CN113027522A - 一种煤矿疏水同层回灌方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿疏水同层回灌方法，该方法包括以下步骤：步骤1)、构建封闭隔水边界；步骤2)、搭建汇水和输水系统；步骤3)、回灌孔设计及施工；步骤4)、疏放孔布置及疏水作业；步骤5)、疏放水进行同层回灌。本发明提供了一种煤矿疏放水资源保护的新方法，该方法利用同层回灌技术改变了现有煤矿因疏放水引发的水资源浪费和生态环境破坏问题，相较地下水库转移存储的方法，降低了施工难度和消除了矿井安全隐患，杜绝了疏放水非同层回灌产生的水污染问题。本发明方法构建封闭的隔水边界，有效截断了煤矿有突(涌)水危险含水层的补给，减少矿山疏放水排放量同时使得疏放水同层回灌变为可能，提升了企业经济效益，降低了生产成本。

Description

一种煤矿疏水同层回灌方法

技术领域

本发明属于煤矿水资源保护领域，尤其涉及一种煤矿疏水同层回灌方法。

背景技术

我国井工矿开采受近煤系含水层影响水害威胁严重，疏水降压作为最安全经济的水害治理方法被广泛应用。但疏放水直接排放会造成水资源巨大浪费，增加排水费用的同时使得矿井水文地质条件更加复杂。尤其在西北等生态脆弱矿区，近地表含水层疏水还会引发地表沉降、植被萎缩等严重的生态环境问题，不满足国家对煤炭工业绿色发展的要求。

目前，西部矿区虽有将顶板含水层水疏放至底板含水层消除煤层顶板水害隐患的方法，但其仅适用于煤层顶板具有威胁的含水层，疏放水效果与顶底板含水层间水头差有关。也有利用采空区构建地下水库实现含水层输水转移存储的方法，但其不可必免会造成地下水污染且对矿井存在巨大安全隐患。此外东部矿区也有利用含水层疏放水制造饮用水和进行农业灌溉的案例，但前者水处理成本高难以应用推广，后者排放的高矿化度疏放水易造成土地盐碱化。

综合以上，目前传统的煤矿疏放水的水资源保护方法存在以下几点问题：1)传统煤矿含水层疏放水直接排放，造成水资源浪费和生态环境问题，同时增加矿井排水费用；2)煤层顶板水疏放至底板含水层的方法，仅适应顶板有水患的煤层，疏放水效果与顶底板含水层间水头差有关；3)地下水库转移存储煤矿疏放水的方法，会造成地下水污染，对矿井存在巨大安全隐患；4)煤矿疏放水处理后利用的方法，水处理成本过高、增加企业经营负担。

因此，亟待研发一种煤矿疏水绿色经济的处理方法。

发明内容

本发明提供一种煤矿疏水同层回灌方法，解决现有技术中传统的疏放水造成的水资源浪费、生态环境破坏及水资源处理费用高等问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：

一种煤矿疏水同层回灌方法，包括如下步骤：

步骤1)、构建封闭隔水边界：

分析矿井水文地质条件，确定目标含水层是否存在天然封闭隔水边界；若无天然封闭隔水边界，需在目标含水层建成封闭隔水边界；

步骤2)、搭建汇水和输水系统：

在待开采工作面所属采区的井底车场修建独立的水仓，沿待开采工作面顺槽及采区下山开挖水槽，实现疏放水自工作面至水仓的自流式汇集；

步骤3)、回灌孔设计与施工:

在封闭隔水边界外大于200m位置，利用地面定向钻技术在目标含水层施工面向封闭隔水边界外侧的水平多分支孔作为回灌孔。

步骤4)、疏放孔布置及疏水作业：

在待开采工作面形成的切眼位置，利用井下定向钻机施工沿目标含水层走向的主孔和指向目标含水层顶部的羽状分支疏放孔，使其覆盖整个待开采工作面；羽状分支疏放孔施工结束后，安装法兰盘和流量计并进行疏放水作业；

步骤5)、疏放水进行同层回灌:

利用输水管路和高压泵将疏放水抽出矿井，经加压后注入回灌孔，回灌孔最小回灌流量为最大疏放流量的1.2～1.5倍，实现目标含水层水在封闭隔水边界内外的转移。

进一步的，所述步骤1)中，分析矿井水文地质条件包括目标含水层分布范围、厚度M、目标含水层内断层隔导水性、径流方向及水位H₀信息；所述封闭隔水边界应深入目标含水层顶底界基岩风化壳不小于10m，封闭隔水边界厚度为目标含水层厚度的0.5～0.8倍，保证边界内外的目标含水层不发生绕流。

进一步的，所述步骤2)中，水仓容积应满足2～3日的疏放水量Q_疏；所述水仓内配置栅格网和沉淀池，完成对疏放水的物理过滤。

进一步的，所述步骤3)中，回灌孔在含水层内的分支数量N与单分支长度l与回灌孔的回灌量Q_回、目标含水层厚度M、含水层渗透系数K、含水层边界内水位H₀和边界外水位H、分支孔裸孔孔径r_w以及注水影响半径R有关，其关系如下：

进一步的，所述步骤1)中，利用地面直孔注浆工艺，在目标含水层建成封闭隔水边界。

进一步的，所述步骤2)中，沿待开采工作面顺槽及采区下山开挖40×50cm的水槽。

进一步的，所述步骤5)中，回灌方式采用变压变量回灌，每24小时调整一次回灌流量和回灌压力增加或减少20％，循环往复进行；回灌孔每回灌1周需进行一次回扬，回扬时间不应＜4h，防止长时间回灌造成回灌孔阻塞。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)本发明提供了一种煤矿疏放水资源保护的新方法，该方法利用同层回灌技术改变了现有煤矿疏放水引发的水资源浪费和生态环境破坏问题，相较地下水库转移存储的方法，降低了施工难度和工程量。

2)本发明方法在步骤1)中构建封闭的隔水边界，有效截断了煤矿有突(涌)水危险含水层的补给，减少了矿山疏放水排放量，提升了企业经济效益。

3)本发明方法在步骤3)和步骤4)中通过施工羽状分支疏放水孔和水平所分支回灌孔，使得含水层疏放和回灌效率成倍提升，大大减少了常规直孔疏放和回灌的无效工程量。

4)本发明方法在步骤4)中提供了施工回灌孔分支数及长度参数等的计算方法，从而减少了以往钻孔的盲目施工，精准控制了企业成本。

5)本发明方法在步骤5)中疏放水注入同一含水层，实现煤矿疏水同层回灌，由于水质相同无需对疏放水进行处理，节省了企业水处理费用和矿井排水费用，降低了生产成本。

6)本发明方法在步骤5)中采用变压变量回灌方式和定期进行疏放水回扬的手段，有效解决了疏放水随时间回灌量衰减和因疏放水中物质沉淀造成的疏放孔阻塞的问题，大大提升了回灌孔的回灌量和使用寿命。

附图说明

图1是本发明方法的开采剖面示意图。

图2是本发明方法的开采平面示意图。

图中，1-侏罗系砂砾岩含水层；2-封闭隔水边界；3-待开采工作面；4-采区下山；5-水仓；6-井下羽状分支疏放孔；7-加压泵；8-回灌孔；9-输水管路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的基本思路是：通过构建封闭隔水边界，在人为干预条件下对矿井疏水同层转移，将含水层具有开采威胁的水资源由边界内转移至封闭边界外，消除煤矿水患的同时实现煤矿疏放水的绿色开发。

实施例：

淮北某矿主采煤层8^#煤受顶板侏罗系砂砾岩含水层1(以下简称“五含”)威胁严重，五含与8^#煤为角度不整合接触关系。由于五含分布范围广、厚度大、富水性强，且存在太奥灰岩水对其补给。若采取传统的疏放方法，则会造成疏放水大、时间长，排水费用高且疏放水效果难以保障的结局。加之，煤矿濒邻淮河支流-沱河，疏放水不经处理直接排放，势必会引发流域水污染和地表沉陷的严重生态环境问题。

采用本发明参见图1和图2，一种煤矿疏水同层回灌方法，其步骤如下：

步骤一：通过矿井水文地质条件分析，确定五含的分布范围、厚度M及渗透系数K等信息；由于矿区五含内不存在天然封闭隔水边界，故需人为构建封闭隔水边界2，选取五含分布最窄位置利用地面直孔注浆工艺构建长152m×宽40m×高50m的封闭隔水边界2，钻孔采用梅花桩布孔方式和下行式注浆，钻孔间距≯10m，注浆结束终压≮12MPa。

步骤二：在待开采工作面3所属采区下山4邻近车场位置施工开挖单独的水仓5，水仓5容积满足2～3日最大疏放水量，即为Q_疏max的48～72倍，水仓5内安装10×10mm的网格栅和沉淀池对疏放水过滤沉淀；下山开挖40×5s0cm水槽，水槽坡度与下山坡度保持一致，使疏放水经水槽自流汇集入水仓5。

步骤三：在待开采工作面3切眼的中心位置施工向顶板含水层的井下羽状分支疏放孔6，所述井下羽状分支疏放孔6的主孔施工至50m时安装放水套管并做耐压试验后，主孔施工至工作面停采线结束；开始施工羽状分支孔至距待开采工作面3边界30m结束，分支孔孔径≮79mm，倾角≯25°；井下羽状分支疏放孔6施工完毕后，在放水套管安装法兰盘和电磁流量计，打开法兰盘进行疏放水作业。

步骤四：利用地面定向钻施工地面水平多分支的回灌孔8，累计施工五个回灌孔8，单分支裸孔段长200m，分支孔倾角为0～±3°，孔径为Ф152mm。

步骤五：利用输水管路9和加压泵7将疏放水抽出矿井，经加压后注入回灌孔8；回灌孔8最小回灌流量为最大疏放流量的1.2～1.5倍，实现对疏放水的同层回灌；所述疏水管路9选用聚甲基乙撑碳酸酯管(PPC)材质，高压泵7选用MD450-60型，管内流速控制在1.2～2m/s范围内，管压段压力控制在0.3～0.5Kgf/cm²范围内。回灌方式采用变压变流量式，24h调节一次泵压和流量，流量控制在80～100m³/h，回灌压力控制在1.6～2.0MPa；每周进行一次回灌孔反向抽水(回扬)，回扬时间定为3h，每小时调节增加一次流量，流量分别为40、60和80m³/h。

所述步骤二中计算得水仓容积为3000m³，所述最大疏放水量为125m³/h；所述步骤四中计算得回灌孔回灌流量为100m³/h。

矿井利用疏放水同层回灌方法，累计疏放五含水167万m³，向封闭边界2外回灌五含水141.3万m³，历时19个月。当前封闭隔水边界2内的五含水已基本被疏干，解放煤炭资源1000万t，安全开采煤炭约120万t。矿井累计节省排水费用和水处理费用约1389万元。

以上为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (7)

1.一种煤矿疏水同层回灌方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)、构建封闭隔水边界：

分析矿井水文地质条件，确定目标含水层是否存在天然封闭隔水边界；若无天然封闭隔水边界，需在目标含水层(1)建成封闭隔水边界(2)；

步骤2)、搭建汇水和输水系统：

在待开采工作面所属采区的井底车场修建独立的水仓(5)，沿待开采工作面(3)顺槽及采区下山(4)开挖水槽，实现疏放水自工作面至水仓的自流式汇集；

步骤3)、回灌孔设计与施工:

在封闭隔水边界(2)外大于200m位置，利用地面定向钻技术在目标含水层(1)施工面向封闭隔水边界外侧的水平多分支孔作为回灌孔(8)。

步骤4)、疏放孔布置及疏水作业：

在待开采工作面(3)形成的切眼位置，利用井下定向钻机施工沿目标含水层走向的主孔和指向目标含水层顶部的羽状分支疏放孔(6)，使其覆盖整个待开采工作面；羽状分支疏放孔(6)施工结束后，安装法兰盘和流量计并进行疏放水作业；

步骤5)、疏放水进行同层回灌:

利用输水管路(9)和高压泵(7)将疏放水抽出矿井，经加压后注入回灌孔(8)，回灌孔(8)最小回灌流量为最大疏放流量的1.2～1.5倍，实现目标含水层水在封闭隔水边界内外的转移。

2.根据权利要求1所述煤矿疏水同层回灌方法，其特征在于，所述步骤1)中，分析矿井水文地质条件包括目标含水层分布范围、厚度M、目标含水层内断层隔导水性、径流方向及水位H₀信息；所述封闭隔水边界应深入目标含水层顶底界基岩风化壳不小于10m，封闭隔水边界厚度为目标含水层厚度的0.5～0.8倍，保证边界内外的目标含水层不发生绕流。

3.根据权利要求1或2所述煤矿疏水同层回灌方法，其特征在于，所述步骤2)中，水仓容积应满足2～3日的疏放水量Q_疏；所述水仓内配置栅格网和沉淀池，完成对疏放水的物理过滤。

4.根据权利要求3所述煤矿疏水同层回灌方法，其特征在于，所述步骤3)中，回灌孔在含水层内的分支数量N与单分支长度l与回灌孔的回灌量Q_回、目标含水层厚度M、含水层渗透系数K、含水层边界内水位H₀和边界外水位H、分支孔裸孔孔径r_w以及注水影响半径R有关，其关系如下：

L＝N*l。

5.根据权利要求4所述煤矿疏水同层回灌方法，其特征在于，所述步骤1)中，利用地面直孔注浆工艺，在目标含水层(1)建成封闭隔水边界(2)。

6.根据权利要求5所述煤矿疏水同层回灌方法，其特征在于，所述步骤2)中，沿待开采工作面(3)顺槽及采区下山(4)开挖40×50cm的水槽。

7.根据权利要求6所述煤矿疏水同层回灌方法，其特征在于，所述步骤5)中，回灌方式采用变压变量回灌，每24小时调整一次回灌流量和回灌压力增加或减少20％，循环往复进行；回灌孔每回灌1周需进行一次回扬，回扬时间不应＜4h，防止长时间回灌造成回灌孔阻塞。

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