CN108663724A - 一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法，具体为：在开采煤矿前勘探地质构造；根据地质构造，将地质构造稳定的区域作为备选区；计算各备选区的导水裂隙带高度，挑选开采稳定后、导水裂隙带到达上覆含水岩层的备选区，作为新的备选区；进行水资源转移路径的判断和流量分布的统计，选取流量大于预设流量的备选区，作为新的备选区；测定新的备选区的岩石样本耐崩解指数和裂隙岩体渗透系数，选取耐崩解指数大于或等于耐崩解指数预设值，且渗透系数小于或等于渗透系数预设值的备选区，作为煤矿地下水库的建设位置；对煤矿进行开采，并建立煤矿地下水库。

Description

一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法

技术领域

本发明涉及地下水库的位置选择技术领域，尤其涉及一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法。

背景技术

内蒙、山西、陕西、新疆、宁夏五省2017年原煤总产量占全国原煤产量的73.8％(据国家统计局数据)，查明煤炭资源储量约占全国总储量的80％。而该区域位于我国干旱-缺水带和半干旱-少水带，水资源仅占我国的5.96％(据2017年中国统计年鉴数据)，水资源是影响该区域煤炭开采和保障生态安全的主导因素，并起基础配置作用。

煤矿大规模、高强度开采将对西部矿区特殊的自然环境、生态环境和资源赋存地质结构环境带来不同程度的扰动和影响，当超过该区域环境的承载能力时将会使区域平衡的环境条件遭到破坏。其中，煤炭开采引起顶板覆岩结构与完整性遭到破坏，含水层以层间径流向垂向径流为主的新水循环模式转变，从而使得大部分顶板砂岩弱含水层及第四系潜水含水层地下水渗(溃)入矿井采空区，导致地下水赋存与补给、循环模式发生改变，地下水位下降，进而影响地表植被和生态环境质量。根据推算，每万吨煤炭产生1000～1600m³的空隙空间，这些空间为储存矿井水提供条件，特别是对于水资源缺乏的地区意义重大。

因此，有必要在煤矿建设地下水库来储存水资源，建设煤矿地下水库一方面可以保护水资源，另一方面可以实现不外排采煤过程中污染的水源。因此，为了合理利用煤矿地理条件建设储水性能好且便于收集开采地层的地下水的煤矿地下水库，在进行煤矿水库建设之前，有必要进行露天煤矿地下水库的建设位置的筛选。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法，用以解决现有方法设置的地下水库位置不合理的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法，方法的步骤包括：

在开采煤矿前勘探地质构造；

根据地质构造，将地质构造稳定的区域作为备选区；

计算各备选区的导水裂隙带高度，挑选开采稳定后、导水裂隙带到达上覆含水岩层的备选区，作为新的备选区；

进行水资源转移路径的判断和流量分布的统计，选取流量大于预设流量的备选区，作为新的备选区；

测定新的备选区的岩石样本耐崩解指数和裂隙岩体渗透系数，选取耐崩解指数大于或等于耐崩解指数预设值，且渗透系数小于或等于渗透系数预设值的备选区，作为煤矿地下水库的建设位置；

对煤矿进行开采，并建立煤矿地下水库。

勘探地质构造采用地球物理勘探和/或钻孔勘探。

勘探地质构造时，采集所勘探区域内煤矿围岩的岩石样本。

岩石样本包括：基本顶岩石样本、直接顶岩石样本、煤层岩石样本、直接底岩石样本和基本底岩石样本。

地质构造稳定的区域为水平构造和/或倾斜构造，且不包含为断裂、断层、错层中的任意一种。

导水裂隙带为：

开采稳定之后，覆岩破坏产生的离层裂隙、垂直拉张裂隙或断裂沟通形成的人工导水通道分布的裂隙破碎带。

导水裂隙带高度采用基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法来计算。

根据覆岩运移与时间的关系来进行水资源转移路径的判断和流量分布的统计；预设流量为5m³/(h·m²)。

通过岩石耐崩解试验测定岩石样本的耐崩解指数；采用压水试验或抽水试验测定裂隙岩体的渗透系数。

岩石崩解指数的预设值为85％；渗透系数的预定值为1.0×10^-7cm/s。

本发明的有益效果为：

本发明通过探测煤矿水资源转移路径、地质构造及渗透系数，筛选出储水性能好且便于收集开采地层的地下水的煤矿地下水库位置，实现对煤矿地下水库位置确定进行综合把握，最大程度地保护煤矿地下水资源。

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为本发明的原理图；

图2为本发明的实施例区域示意图；

图3为本发明中开采稳定后采空区上覆岩层水资源转移路径示意图；

附图标记：1-第一采区；2-第二采区；3-第三采区；4-第四采区；5-第五采区

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，一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法，方法的步骤包括：

在开采煤矿前，采用地球物理勘探和/或钻孔勘探进行勘探地质构造，采集所勘探区域内煤矿围岩的岩石样本，包括：基本顶岩石样本、直接顶岩石样本、煤层岩石样本、直接底岩石样本和基本底岩石样本。本发明相对其他现有技术的一大优点在于，在开采煤矿之前就先进行地址勘探，并对地下水库进行位置预设，而现有技术基本都是先进行开采，在根据开采后的采空区来设置地下水库的位置，其结果在于，后设置地下水库，往往会因为开采时的进行使的在最科学的位置不利于设置地下水库，并且在开采过程中造成的污染无法处理；科学的采集岩石样本也有助于更加合理的对该区域的地质结构进行判断。当然，本发明还可以进一步结合所述煤矿开采区域的水文地质数据、煤岩层勘探数据来获知开采区域的地质构造。

根据地质构造，将地质构造稳定的区域作为备选区，地质构造稳定的区域为水平构造和/或倾斜构造，且不包含为断裂、断层、错层中的任意一种。考虑到保证地下水库的结构稳定性，因此需要选择地质构造稳定的区域作为地下水库位置的备选区。选择地质构造稳定的勘探区域作为一级备选区是由于断裂、断层、错层等不稳定的地质构造渗水性能较强，水体会从不稳定的地质构造处渗透到较深的地下，影响地下水库储水性能。

计算各备选区的导水裂隙带高度，导水裂隙带为：开采稳定之后，覆岩破坏产生的离层裂隙、垂直拉张裂隙或断裂沟通形成的人工导水通道分布的裂隙破碎带；挑选开采稳定后、导水裂隙带到达上覆含水岩层的备选区，作为新的备选区；导水裂隙带高度采用基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法来计算，具体计算方法参考《基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法》(许家林,朱卫兵,王晓振.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法[J].煤炭学报,2012(05):52-59.)。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的统计经验公式计算或导水裂隙带高度计算方法计算备选区导水裂隙带高度。考虑到水通过裂隙来渗流，因此，地下水库也要考虑导水裂隙带高度，为了使水能够顺利流入地下水库，导水裂隙带应到达上覆含水岩层；导水裂隙带未到达上覆含水岩层导致上覆含水岩层中水资源无法转移，因此挑选开采稳定后、导水裂隙带到达上覆含水岩层的备选区，作为新的备选区。

根据覆岩运移与时间的关系来进行水资源转移路径的判断和流量分布的统计。如图3所示，开采过程中，煤层覆岩中形成横向离层与竖向破断，横向离层与竖向破断共同构成了上覆岩层地下水资源向下渗流的导水裂隙；开采未稳定时，覆岩中横向离层与竖向破断接近均匀分布；开采稳定后，由于顶板下沉，采空区中部覆岩中横向离层与竖向破断被逐渐直至闭合，导水裂隙关闭，采空区周边覆岩中离层与竖向破断逐渐张开，地下水资源渗流增强。本发明中进一步选取流量大于预设流量5m³/(h·m²)的备选区，作为新的备选区；现有技术基本上只是单纯的考虑水流路径，并根据最小的水流路径来选择地下水库的位置，但是如果不考虑流量的因素，对导致地下水库的流入不均衡，可能会影响地下水库的功能和结构强度，对地下水库造成负面影响。如果备选区上覆岩层导水裂隙流量均小于5m³/(h·m²)，本发明还可以根据水质和地质条件等实际因素选择其他适合的预定值。

测定新的备选区的岩石样本耐崩解指数和裂隙岩体渗透系数，选取耐崩解指数大于或等于耐崩解指数预设值85％，且渗透系数小于或等于渗透系数预设值1.0×10^-7cm/s的备选区，作为煤矿地下水库的建设位置。为了进一步的保证地下水库位置的合理性和科学性，对备选区域的岩石样本耐崩解指数和裂隙岩体渗透系数进行测定，较大的耐崩解指数可以保证结构强度，较小的渗透系数可以防止水库中的水渗流出去，以进一步提高其储水性能。可以通过岩石耐崩解试验测定岩石样本的耐崩解指数；采用压水试验或抽水试验测定裂隙岩体的渗透系数。

如果备选区的耐崩解指数大于85％，本发明还可以在相应的开采区域进行预防崩解工程。当然，本发明还可以根据水质和地质条件等实际因素选择其他适合的耐崩解指数预定值来保证地下水库的稳定性。

岩石岩体不是连续多孔介质，其渗透性主要取决于裂隙的特性、分布和组合规律，裂隙的连通情况、粗糙程度、充填物的性质尤难掌握，宜在野外进行渗透试验。本发明还可以在相应的开采区域进行加强防渗工程，例如铺设防渗层或注浆防水。当然，本发明还可以根据水质和地质条件等实际因素选择其他适合的渗透系数预定值来保证地下水库的防渗性能。

对煤矿进行开采，并建立煤矿地下水库。

实施例

对某煤矿区域进行地下水库的位置选取。

如图2所示，以某煤矿地下水库选址为例进行进一步说明，该煤矿共分五个采区：第一采区1、第二采区2、第三采区3、第四采区4和第五采区5，目前第一采区1已开采完毕，目前正在进行第二采区2的开采工作，因此在第一采区1底部进行地下水库位置确定。

步骤①：利用地球物理勘探和钻孔勘探技术勘探第一采区1上覆岩层的地质构造，同时采集所勘探区域内煤矿围岩的岩石样本。

步骤②：对第一采区1的地层、岩层、构造进行分析和判断，选择地质构造稳定的勘探区域作为备选区，如图2所示，选择地质构造稳定的采区，即筛选出地质构造为水平构造或倾斜构造的区域A、B、C、D作为备选区。

步骤③：采用基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法计算区域A、B、C、D导水裂隙带高度，区域A、B、C、D导水裂隙带高度均达到上覆含水岩层。采用理论推导与数值计算与统计经验相结合的研究手段研究区域A、B、C、D的覆岩运移时空演化规律，确定主要水资源转移路径和集中分布区，即图2中阴影范围；

步骤④：根据区域A、B、C、D的覆岩运移时空演化规律，判断水资源转移路径分布，排除处于非水资源转移路径区域的区域D，对区域A、B、C流量进行测定，区域A、B流量大于或等于5m³/(h·m²)，满足地下水库对流量的要求，而区域C流量小于5m³/(h·m²)，不满足地下水库对流量的要求，因此区域A、B可作为备选区；

步骤⑤：采用压水试验测定区域A、B的岩石样本耐崩解指数与裂隙岩体渗透系数，区域A、B耐崩解指数均大于或等于85％，且区域A、B渗透系数均小于或等于1.0×10-7cm/s，区域A、B均可作为煤矿地下水库的建设位置。

综上所述，本发明的实施例提供了一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法，本发明通过探测煤矿水资源转移路径、地质构造及渗透系数，筛选出储水性能好且便于收集开采地层的地下水的煤矿地下水库位置，实现对煤矿地下水库位置确定进行综合把握，最大程度地保护煤矿地下水资源。

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 (10)

1.一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

在开采煤矿前勘探地质构造；

根据地质构造，将地质构造稳定的区域作为备选区；

计算各备选区的导水裂隙带高度，挑选开采稳定后、导水裂隙带到达上覆含水岩层的备选区，作为新的备选区；

进行水资源转移路径的判断和流量分布的统计，选取流量大于预设流量的备选区，作为新的备选区；

测定新的备选区的岩石样本耐崩解指数和裂隙岩体渗透系数，选取耐崩解指数大于或等于耐崩解指数预设值，且渗透系数小于或等于渗透系数预设值的备选区，作为煤矿地下水库的建设位置；

对煤矿进行开采，并建立煤矿地下水库。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，勘探地质构造采用地球物理勘探和/或钻孔勘探。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，勘探地质构造时，采集所勘探区域内煤矿围岩的岩石样本。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述岩石样本包括：基本顶岩石样本、直接顶岩石样本、煤层岩石样本、直接底岩石样本和基本底岩石样本。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地质构造稳定的区域为水平构造和/或倾斜构造，且不包含为断裂、断层、错层中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导水裂隙带为：

开采稳定之后，覆岩破坏产生的离层裂隙、垂直拉张裂隙或断裂沟通形成的人工导水通道分布的裂隙破碎带。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导水裂隙带高度采用基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法来计算。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据覆岩运移与时间的关系来进行水资源转移路径的判断和流量分布的统计；预设流量为5m³/(h·m²)。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过岩石耐崩解试验测定岩石样本的耐崩解指数；采用压水试验或抽水试验测定裂隙岩体的渗透系数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述岩石崩解指数的预设值为85％；所述渗透系数的预定值为1.0×10^-7cm/s。