CN115263304A - 煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，针对煤铀协调开采区中存在的铀矿含矿含水层水位下降问题，综合考虑两者在时空上的关系，从初期的开采空间划区避让着手，从根本上减少两者在开采过程中的影响。在开采过程中则通过有效控制煤矿涌水，从而减少煤矿开采引起的地下水流失，达到抑制含矿含水层水位下降趋势的目的。通过在煤矿与铀矿之间进行注浆围堵则阻断了地下水的流动路径，在控制并恢复部分含矿含水层水位的同时，还可以阻绝铀矿污染物的迁移路径，保障煤矿的生产安全。通过构建水位智能调控系统，融合在线监测、数字化管理和智能控制技术，通过分区动态调节矿井水回注流量，达到了精准调控含矿含水层水位的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤油协调开采技术领域，具体涉及煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法。
背景技术
煤炭资源的能源供给作用与铀矿的特殊战略用途在国家层面具有十分重要的意义，所以这两种矿产的开发得到了很大的重视。近年来，人们发现煤系共伴生铀矿资源量巨大，其中又以具有沉积特性的砂岩型铀矿为主，砂岩型铀矿赋存于含矿含水层中，矿体产状取决于铀物质浓度的分布，形状大多呈不规则状。中国北方的砂岩型铀矿资源储量接近全国储量的一半，其中，部分铀矿赋存于煤系地层，比如鄂尔多斯盆地，新疆伊犁盆地等。
从煤系垂向上看，煤系铀矿与煤层有多种层位关系，其中以“上铀下煤”情况下的相互采动影响最为明显，在这种赋存条件下的煤铀协调开采过程中，煤矿与铀矿在一定距离内就会相互影响。煤矿开采形成的导水裂隙带会破坏煤层上方的隔水层，导致含矿含水层水位的下降，而绝大多数砂岩型铀矿采用的地浸开采法对铀矿所在含矿含水层的水位有一定的要求，水位过低会导致铀矿开采效率下降，甚至使得铀矿被迫停采。现有水位调控方法形式单一，大多仅通过钻井注水来抬升含矿含水层水位，调控效果还有很大的提升空间。同时还忽略了煤矿矿井涌水这个重要影响因素，通过控制煤矿涌水可以减少地下水的流失，增强水位调控效果。此外，铀矿开采过程中产生的辐射性污染物也可能会受重力作用随地下水迁移扩散至煤矿采场，威胁煤矿的生产安全，需要给予高度重视。
发明内容
本发明的目的在于利用一种煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，主动调控水位，阻断污染物迁移路径，防止矿井突水，降低生态脆弱区环境损伤，保障煤与煤系共生铀矿协调开采高效安全进行。
为实现上述目的，本发明的一种煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，以“区域调控-局部管理”为调控理念，制定“开采空间划区避让-控煤矿涌水-含水层注浆围堵-矿井水回注构建人工分水岭”四重手段，主动调控水位，抑制污染物迁移，防矿井突水，降低生态脆弱区环境损伤，包括如下步骤：S10地质勘探，在煤铀协调开采区域通过钻孔搜集矿区水文地质信息；
S20搭建水文数据库与模拟仿真系统，利用在线监测技术实时监测煤铀协调区地下水文状况，结合搜集到的矿区水文地质信息，建立可视化区域水文地质数据库，并在此基础上建立模拟仿真系统，通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真对水位调控参数进行优化，实现对含矿含水层水位的智能调控；
S30确定煤矿与铀矿的相互影响程度，通过地下水系统模拟分析并确定煤矿开采扰动范围、煤矿开采对铀矿含矿含水层的影响以及铀矿污染物迁移扩散情况；S40对开采空间进行划区避让，结合铀矿地浸开采的含矿含水层水位要求，避免煤矿开采导致的覆岩移动影响铀矿井筒稳定性，避免铀矿污染物迁移至煤矿井下影响生产安全，在此基础上根据煤与煤系共生铀矿的赋存位置，划分两者的开采区域，降低相互间的采动影响；
S50控制煤矿涌水，通过充填开采法或注浆填充裂隙来控制煤矿井下的涌水；S60布设注浆钻孔，结合煤矿与铀矿之间的位置关系以及含矿含水层的埋深，进行注浆钻孔的设计，包括具体位置、钻孔数量、钻孔深度；
S70注浆形成阻水带，通过向煤矿与铀矿之间的钻孔注浆构建阻水墙体，阻断铀矿流体迁向水势较低的煤矿，从而在一定程度上恢复部分含矿含水层水位，同时可以阻绝铀矿污染物迁移至煤矿，保证煤矿的生产安全；
S80布设注水钻孔，结合铀矿地浸开采临界水位值，在注浆阻水带与铀矿体之间布设一定数量的注水钻孔；
S90注水形成水力帷幕，将煤矿开采过程中产生的疏放水经过煤矿排水系统提升到地表，并接入地面水泵站，连接地面水泵站与注水钻孔，将煤矿采煤疏放水回注铀矿含矿含水层来形成水力帷幕；
S100构建水位智能调控系统，包括煤矿排水系统、地面输水系统、含矿含水层水位监测系统以及注水系统；
S110常态化调控含矿含水层水位，融合在线监测、数字化管理和人工智能，分区动态调节矿井抽水与含矿含水层回注速率，提升协调开采水位控制能力与精度。
进一步地，在步骤S10中，所述通过钻孔收集矿区水文地质信息，钻孔位置包括地表与井下，钻孔密度视地质复杂程度确定，钻进深度不小于煤层埋深；所述矿区水文地质信息包括探测地层的层位、岩性、结构构造、地层接触关系、孔隙水压力、地应力。
进一步地，在步骤S20中，所述地下水文状况包括煤矿地下水位、矿井涌水量以及铀矿含矿含水层水位。
进一步地，在步骤S30中，所述煤矿开采扰动范围指的是煤矿采场上方的导水裂隙带发育范围及上覆岩层移动边界位置；所述对铀矿含矿含水层的影响指的是含矿含水层内水位的降低及隔水层完整性与隔水性的改变。
进一步地，在步骤S40中，所述铀矿地浸开采是在矿床天然产状条件下，通过从地表钻进至矿层的注液钻孔将配制好的化学试剂注入矿层，与矿物发生化学反应，溶解矿石中的铀，随后将含铀的溶液抽至地表。
进一步地，在步骤S50中，所述充填开采法，指的是通过对采空区进行充填，支撑采空区顶板，避免因采场上覆岩层移动导致上方隔水层遭受破坏，从而降低煤矿发生突水事故的可能性，减少煤矿涌水量；进行工作面跳采同样可以减轻对采场上覆岩层的破坏，在一定程度上可以保护上方的隔水层。
进一步地，在步骤S60中，注浆钻孔的开孔位置可以在地面，也可以在煤矿井下。
进一步地，在步骤S60中，注浆钻孔形成的阻水墙体位于煤矿与铀矿之间。
进一步地，在步骤S60中，所述钻孔深度满足注浆体贯穿含矿含水层的需求，具体布设形式满足矿区地形地貌以及水位调控需求，并通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真进行优化。
进一步地，在步骤S60中，注浆完成后进行全钻孔灌浆封堵以恢复隔水层的完整性。
进一步地，在步骤S70中，注浆形成的阻水墙体需要将铀矿与煤矿隔开，包括两种形态，一种是将铀矿体包围在内的全包围闭环形态，另一种是挡在煤矿与铀矿之间的半包围U型形态。
进一步地，在步骤S80中，注水钻孔的具体数量以及分布形式需要综合考虑含矿含水层水位调控需求、铀矿体大小和产状、外围阻水墙体形态以及矿区的地貌地势，最后通过地下水系统模拟对钻孔布设方案进行优化。
进一步地，在步骤S90中，根据注水钻孔的位置搭建环形注水管路和分支注水管路，注水泵站通过环形注水管路和分支注水管路连接全部的注水钻孔。
进一步地，在步骤S100中，通过在连接每个注水钻孔的分支注水管路上安装智能控制阀门，针对不同区域的含矿含水层水位情况，可以进行点对点的注水调节，实现对含矿含水层水位的分区动态精准调控。
进一步地，在步骤S110中，在含矿含水层水位经过一定时间的调控达到铀矿地浸开采临界水位后，通过含矿含水层水位监测系统持续监测水位变化，当含矿含水层水位有所下降时，基于前期建立的可视化数据库与模拟仿真系统，通过地下水系统模拟研究煤矿地下水子系统、铀矿地下水子系统以及区域整体地下水系统，并进行水位调控系统仿真，模拟研究包括注浆阻水在内的各种调控措施对地下水位的影响，辅助分析优化水位调控参数，根据分析结果增强煤矿涌水控制措施，在适当区域增补注浆钻孔与注水钻孔，并通过水位智能调控系统调整矿井抽水与含水层回注速率，实现抽注平衡，提升协调开采水位调控精度。
进一步地，所述辅助分析优化水位调控参数，包括煤矿涌水控制方案、注浆阻水方案、矿井回注水方案。
进一步地，所述含矿含水层水位达到铀矿地浸开采临界水位，指的是满足铀矿正常开采的最低水位。
本发明的有益效果是：本发明抓住上位砂岩型铀矿与下位煤矿异体共生资源协调开采中的关键性矛盾，即下方煤层采动裂隙向上发育破坏隔水层，造成含矿含水层水位下降导致铀矿地浸开采无法进行，和铀矿污染物迁移扩散威胁煤矿开采安全，综合考虑煤矿与铀矿的时空关系，利用开采空间划区避让、控制煤矿涌水、含水层注浆围堵、矿井水回注构建水力帷幕等手段，在最大限度上调控含矿含水层水位，阻断铀矿污染物迁移路径，防止煤矿矿井突水，降低生态脆弱区环境损伤，以实现采煤与采铀之间互不干扰或干扰在可控范围内。通过本技术发明的实施可以保障上位砂岩型铀矿与下位煤矿异体共生资源的协调开采高效安全进行，以期实现以此种模式共生的铀矿和煤矿资源的盘活利用。其具体优势在于：
(1)从根本上削弱了煤矿与铀矿的相互干扰。基于地质勘探工作，综合考虑煤矿与铀矿的时空关系，通过合理规划避让两者的开采空间，可以从根本上减少两者间的相互影响，避免铀矿抽采井、监测井受岩层移动影响遭受错动挠曲等破坏；
(2)保障了煤矿的生产安全。通过在含矿含水层中进行注浆围堵不仅可以减少地下水流向煤矿采空区，降低煤矿突水可能性，还可以阻绝铀矿污染物迁向煤矿，在多个方面保障煤矿的生产安全。
(3)保证了铀矿地浸开采的正常进行。含矿含水层水位对地浸开采至关重要，通过在前期进行开采空间的划区避让，在协调开采过程中控制煤矿涌水，对铀矿周围地下水进行注浆围堵，构建水位智能调控系统，融合在线监测、数字化管理和智能控制技术，分区动态调节矿井抽水与含矿含水层回注流量，主动抬升含矿含水层水位，保证了含矿含水层水位常态化满足铀矿地浸开采的需求。
(4)降低了生态脆弱区环境损伤。通过控制煤矿井下涌水可以减缓含矿含水层水位下降，通过水位智能调控系统对矿井疏放水进行回收利用，重新注入地层中，可以节约大量水资源，维持含矿含水层水位的稳定，保护了生态脆弱地区的环境。
附图说明
图1为本发明的煤铀协调开采相互影响示意图；
图2为本发明的开采空间划区避让示意图；
图3为本发明的充填开采控制煤矿涌水示意图；
图4为本发明的含矿含水层注浆围堵示意图；
图5为本发明的矿井水回注构建水力帷幕示意图；
图6为本发明的阻水墙体与注水钻孔俯视图；
图7为本发明的含矿含水层水位主动调控流程图；
图中，10-煤层；20-铀矿体；30-导水裂隙带；31-未充填导水裂隙带；32-充填后导水裂隙带；40-煤矿岩移边界；50-铀矿污染物；60-含矿含水层；70-隔水层；71-下部隔水层；
72-上部隔水层；80-最佳避让距离；90-铀矿井筒；91-铀矿水位监测井；92-铀矿注液井；
93-铀矿抽液井；100-采空区；110-含矿含水层水位；111-初始含矿含水层水位；112-煤铀协调开采含矿含水层水位；113-控制煤矿涌水后含矿含水层水位；114-注浆围堵后含矿含水层水位；115-完全调控后含矿含水层水位；120-充填体；130-注浆钻孔；131-地面注浆钻孔；132-井下注浆钻孔；140-阻水墙体；141-全包围阻水墙体；142-半包围阻水墙体；150-煤矿井下巷道；160-煤矿开采区域；170-煤矿排水系统；171-井底车场；172-煤矿排水管道；173-地面工业广场；180-地面输水系统；190-注水系统；191-地面注水泵站；192-环形注水管路192；193-分支注水管路；194-注水钻孔；195-智能控制阀门。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例以内蒙古纳岭沟煤铀协调开采矿区为例，详细说明煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其调控实施过程可以概括为“隔-控-堵-注”。
该矿区蕴藏着丰富的煤和铀等资源，整体上呈现出上铀下煤的赋存形态。如图2所示，铀矿体20赋存于位于煤矿主采煤层10上部的砂岩型含矿含水层60中。煤层10上部150m左右为下部隔水层71，上下隔水层相距100多米，上部隔水层7220m厚不连续，下部隔水层7120m厚完整，靠近下部隔水层71的铀矿体20埋深400m左右，厚度2～3m。矿区静水位埋深100多米，动水位230m，矿区海拔1300m，井区水位和外围水位标高差170m，170m埋深地下水水位年下降2～3m，抽采已导致静水位下降40～50m。该矿区煤炭的开采已经导致铀矿含矿含水层水位下降，影响到了铀矿的地浸开采。需对含矿含水层水位进行主动调控，确保铀矿溶浸开采正常进行。
煤铀协调开采区含矿含水层水位主动调控方法具体的实施步骤如下：
步骤S10地质勘探，在煤铀协调开采区域从地表或井下打钻孔至煤层10顶底板岩层、铀矿含矿含水层60顶底板岩层以获得矿区水文地质信息，具体包括探测地层的层位、岩性、结构构造、地层接触关系、孔隙水压力、地应力等。根据打钻获得的岩心测试各地层的岩石物理力学性质参数。地层岩石物理力学性能参数包括密度、颜色、孔隙度、渗透性、裂纹密度、裂纹连通性、吸水膨胀特性、抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、断裂韧性等。钻孔位置包括地表与井下，探测钻孔的密度依据地层构造的复杂程度确定，钻进深度不小于煤层埋深，并对断层、陷落柱、溶洞等易导水的地质构造重点探测，所有钻孔退钻过程中进行全钻孔灌浆封堵。
步骤S20搭建水文据库与模拟仿真系统，利用在线监测技术实时监测煤矿地下水位、矿井涌水量以及铀矿含矿含水层水位等地下水文状况，结合地质勘探收集的资料，建立可视化区域水文地质数据库，并在此基础上进行地下水系统模拟与水位调控系统仿真。地下水系统模拟与水位调控系统仿真相结合能够模拟调控前后不同区域内地下水的运移活动，对经过不同手段调控后的地下水位改变情况可以有较为直观的展示，对后续调控方案的改进有着重要作用。
步骤S30确定煤矿与铀矿的相互影响程度，通过地下水系统模拟分析并确定煤矿开采扰动范围、煤矿开采对铀矿含矿含水层的影响以及铀矿污染物迁移扩散情况。具体地，根据上述地质勘探活动搜集到的钻孔地质信息，确定煤层10与铀矿体20赋存空间位置，通过数值模拟、物理相似模拟、现场实测等手段测定煤矿导水裂隙带30发育范围及岩移边界40，如图1和图2所示，并通过地下水系统模拟确定铀矿污染物50迁移扩散范围及铀矿含矿含水层60的水位下降情况，分析导水裂隙带30发育范围大小对煤矿上方隔水层70稳定性及含矿含水层水位110的影响，分析岩移边界40内的铀矿井筒90受损情况，以及分析铀矿污染物50迁移扩散对煤矿生产安全的影响。煤矿开采扰动范围指的是煤矿采场上方的导水裂隙带发育范围及上覆岩层移动边界位置；对铀矿含矿含水层的影响指的是含矿含水层内水位的降低及隔水层完整性与隔水性的改变。
需要注意的是，含矿含水层水位110状况对铀矿地浸开采有着重要作用，只有含矿含水层60中的水位满足一定条件时，铀矿才能正常进行开采工作，且煤矿开采行为容易破坏隔水层70完整性，导致含矿含水层水位110明显下降，所以在煤铀协调开采过程中需要通过一些手段来维持含矿含水层水位110稳定在特定范围内，从而保障协调开采的正常进行。
步骤S40对开采空间进行划区避让，基于上述两者间的相互影响情况，结合煤矿所在位置与铀矿体20的赋存位置，综合考虑两者的开发需求合理划分开采区域。考虑内容包括两者的矿产权，煤矿井下防辐射要求、煤矿方面后续的开拓方案，铀矿采区地表各类钻孔的分布、数量及深度，各类铀矿井筒90的稳定性要求，铀矿地浸开采的含矿含水层水位要求等等。铀矿地浸开采是在矿床天然产状条件下，通过从地表钻进至矿层的注液钻孔将配制好的化学试剂注入矿层，与矿物发生化学反应，溶解矿石中的铀，随后将含铀的溶液抽至地表。
在划分开采区域时，主要从煤矿与铀矿间的水平投影距离上入手，距离越大，相应的互相间的影响也就会越小。通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真，结合其它数值模拟、物理相似模拟等手段确定最佳避让距离80，如图2所示，从源头尽量避免煤矿受到放射性物质污染、铀矿地浸开采效率下降或铀矿井筒90受采动影响而破坏等问题的发生，并对方案进行验证优化以及改善。通过上述方法，可以在后续开采过程中从根本上降低两者间的相互影响。
步骤S50控制煤矿涌水，由于在煤层10开采后会形成采空区100，煤层顶板岩层因此失去支撑以后会破断垮落，形成导水裂隙带30。当导水裂隙带30发育至含矿含水层60时，下部隔水层71就会产生裂隙甚至破断，导致其隔水性能大幅下降，周边区域的地下水则会因此沿着导水裂隙带30中的通道涌入采空区100，导致采空区100上方的含矿含水层水位110从初始含矿含水层水位111急剧下降，位于煤矿附近的上部铀矿采区水位因此受到影响而逐渐下降，最终稳定在煤铀协调开采含矿含水层水位112附近，导致铀矿开采效率下降，当此水位低于地浸开采要求的临界值时，铀矿会进一步被迫停采。
通过有效控制煤矿涌水的发生，堵住地下水的泄漏出口，可以尽可能的抑制含矿含水层60中水位的下降趋势。如图3所示，首先采用充填开采办法，充填体120材料可以采用废石、水砂、膏体、高水材料等，充填方式是全局密实充填，通过对采空区100进行充填来支撑采场顶板，未充填导水裂隙带31将缩小到充填后导水裂隙带32的大小，明显减小导水裂隙带30的发育范围，避免因煤矿上方隔水层70因采场上覆岩层移动而遭受破坏。待采空区形成的充填体120已经对上方的顶板形成稳定支撑后，向顶板岩层打钻，对充填后导水裂隙带32内相互连通的裂隙群和顶板离层裂隙分别注浆充填。注浆充填一方面可以填实顶板裂隙空间减少由于后续顶板下沉而引起的顶板内部裂隙演化，另一方面在顶板裂隙发育程度较低的时期就进行裂隙修复，尽早阻止裂隙向上发育，增加裂隙修复的有效性，有助于保持采掘扰动后的岩层综合隔水能力，从而降低煤矿发生涌水的可能性。
在有效控制煤矿井下的涌水之后，视铀矿含矿含水层水位110的变化情况，通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真对煤矿控制涌水的方案进行优化，进一步完善或增添相关措施。由于周边区域地下水的补给作用，含矿含水层水位可以在一定程度上恢复至控制涌水后含矿含水层水位113。
步骤S60布设注浆钻孔，结合煤矿与铀矿体20之间的位置关系以及含矿含水层60的埋深，进行注浆钻孔130的设计，如图4所示，包括分布形式、具体位置、钻孔数量及钻孔深度等，设计完成后再通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真进行优化。
其中，注浆钻孔130的数量以及分布形式需要综合考虑铀矿体20的大小及产状。钻孔深度满足注浆体贯穿含矿含水层的需求，具体布设形式满足矿区地形地貌以及水位调控需求，并通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真进行优化。铀矿含矿含水层水位110下降主要受煤矿开采影响导致，所以为了保证水位调控效率，总体上应该将铀矿体20与煤矿分隔在通过注浆钻孔130注浆形成的阻水墙体140两侧。注浆钻孔130的开孔位置可以在地面，也可以在煤矿井下。如图4所示，从地面注浆钻孔131进行注浆时应考虑矿区的地形地貌，以便调整钻孔深度保证注浆深度达到含矿含水层60底部。从煤矿井下巷道150往铀矿方向打斜向上的钻孔至下部隔水层71形成井下注浆钻孔132，通过定向注浆在煤矿与铀矿间形成阻水墙体140，从而阻挡铀矿体20周围的地下水流向煤矿，达到减缓含矿含水层水位110下降的目的。需要注意的是，注浆完成后必须进行全钻孔灌浆封堵以恢复隔水层70的完整性。
步骤S70注浆形成阻水带，为了抬升并尽量恢复铀矿采区含矿含水层水位110，保障铀矿地浸开采正常进行，通过上述布设完成的注浆钻孔130，在含矿含水层60中注浆形成阻水墙体140来封堵铀矿体20附近的地下水，减少铀矿采区地下水的流失，从而在一定程度上恢复并保持含矿含水层60的水位。
此外，在没有阻水墙体140之前，铀矿污染物50会随地下水从铀矿体20迁往煤矿，严重威胁着煤矿的生产安全。在铀矿和煤矿之间构建阻水墙体140可以阻绝铀矿污染物50的迁移路径，保障煤矿的生产安全。
需要注意的是，煤矿导水裂隙带30是导致含矿含水层水位110下降的主要原因，为了显著地减少铀矿体20附近含矿含水层60中水体的流失，阻水墙体140要将铀矿体20与煤矿开采区域160分隔开来。如图6所示，阻水墙体形态视水位调控需求可以分为全包围阻水墙体141(如图6a)与半包围阻水墙体(如图6b)142两种，前者的调控效果强于后者，但后者的成本也会更低。注浆材料可以选取常见的混凝土，优点是原料容易获取，且经济实惠。也可以采用不含或低含水的高水或者超高水材料，利用其吸水凝固特性来形成阻水墙体140，同时可以填充岩层裂隙，增强对水体的阻隔能力。注浆完成后，将所有钻孔进行全钻孔灌浆封堵。
在构建阻水墙体140分隔铀矿体20与煤矿开采区域160之后，视铀矿含矿含水层水位110的变化情况，通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真对注浆钻孔的布设进行优化，进一步增加钻孔数量。由于周边区域地下水的补给作用，铀矿含矿含水层水位可以在一定程度上恢复至注浆围堵后含矿含水层水位114。
步骤S80：布设注水钻孔，确定铀矿采区含矿含水层60水位抬升需求之后，在阻水墙体140与铀矿体20之间合理设计施工一定数量的注水钻孔194，如图5所示，并根据注水钻孔的位置搭建环形注水管路192和分支注水管路193。
为了保证水位调控效率，注水钻孔总体上分布于阻水墙体140和铀矿体20之间，同时深度也要达到含矿含水层60底部，避免出现较大的缺口。注水钻孔194的具体数量以及分布形式需要综合考虑含矿含水层水位110调控需求、铀矿体20大小和产状、外围阻水墙体140形态以及矿区的地貌地势，最后通过地下水系统模拟对钻孔布设方案进行优化。
步骤S90：注水形成水力帷幕，通过上述水位智能调控系统向铀矿含矿含水层60中注入煤矿疏放水形成水力帷幕，从而进一步抬升铀矿体20周围的含矿含水层水位110。
调控过程中首先将煤矿开采过程中产生的疏放水从井底车场171经过煤矿排水管道172提升到地面工业广场173，然后通过地面输水系统180存入注水泵站191储蓄待用，当需要进行水位调整时，将一定量的矿井水输送并注入进注水钻孔194。此外，将煤矿疏放水回注含矿含水层，实现了水资源的循环利用，可以节约大量水资源，对生态环境起到了一定的保护作用。
水力帷幕成形之后，视铀矿含矿含水层水位110的变化情况，通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真对矿井水回注流量进行优化调整。在矿井疏放水回注与周边区域地下水补给的共同作用下，含矿含水层水位可以在一定程度上恢复至完全调控后含矿含水层水位115。
步骤S100：构建水位智能调控系统：当需要进一步抬升含矿含水层水位时，就需要构建水位调控系统进行主动调控，水位智能调控系统主要由煤矿排水系统170、地面输水系统180、注水系统190以及含矿含水层水位监测系统组成。
如图5所示，通过煤矿排水系统170将煤矿井下的疏放水从井底车场171经排水管道172提升到地面工业广场173，然后经地面输水系统180输送至注水泵站191，注水泵站191设在煤矿排水系统170和注水系统190之间，用来控制总注水量，起到调度作用。注水泵站191通过环形注水管路192和分支注水管路193连接全部的注水钻孔194，通过在连接每个注水钻孔194的分支注水管路193上安装智能控制阀门195，针对不同区域的含矿含水层水位110情况，可以进行点对点的注水调节，从而实现对含矿含水层水位110的分区动态精准调控。
步骤S110：常态化调控含矿含水层水位，通过构建水位智能调控系统，融合在线监测、数字化管理和智能控制技术，通过分区动态调节矿井水回注流量，达到了精准调控含矿含水层水位的目的。在水位调控过程中，全程通过铀矿水位监测井91监测含矿含水层水位的变化，当铀矿采区含矿含水层水位110从初始煤铀协调开采含矿含水层水位112抬升到完全调控后含矿含水层水位115，并满足时地浸开采要求时，铀矿的注液井92和抽液井93就能够开始运转并恢复开采。但由于铀矿采区周围的地下水会不断流失，此时并不立即停止向注水钻孔194中注水，而是持续对含矿含水层60的水位进行常态化智能调控。
含矿含水层水位智能调控流程如图7所示，在水位调控过程中，利用在线检测技术实时监测煤矿地下水位、矿井涌水量以及铀矿含矿含水层水位110的变化，同时整合采集的数据并建立可视化数据库，为进行地下水系统模拟提供数据支撑。当含矿含水层水位110有所下降后，基于前期建立的可视化数据库与模拟仿真系统，通过地下水系统模拟对煤矿地下水子系统、铀矿地下水子系统以及区域整体地下水系统进行模拟研究，结合水位调控系统仿真进行调控效果仿真研究，辅助分析优化水位调控参数，根据优化结果增强煤矿涌水控制措施，在合适的区域增补注浆钻孔与注水钻孔，同时确定最佳的铀矿地浸开采抽注液流量和矿井水回注流量。辅助分析优化水位调控参数，包括煤矿涌水控制方案、注浆阻水方案、矿井回注水方案。含矿含水层水位达到铀矿地浸开采临界水位，指的是满足铀矿正常开采的最低水位。
通过水位智能调控系统远程控制区域内对应注水钻孔194所属分支注水管路193上的智能控制阀门195进行注水操作，实现分区动态调节含矿含水层水位110，确保含矿含水层水位110常态化满足铀矿地浸开采需求，从而保障铀矿能够进行稳定高效的开采。
本发明提出的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动调控方法，针对煤铀协调开采中存在的铀矿含矿含水层水位下降问题，摒弃传统单一的水位调控方法，综合考虑两者在时空上的关系，在初期的开采空间划区避让着手，从根本上减少两者在开采过程中的影响。在开采过程中则通过有效控制煤矿涌水，从而堵塞地下水泄漏出口，达到抑制含矿含水层水位下降趋势的目的。通过在煤矿与铀矿之间进行注浆围堵则切断了地下水的逃逸路线，在控制并恢复部分含矿含水层水位的同时，还可以阻绝铀矿污染物的迁移路径，保障煤矿的生产安全。同时搭建可视化数据库，并通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真，对水位调控参数进行反馈优化，实现对含矿含水层水位的智能调控，提升了协调开采水位控制能力与精度。此外通过回注煤矿疏放水来抬升铀矿含矿含水层水位，解决了煤矿疏放水处理问题的同时，节省了大量的水资源，保护了矿区的生态环境。
Claims (17)
1.一种煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，以“区域调控-局部管理”为调控理念，制定“开采空间划区避让-控煤矿涌水-含水层注浆围堵-矿井水回注构建人工分水岭”四重手段，主动调控水位，抑制污染物迁移，防矿井突水，降低生态脆弱区环境损伤，包括如下步骤：
S10地质勘探，在煤铀协调开采区域通过钻孔搜集矿区水文地质信息；
S20搭建水文数据库与模拟仿真系统，利用在线监测技术实时监测煤铀协调区地下水文状况，结合搜集到的矿区水文地质信息，建立可视化区域水文地质数据库，并在此基础上建立模拟仿真系统，通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真对水位调控参数进行优化，实现对含矿含水层水位的智能调控；
S30确定煤矿与铀矿的相互影响程度，通过地下水系统模拟分析并确定煤矿开采扰动范围、煤矿开采对铀矿含矿含水层的影响以及铀矿污染物迁移扩散情况；S40对开采空间进行划区避让，结合铀矿地浸开采的含矿含水层水位要求，避免煤矿开采导致的覆岩移动影响铀矿井筒稳定性，避免铀矿污染物迁移至煤矿井下影响生产安全，在此基础上根据煤与煤系共生铀矿的赋存位置，划分两者的开采区域，降低相互间的采动影响；
S50控制煤矿涌水，通过充填开采法或注浆填充裂隙来控制煤矿井下的涌水；S60布设注浆钻孔，结合煤矿与铀矿之间的位置关系以及含矿含水层的埋深，进行注浆钻孔的设计，包括具体位置、钻孔数量、钻孔深度；
S70注浆形成阻水带，通过向煤矿与铀矿之间的钻孔注浆构建阻水墙体，阻断铀矿流体迁向水势较低的煤矿，从而在一定程度上恢复部分含矿含水层水位，同时可以阻绝铀矿污染物迁移至煤矿，保证煤矿的生产安全；
S80布设注水钻孔，结合铀矿地浸开采临界水位值，在注浆阻水带与铀矿体之间布设一定数量的注水钻孔；
S90注水形成水力帷幕，将煤矿开采过程中产生的疏放水经过煤矿排水系统提升到地表，并接入地面水泵站，连接地面水泵站与注水钻孔，将煤矿采煤疏放水回注铀矿含矿含水层来形成水力帷幕；
S100构建水位智能调控系统，包括煤矿排水系统、地面输水系统、含矿含水层水位监测系统以及注水系统；
S110常态化调控含矿含水层水位，融合在线监测、数字化管理和人工智能，分区动态调节矿井抽水与含矿含水层回注速率，提升协调开采水位控制能力与精度。
2.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S10中，所述通过钻孔收集矿区水文地质信息，钻孔位置包括地表与井下，钻孔密度视地质复杂程度确定，钻进深度不小于煤层埋深；所述矿区水文地质信息包括探测地层的层位、岩性、结构构造、地层接触关系、孔隙水压力、地应力。
3.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S20中，所述地下水文状况包括煤矿地下水位、矿井涌水量以及铀矿含矿含水层水位。
4.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S30中，所述煤矿开采扰动范围指的是煤矿采场上方的导水裂隙带发育范围及上覆岩层移动边界位置；所述对铀矿含矿含水层的影响指的是含矿含水层内水位的降低及隔水层完整性与隔水性的改变。
5.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S40中，所述铀矿地浸开采是在矿床天然产状条件下，通过从地表钻进至矿层的注液钻孔将配制好的化学试剂注入矿层，与矿物发生化学反应，溶解矿石中的铀，随后将含铀的溶液抽至地表。
6.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S50中，所述充填开采法，指的是通过对采空区进行充填，支撑采空区顶板，避免因采场上覆岩层移动导致上方隔水层遭受破坏，从而降低煤矿发生突水事故的可能性，减少煤矿涌水量；进行工作面跳采同样可以减轻对采场上覆岩层的破坏，在一定程度上可以保护上方的隔水层。
7.根据权利要求1所述煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S60中，注浆钻孔的开孔位置可以在地面，也可以在煤矿井下。
8.根据权利要求1所述煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S60中，注浆钻孔形成的阻水墙体位于煤矿与铀矿之间。
9.根据权利要求1所述煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S60中，所述钻孔深度满足注浆体贯穿含矿含水层的需求，具体布设形式满足矿区地形地貌以及水位调控需求，并通过地下水系统模拟与水位调控系统仿真进行优化。
10.根据权利要求1所述煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S60中，注浆完成后进行全钻孔灌浆封堵以恢复隔水层的完整性。
11.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S70中，注浆形成的阻水墙体需要将铀矿与煤矿隔开，包括两种形态，一种是将铀矿体包围在内的全包围闭环形态，另一种是挡在煤矿与铀矿之间的半包围U型形态。
12.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S80中，注水钻孔的具体数量以及分布形式需要综合考虑含矿含水层水位调控需求、铀矿体大小和产状、外围阻水墙体形态以及矿区的地貌地势，最后通过地下水系统模拟对钻孔布设方案进行优化。
13.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S90中，根据注水钻孔的位置搭建环形注水管路和分支注水管路，注水泵站通过环形注水管路和分支注水管路连接全部的注水钻孔。
14.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S100中，通过在连接每个注水钻孔的分支注水管路上安装智能控制阀门，针对不同区域的含矿含水层水位情况，可以进行点对点的注水调节，实现对含矿含水层水位的分区动态精准调控。
15.根据权利要求1所述的煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，在步骤S110中，在含矿含水层水位经过一定时间的调控达到铀矿地浸开采临界水位后，通过含矿含水层水位监测系统持续监测水位变化，当含矿含水层水位有所下降时，基于前期建立的可视化数据库与模拟仿真系统，通过地下水系统模拟研究煤矿地下水子系统、铀矿地下水子系统以及区域整体地下水系统，并进行水位调控系统仿真，模拟研究包括注浆阻水在内的各种调控措施对地下水位的影响，辅助分析优化水位调控参数，根据分析结果增强煤矿涌水控制措施，在适当区域增补注浆钻孔与注水钻孔，并通过水位智能调控系统调整矿井抽水与含水层回注速率，实现抽注平衡，提升协调开采水位调控精度。
16.根据权利要求15所述煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，所述辅助分析优化水位调控参数，包括煤矿涌水控制方案、注浆阻水方案、矿井回注水方案。
17.根据权利要求15所述煤铀协调开采区含矿含水层水位主动智能调控方法，其特征在于，所述含矿含水层水位达到铀矿地浸开采临界水位，指的是满足铀矿正常开采的最低水位。
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