在区域属于干旱-半干旱区(年平均降水量小于500mm)。井田具有直接的供水意义和生态价值的水资源为地表水系和萨拉乌苏组砂层潜水。对于地表水系水资源单位面积(1km2)储存量，首先基于下列公式分别计算各河流水资源静总储存量，进而计算每个河流单位面积(1km2)的储存量。
各个河流的静储量为：
Qj＝Q×L/V
式中，Qj为河流静储量(单位为m3)；Q为流量(单位为L/s)；L为河流长度(单位为m)；V为流速(单位为m/s)。
对于萨拉乌苏组砂层潜水水资源单位面积(1km2)储存量，统计矿区的钻孔资料，整理萨拉乌苏组潜水含水层厚度，并基于ArcGIS空间分析功能计算潜水含水层厚度分布规律，计算公式如下式：
W容＝μ·V
式中，W容为地下水的容积储存量(单位为m3)；μ为含水介质的给水度，无因次；V为潜水含水层的体积(单位为m3)。
基于上述地表水系和萨拉乌苏组砂层潜水的单位面积(1km2)储存量的分析、计算，在ArcGIS空间分析功能中将其累加计算矿区水资源单位面积(1km2)总储存量。
根据地区经验，煤层体重取1.35t/m3。利用煤层钻孔数据，在Sufer中插值生成grd文件，用ArcGIS读取grd文件，计算矿井首采煤层单位面积(1km2)可采储量。
计算吨煤水资源量并将吨煤水资源量大于等于开采吨煤消耗水资源量最大值(5m3/t)的矿井划为吨煤浅表层水资源丰富型；将吨煤水资源量大于开采吨煤消耗水资源量最小值(1m3/t)且小于开采吨煤消耗水资源量最大值(5m3/t)的矿井划为吨煤浅表层水资源中等型；将吨煤水资源量小于等于开采吨煤消耗水资源量最小值(1m3/t)的矿井划为吨煤浅表层水资源贫乏型，形成矿井吨煤水资源存储量等级图，见图2。
以矿区某井田为研究对象，首采煤层为2-2煤，煤层埋深194.5～401.2m，煤厚为2.70～9.86m，基岩厚度158.0～360.0m，隔水土层厚度为0～139.50m。隔水土层渗透系数为0.007m/d。按首采工作面考虑，煤层平均厚度约4.75m，煤层埋深约370m，工作面推进约220m时达到充分采动，地表下沉系数取0.7，经计算潜水最大降深约为3.3m，浅层含水层渗透系数K为3.73m/d，利用达西定律Q＝KAJ，式中为A为垂直于水流方向的截面积，J为水力梯度，经过计算，求得侧向补给的增加流量Q为6.9m3/h。根据常年区域水位观测结果，一水文年中区域的潜水水位波动ΔH约0.5m，一个水文年地表河流丰水期与枯水期水位差ΔH约为1.4m，计算工作面一个水文年浅表层水补给量为120888.5m3，代入上式中确定矿区内各矿井的分区标准，见表2所示。根据分区标准，矿井保水采煤环境工程地质模式划分结果如图3所示。
表2分区标准
基于ArcGIS平台，将矿井吨煤水资源存储量等级图和矿井环境工程地质模式分布图叠加，形成矿区保水采煤矿井(区)等级图，如图4所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种保水采煤矿井/矿区等级划分方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取矿区内各矿井地质和水文地质资料；
步骤二、以矿井为计算单元，计算矿区内各矿井的吨煤水资源量；
步骤三、根据步骤二中计算的吨煤水资源量将矿井划分为不同的浅表层水资源类型，形成矿井吨煤水资源存储量等级图；
步骤四、根据煤层厚度和顶板岩层坚硬程度计算导水裂缝带高度，获得残余土层厚度；
步骤五、根据浅表层水漏失量与浅表层水补给量关系确定保护层厚度，将所述保护层厚度与步骤四所述残余土层厚度进行比较，对矿井进行保水采煤环境工程地质模式划分，形成矿井环境工程地质模式分布图；
步骤六、将步骤三所述矿井吨煤水资源存储量等级图和步骤五所述矿井环境工程地质模式分布图叠加，对矿区保水采煤矿井/矿区进行等级划分；
所述步骤二以矿井为计算单元，计算矿区内各矿井的吨煤水资源量具体包括以下步骤：
步骤2.1、分别确定对矿井有直接的供水意义和生态价值的浅表层水资源，包括地表水系水资源和潜水水资源，根据步骤一中获取的水文地质资料，分别计算所述地表水系水资源单位面积静储存量和潜水水资源单位面积静储存量；
步骤2.2、根据步骤2.1的结果，计算矿井浅表层水资源单位面积总储存量；
步骤2.3、根据煤层钻孔数据，计算各矿井的首采煤层单位面积可采储存量；
步骤2.4、以矿井为计算单元，计算步骤2.2所述矿井浅表层水资源单位面积总储存量与步骤2.3所述首采煤层单位面积可采储存量的比值，所述比值即为矿井的吨煤水资源量；
所述步骤2.1中分别计算所述地表水系水资源和潜水水资源的单位面积静储存量，具体为：根据每条河流的水资源静储量计算河流水资源静总储存量；计算潜水地下水的容积储存量W容；根据结果计算地表水系水资源单位面积静储存量和潜水水资源单位面积静储存量，其中，
每条河流的水资源静储量计算公式为：Qj＝Q×L/V，式中Qj为每条河流静储量，Q为流量，L为河流长度，V为流速；
潜水地下水容积储存量的计算公式为：W容＝μ·V，式中W容为地下水的容积储存量；μ为含水介质的给水度，无因次；V为潜水含水层的体积。
2.根据权利要求1所述保水采煤矿井/矿区等级划分方法，其特征在于，步骤一所述地质和水文地质资料包括土层厚度、煤层厚度、煤层埋深、基岩厚度、顶板岩层坚硬程度、地表水动态监测点数据和钻孔揭露的含水层资料。
3.根据权利要求1所述保水采煤矿井/矿区等级划分方法，其特征在于，步骤一具体为：采用钻探、物探及原位监测的方法获得土层厚度、煤层厚度、煤层埋深、基岩厚度、地表水动态监测点数据和钻孔揭露的含水层资料；通过室内岩石力学实验方法获取顶板岩层坚硬程度。
4.根据权利要求1所述保水采煤矿井/矿区等级划分方法，其特征在于，步骤三所述浅表层水资源类型包括吨煤浅表层水资源贫乏型、吨煤浅表层水资源中等型和吨煤浅表层水资源丰富型，
当矿井的吨煤水资源量大于等于开采吨煤消耗水资源量最大值时，所述矿井为吨煤浅表层水资源丰富型矿井；
当矿井的吨煤水资源量大于开采吨煤消耗水资源量最小值，且小于开采吨煤消耗水资源量最大值时，所述矿井为吨煤浅表层水资源中等型矿井；
当矿井的吨煤水资源量小于开采吨煤消耗水资源量最小值时，所述矿井为吨煤浅表层水资源贫乏型矿井。
5.根据权利要求1所述保水采煤矿井/矿区等级划分方法，其特征在于，步骤四具体为，根据获得的煤层厚度和顶板岩层坚硬程度，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》推荐的导水裂缝带高度预计公式计算矿井导水裂缝带高度，通过矿井导水裂缝带高度与矿区煤层埋深叠加分析，结合基岩厚度和土层厚度分析，确定导水裂缝带以上土层厚度，所述土层厚度即为残余土层厚度。
6.根据权利要求1所述保水采煤矿井/矿区等级划分方法，其特征在于，步骤五具体为：采集开采区含隔水层渗透系数和浅表层水水头这些水文地质参数，根据浅表层水漏失量与沉降引起的侧向补给增加流量关系确定的保护层厚度为环境友好型与环境渐变恢复型阈值；根据浅表层水漏失量与一个水文年浅表层水补给量的关系确定的保护层厚度为环境渐变恢复型与环境渐变恶化型阈值；保护层厚度等于零为环境渐变恶化型与环境灾变型阈值；根据步骤四所述残余土层厚度与各阈值的比较结果，确定矿井保水采煤环境工程地质模式类型。
7.根据权利要求1所述保水采煤矿井/矿区等级划分方法，其特征在于，环境友好型与环境渐变恢复型阈值、环境渐变恢复型与环境渐变恶化型阈值通过计算，式中M为保护层厚度，ΔQ为沉降引起侧向补给增加流量或一个水文年浅表层水补给量，K为隔水土层渗透系数，ΔH为渗透水压力差，F为渗透面积，t为渗透时间。
8.根据权利要求1所述保水采煤矿井/矿区等级划分方法，其特征在于，步骤六具体为，环境渐变恢复型和环境友好型的矿井为正常开采矿井类型；吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源丰富型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为一级保水采煤矿井；吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源中等型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为二级保水采煤矿井；吨煤水资源富水性等级为吨煤浅表层水资源贫乏型，且环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井为三级保水采煤矿井。
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