CN113984621A - 一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法及采煤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法及采煤方法，包括如下过程：对需要开展保水采煤的待采矿区的地层结构进行识别，将待采矿区的地层结构划分为不同类型：对不同类型的地层结构进行识别，获得各个类型的地层结构中的风化基岩含水层保水采煤区。保水采煤的本质是保护水资源和生态环境，风化基岩区别于松散沙层，无法为植被提供良好的土壤环境，因此风化基岩含水层的保水区往往不是以采煤直接破坏为条件的。本发明的上述方案能够准确画出要保护的风化基岩含水层区，做到在煤炭开采的同时保护水资源和生态环境，实现煤炭资源绿色开采。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程领域与采矿工程领域有一定交叉，尤其涉及一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法及采煤方法。
背景技术
目前，一些地区煤炭开采与水资源、生态环境保护矛盾突出，必须开展保水采煤工作。传统的保水采煤的主要目的层位是松散沙层，由于松散沙层位于地层的最顶部，直接与地表生态相关，因此采煤影响了沙层水的区域都是保水采煤区域。相比较，风化基岩也是重要的水资源，但由于不直接出露地表，其有保水采煤意义的区域需要开展识别工作。相比较传统的保水采煤区的识别，风化基岩保水采煤区的识别有以下问题：1)风化基岩含水层作用于生态的类型复杂，因此需要多种因素的综合识别。2)风化基岩含水层相比较松散沙层含水层，岩性多变，其在旱季的持水性是保水采煤区识别的一个重要因素，以往识别没有考虑。3)风化基岩含水层和松散沙层含水层之间可能存在水力联系，水力联系作为评价风化基岩保水采煤区的一个重要指标，以往识别没有考虑。由于存在上述问题，导致煤炭开采的同时对水资源和生态环境的保护效果欠佳，不符合煤炭资源绿色开采的要求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法及采煤方法，本发明能够准确画出要保护的风化基岩含水层区，做到在煤炭开采的同时保护水资源和生态环境，实现煤炭资源绿色开采。
本发明采用的技术方案如下：
一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，包括如下过程：
对需要开展保水采煤的待采矿区的地层结构进行识别，将待采矿区的地层结构划分为不同类型：当风化基岩含水层上覆隔水土层以及隔水土层上覆松散沙层含水层时，将地层结构划分为类型一；当风化基岩含水层上覆隔水土层以及隔水土层出露地表时，将地层结构划分为类型二；当风化基岩含水层无上覆地层、直接出露地表时，将地层结构划分为类型三；当风化基岩含水层上覆松散沙层含水层时，将地层结构划分为类型四；
对不同类型的地层结构进行识别，获得各个类型的地层结构中的风化基岩含水层保水采煤区：
将所述类型四识别为风化基岩含水层保水采煤区；
对于所述类型三，依据地表在旱季是否存在水体来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区；
对于所述类型二，根据风化基岩含水层的持水度以及风化基岩含水层富水性来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区；
对于所述类型一，利用隔水土层的起始水力坡度、松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区。
优选的，对需要开展保水采煤的待采矿区的地层结构进行识别时，采用钻孔柱状图识别风化基岩含水层以上的地层。
优选的，对于所述类型三，在旱季存在地表水体的识别为风化基岩含水层保水采煤区，不存在地表水体的识别为非风化基岩含水层保水采煤区。
优选的，在旱季地表水体从旱季的地质调查结果获取。
优选的，根据风化基岩含水层的持水度以及风化基岩含水层富水性来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区的过程包括：
对持水度大于等于10％的区域识别为非风化基岩含水层保水采煤区；
对持水度小于10％的区域，如果风化基岩含水层富水性为弱富水及以下，则识别为非风化基岩含水层保水采煤区；
对持水度小于10％的区域，如果风化基岩含水层富水性为中等及以上富水，则识别为风化基岩含水层保水采煤区。
优选的，风化基岩含水层的持水度通过如下方式获取：通过钻孔在类型二的区域对风化基岩含水层取样，采用岩石抗压实验破坏岩石后，对破坏的岩石测定持水度，该持水度为风化基岩含水层的持水度。
优选的，利用隔水土层的起始水力坡度、松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区的过程包括：
利用隔水土层的起始水力坡度、松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度判断风化基岩含水层疏干后是否会发生松散沙层含水层的渗流；
将会发生松散沙层含水层的渗流的类型一的区域识别为风化基岩含水层保水采煤区；将不会发生松散沙层含水层的渗流的类型一的区域识别为非风化基岩含水层保水采煤区。
优选的，利用隔水土层的起始水力坡度、松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度判断风化基岩含水层疏干后是否会发生松散沙层含水层的渗流的过程包括：
若隔水土层的起始水力坡度小于等于松散沙层含水层的水头高度/隔水土层厚度时，则判断风化基岩含水层疏干后会发生松散沙层含水层的渗流；否则，则判断风化基岩含水层疏干后不会发生松散沙层含水层的渗流。
优选的，通过钻孔对隔水土层进行取样，测定隔水土层的起始水力坡度；
通过所述钻孔的柱状图，获取松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度。
本发明还提供了一种采煤方法，包括如下过程：
通过本发明如上所述的风化基岩含水层保水采煤区的识别方法识别出对待采矿区的风化基岩含水层保水采煤区，对识别出的风化基岩含水层保水采煤区采取保水采煤措施。
本发明具有如下有益效果：
保水采煤的本质是保护水资源和生态环境，风化基岩区别于松散沙层，无法为植被提供良好的土壤环境，因此风化基岩含水层的保水区往往不是以采煤直接破坏为条件的。本发明将相应的条件划分为四种类型，类型一：风化基岩含水层上覆隔水土层，隔水土层上覆松散沙层含水层。由于松散沙层含水层在地表出露，有很好的生态意义和供水意义，因此保护的重点应该是防止风化基岩含水层袭夺松散沙层含水层的水。中间的隔水土层的起始水力坡度很关键，小于这个数值，则不会发生袭夺的情况，反之则可能影响生态，需要进行保水采煤措施。类型二：风化基岩含水层上覆隔水土层，隔水土层出露地表。这个类型由于隔水土层直接出露地表，一般补给十分困难，这一个地区的生态环境相对更加的脆弱。因此，风化基岩含水层在这个区域是十分关键的供水含水层。由于有隔水层上覆，含水层的蒸发较少，因此可以进行开采，开采后的持水性如果有所增加(比如泥岩)这对于水资源在旱季的存储是十分有利的。因此，这个类型直接考虑生态水位，主要关注可利用水资源量是这个类型的保水的关键。所以，对风化基岩的破坏样的持水度进行测定，有很强的指示作用。类型三：风化基岩含水层无上覆地层，直接出露地表。这种类型一般发生在沟道的底部，沟道是集水的地方，但无论是水资源供给还是生态环境，受影响的主要发生在旱季。因此，旱季的地质调查如果没有地表水则没有保水采煤意义。类型四：风化基岩含水层上覆松散沙层含水层。这种类型两个含水层之间有密切水力联系，因此为了保护生态意义重大的松散沙层含水层，必须保护风化基岩含水层。由上述方案可以看出，本发明能够准确画出要保护的风化基岩含水层区，做到在煤炭开采的同时保护水资源和生态环境，实现煤炭资源绿色开采。
附图说明
图1是本发明风化基岩含水层保水采煤区的识别方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，包括下述步骤：
步骤一：对需要开展保水采煤的待采矿区的地层结构进行识别，将待采矿区的地层结构划分为不同类型，具体过程如下：
采用钻孔柱状图识别风化基岩含水层以上的地层，并划分为四种类型，四种类型包括：类型一：风化基岩含水层上覆隔水土层，隔水土层上覆松散沙层含水层。类型二：风化基岩含水层上覆隔水土层，隔水土层出露地表。类型三：风化基岩含水层无上覆地层，直接出露地表。类型四：风化基岩含水层上覆松散沙层含水层。
步骤二：对于步骤一划分的类型四，直接识别为风化基岩含水层保水采煤区。
步骤三：对于步骤一划分的类型三，依据地表是否存在水体来识别风化基岩含水层保水采煤区。存在地表水体的识别为风化基岩含水层保水采煤区，不存在地表水体的识别为非风化基岩含水层保水采煤区。所述地表水体为旱季的地质调查获取。
步骤四：对步骤一划分的类型二的区域进行识别保水采煤区时，通过钻孔在类型二的区域对风化基岩含水层取样，采用公知的岩石抗压实验破坏岩石后，对破坏的岩石测定其持水度。对持水度大于等于10％的区域识别为非风化基岩含水层保水采煤区。对持水度小于10％的区域，如果风化基岩含水层富水性为弱富水及以下，则识别为非风化基岩含水层保水采煤区。对持水度小于10％的区域，如果风化基岩含水层富水性为中等及以上富水，则识别为风化基岩含水层保水采煤区。
步骤五：对步骤一划分的类型一的区域进行识别保水采煤区时，首先，通过钻孔对隔水土层进行取样，测定隔水土层的起始水力坡度K。其次，通过钻孔柱状图，获取松散沙层含水层的水头高度h和隔水土层厚度M。再次，判定采煤风化基岩含水层疏干后，是否发生松散沙层含水层的渗流。判定依据是若K小于等于h/M，则会发生松散沙层含水层的渗流，若K大于h/M，则不会发生松散沙层含水层的渗流。最后，会发生松散沙层含水层的渗流的类型一的区域识别为风化基岩含水层保水采煤区。不会发生松散沙层含水层的渗流的类型一的区域识别为非风化基岩含水层保水采煤区。
在进行采煤时，对风化基岩含水层保水采煤区采取既定的保水采煤措施，煤炭开采的同时保护水资源和生态环境，实现煤炭资源绿色开采。
实施例
某矿区生态环境脆弱，水资源匮乏，但煤炭资源丰富。因此，需要开展保水采煤工作。以往仅对松散沙层进行研究，后面发现矿区内的风化基岩含水层水资源丰富，也是重要的生态和生产生活的供给重要水源。需要开展风化基岩含水层的保水采煤，但无法采用传统技术识别保水采煤的区域。因此，采用以下风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，具体步骤如下：
步骤一：对需要开展保水采煤的待采矿区的地层结构进行识别，将待采矿区的地层结构划分为不同类型，具体过程如下：采用钻孔柱状图识别风化基岩含水层以上的地层，并划分为4种类型。包括，类型一：风化基岩含水层上覆隔水土层，隔水土层上覆松散沙层含水层。类型二：风化基岩含水层上覆隔水土层，隔水土层出露地表。类型三：风化基岩含水层无上覆地层，直接出露地表。类型四：风化基岩含水层上覆松散沙层含水层。其中类型一有108.5km2，类型二有22.8km2，类型三有2.5km2，类型四有15.8km2。
步骤二：步骤一划分的类型四，直接识别为风化基岩含水层保水采煤区。
步骤三：步骤一划分的类型三，依据地表是否存在水体来识别风化基岩含水层保水采煤区。存在地表水体的识别为风化基岩含水层保水采煤区。不存在地表水体的识别为非风化基岩含水层保水采煤区。所述地表水体为旱季的地质调查获取。根据调查1.3km2的区域为风化基岩含水层保水采煤区，1.2km2的区域为非风化基岩含水层保水采煤区。
步骤四：对步骤一划分的类型二的区域进行识别保水采煤区。通过钻孔在类型二的区域对风化基岩含水层取样，采用公知的岩石抗压实验破坏岩石后，对破坏的岩石测定其持水度，持水度测定结果为1.1％～35.4％。对持水度大于等于10％的区域识别为非风化基岩含水层保水采煤区的区域面积为10.2km2。对持水度小于10％的区域，测定其富水性，其中弱富水及以下的区域面积有2.7km2，为非风化基岩含水层保水采煤区。对持水度小于10％的区域，测定其富水性，其中中等富水及以上的区域面积有9.9km2，为风化基岩含水层保水采煤区。
步骤五：对步骤一划分的类型一的区域进行识别保水采煤区。首先，通过钻孔对隔水土层进行取样，测定隔水土层的起始水力坡度K＝0.6～27.2。其次，通过钻孔柱状图，获取松散沙层含水层的水头高度h＝3.5～44.4米和隔水土层厚度M＝3.2～75.5米。再次，判定采煤风化基岩含水层疏干后，是否发生松散沙层含水层的渗流。判定依据是若K小于等于h/M，则会发生松散沙层含水层的渗流，若K大于h/M，则不会发生松散沙层含水层的渗流。经过判定，有33.5km2面积的区域会发生渗流，75km2面积的区域会不发生渗流。最后，会发生松散沙层含水层的渗流的类型一的区域识别为风化基岩含水层保水采煤区。不会发生松散沙层含水层的渗流的类型一的区域识别为非风化基岩含水层保水采煤区。
在进行采煤时，对风化基岩含水层保水采煤区采取既定的保水采煤措施(如限高开采和含水层转移存储等)，煤炭开采的同时保护水资源和生态环境，实现煤炭资源绿色开采。
综上可以看出，本发明的技术方案具有如下几个特点：1)简单易实施；2)能够准确画出要保护的风化基岩含水层区；3)环境更加友好；4)实施效果好。
Claims (10)
1.一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，包括如下过程：
对需要开展保水采煤的待采矿区的地层结构进行识别，将待采矿区的地层结构划分为不同类型：当风化基岩含水层上覆隔水土层以及隔水土层上覆松散沙层含水层时，将地层结构划分为类型一；当风化基岩含水层上覆隔水土层以及隔水土层出露地表时，将地层结构划分为类型二；当风化基岩含水层无上覆地层、直接出露地表时，将地层结构划分为类型三；当风化基岩含水层上覆松散沙层含水层时，将地层结构划分为类型四；
对不同类型的地层结构进行识别，获得各个类型的地层结构中的风化基岩含水层保水采煤区：
将所述类型四识别为风化基岩含水层保水采煤区；
对于所述类型三，依据地表在旱季是否存在水体来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区；
对于所述类型二，根据风化基岩含水层的持水度以及风化基岩含水层富水性来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区；
对于所述类型一，利用隔水土层的起始水力坡度、松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区。
2.根据权利要求1所述的一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，对需要开展保水采煤的待采矿区的地层结构进行识别时，采用钻孔柱状图识别风化基岩含水层以上的地层。
3.根据权利要求1所述的一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，对于所述类型三，在旱季存在地表水体的识别为风化基岩含水层保水采煤区，不存在地表水体的识别为非风化基岩含水层保水采煤区。
4.根据权利要求3所述的一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，在旱季的地表水体为旱季的地质调查结果获取。
5.根据权利要求1所述的一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，根据风化基岩含水层的持水度以及风化基岩含水层富水性来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区的过程包括：
对持水度大于等于10％的区域识别为非风化基岩含水层保水采煤区；
对持水度小于10％的区域，如果风化基岩含水层富水性为弱富水及以下，则识别为非风化基岩含水层保水采煤区；
对持水度小于10％的区域，如果风化基岩含水层富水性为中等及以上富水，则识别为风化基岩含水层保水采煤区。
6.根据权利要求1所述的一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，风化基岩含水层的持水度通过如下方式获取：通过钻孔在类型二的区域对风化基岩含水层取样，采用岩石抗压实验破坏岩石后，对破坏的岩石测定持水度，该持水度为风化基岩含水层的持水度。
7.根据权利要求1所述的一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，利用隔水土层的起始水力坡度、松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度来识别地层结构是否为风化基岩含水层保水采煤区的过程包括：
利用隔水土层的起始水力坡度、松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度判断风化基岩含水层疏干后是否会发生松散沙层含水层的渗流；
将会发生松散沙层含水层的渗流的类型一的区域识别为风化基岩含水层保水采煤区；将不会发生松散沙层含水层的渗流的类型一的区域识别为非风化基岩含水层保水采煤区。
8.根据权利要求7所述的一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，利用隔水土层的起始水力坡度、松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度判断风化基岩含水层疏干后是否会发生松散沙层含水层的渗流的过程包括：
若隔水土层的起始水力坡度小于等于松散沙层含水层的水头高度/隔水土层厚度时，则判断风化基岩含水层疏干后会发生松散沙层含水层的渗流；否则，则判断风化基岩含水层疏干后不会发生松散沙层含水层的渗流。
9.根据权利要求1所述的一种风化基岩含水层保水采煤区的识别方法，其特征在于，通过钻孔对隔水土层进行取样，测定隔水土层的起始水力坡度；
通过所述钻孔的柱状图，获取松散沙层含水层的水头高度和隔水土层厚度。
10.一种采煤方法，其特征在于，包括如下过程：
通过权利要求1-9任意一项所述的风化基岩含水层保水采煤区的识别方法识别出对待采矿区的风化基岩含水层保水采煤区，对识别出的风化基岩含水层保水采煤区采取保水采煤措施。
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