《一種礦井地下水的分散式利用方法》是中國神華能源股份有限公司、中國礦業大學（北京）於2012年4月28日申請的專利，該專利的公布號為CN102865103A，授權公布日為2013年1月9日，發明人是顧大釗、張凱、陳書社、魏文玉、楊峰。
《一種礦井地下水的分散式利用方法》包括：A、對採區地下空間進行勘查，獲得地層的基礎地質數據；B、對礦井地下水進行觀測，獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據；C、根據獲得的地層基礎地質數據，和地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據，將採煤後一個或多個地下水無法穿透的採空區空間確定為分散式地下水庫的儲水空間；D、當確定的儲水空間形成後，其相鄰工作面採煤時產生的地下水，自然滲流到所述儲水空間；E、每個儲水空間有連通到地表的抽水孔，當需要用水時，將地下水抽出到地表進行利用；當需要增加存水時，將外部水回灌到儲水空間。該發明能夠減少地下水的流失及對生態環境的生長及恢復的影響。
2015年11月27日，《一種礦井地下水的分散式利用方法》獲得第十七屆中國專利獎金獎。
（概述圖為《一種礦井地下水的分散式利用方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種礦井地下水的分散式利用方法
- 申請人：中國神華能源股份有限公司、中國礦業大學（北京）
- 申請日：2012年4月28日
- 申請號：2012101341625
- 公布號：CN102865103A
- 公布日：2013年1月9日
- 發明人：顧大釗、張凱、陳書社、魏文玉、楊峰
- 地址：北京市東城區安外西濱河路22號神華大廈
- Int.Cl.：E21F16/00(2006.01)I、E21F17/16(2006.01)I、E21F15/00(2006.01)I、E03B3/06(2006.01)I
- 代理機構：北京邦信陽專利商標代理有限公司
- 代理人：王昭林、項京
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
中國是缺水國家，水資源短缺現象對國民經濟發展和人民生活的改善構成了嚴重威脅。在煤炭開採過程中不可避免的會產生礦井地下水，僅中國國有重點煤礦每年排放的礦井地下水就高達22億噸，平均每開採一噸煤就需要排放2噸廢水。這樣，不僅浪費了大量寶貴的水資源，而且礦井地下水一旦外排，對周邊環境極易構成嚴重的環境污染。
在中國西部地區賦存著豐富的煤炭資源，但水資源匱乏，礦區用水及周邊區域用水緊張的情況進一步惡化，已經嚴重製約了礦區的正常生產，也不利於資源與環境的協調發展。
2012年前，對礦井地下水的處理仍以抽排到地表為主。由於水資源利用的季節性等因素，造成水資源的極大浪費，加劇了當地水資源供給的失衡。同時，對礦井地下水懸浮物及水質的處理方法大多仍是在礦井水由井下排放在地表進行處理，也容易造成二次污染。
對於地下水資源的保護中國國內已有一些嘗試，比如峰峰集團梧桐莊礦出於對深部水害的防治及地下水的保護，對礦井水進行井下收集、處理並回灌至奧灰含水層。另外，“礦井水處理工藝及礦井水一體化處理裝置”（CN1884145）、“利用礦井地下巷道空間處理礦井水技術”（CN101012091）、“煤礦礦井水井下淨化處理裝置及方法”（CN102336484A）、“礦井水綜合處理利用技術”（CN101975087A）、“煤礦井下採空區水的淨化方法”（CN1482078）等專利文獻中，分別提出了通過採空區過濾淨化水、巷道空間利用淨水設備處理礦井水、以及對礦井水的收集與利用，以此實現對礦井水的處理及保護。
上述方法中，礦井水的利用主要是先通過井下水泵及管道將礦井水收集到水倉，再排水管將水輸送到地表進行利用。其中有兩種方式，一是在井下進行收集後處理，然後直接在井下復用到生產中；二是將水收集後輸送到地表進行處理及利用。不管是收集後井下處理還是地表處理，這兩種方法都是將礦井水從地層空間中抽走，實際造成了地下水的流失，導致水位不斷下降，影響生態環境的生長及恢復。
發明內容
專利目的
《一種礦井地下水的分散式利用方法》的主要目的在於提供一種礦井地下水的分散式利用方法，減少地下水的流失及對生態環境的生長及恢復的影響。
技術方案
《一種礦井地下水的分散式利用方法》包括如下步驟
A、對採區地下空間進行勘查，獲得地層的基礎地質數據；
B、對礦井地下水進行觀測，獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據；
C、根據步驟A獲得的地層基礎地質數據，和步驟B獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據，將採煤後一個或多個地下水無法穿透的採空區空間確定為分散式地下水庫的儲水空間；
D、在採煤過程中，當確定的儲水空間形成後，其相鄰工作面採煤時產生的地下水，自然滲流到所述儲水空間；
E、所述每個儲水空間設定有連通到地表的抽水孔，當需要用水時，通過抽水孔將地下水抽出到地表進行利用；當需要增加存水時，通過抽水孔將外部水回灌到儲水空間。
較佳地，所述步驟A包括採煤前的勘察和採空區形成後的勘察，分別獲得地層開採前和採空區的基礎地質數據；所述步驟C中，根據獲得的地層開採前和採空區的基礎地質數據，和步驟B獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據，確定儲水空間。
較佳地，所述基礎地質數據至少包括：地層結構，各地層岩性，岩石力學強度，岩石滲透性能，採空區的空間範圍。
較佳地，步驟B所述獲得地下水的流場分布情況為確定地下水的流動方向。
較佳地，該方法還包括：進行首采時，在保障安全的前提下，在採區工作面中最低標高的工作面進行首采。
較佳地，在採煤過程中向作為儲水空間的採空區的底部回填煤矸石，形成煤矸石淨化過濾層；該煤矸石淨化過濾層的填充量和填充粒度，根據自來水廠沙濾池的填充量和填充粒度確定。
較佳地，該方法還包括：在儲水空間未形成前對應的工作面，預設區域保留預設厚度的煤矸石；採煤後，形成位於儲水空間底部的煤矸石淨化過濾層；所述儲水空間的抽水孔，從煤矸石淨化過濾層底部連通到地表。
較佳地，在採煤過程中選擇煤矸石強度最弱的區域作為預設區域，並按照自來水廠沙濾池的填充量確定所需要保留的煤矸石煤層厚度；採煤後，煤矸石自然塌落，形成粗細不一的煤矸石顆粒層，該煤矸石顆粒層作為煤矸石淨化過濾層。
較佳地，該方法在採煤後自然形成煤矸石淨化過濾層的方式中，還在採煤過程中回填破碎塊度為200毫米-400毫米的煤矸石顆粒至工作面預設區域，以形成過濾性能更好的煤矸石淨化過濾層。
較佳地，所述抽水孔位於地表的一端連線有控制閥門，通過控制該控制閥門，將地下水抽出到地表或將外部水回灌到儲水空間。
較佳地，該方法進一步包括，以混凝土防水密閉加固各作為儲水空間的採空區與大巷交叉的平巷出口。
較佳地，該方法還包括：在作為儲水空間的採空區的平巷口加設採空區水位觀測透明膠管以及泄水管路；當採空區水位超過警戒水位時，打開泄水閥進行疏放。
改善效果
《一種礦井地下水的分散式利用方法》的這種礦井地下水的分散式利用方法，改變了以往礦井地下水先抽采再處理利用的傳統思維，通過採區地下空間實現礦井地下水的分散式存儲，並對地下水進行淨化、利用與回灌，將地下水儘可能的保存在地層空間進行科學利用，減少地下水的流失，同時也有利於地區生態環境的保護與修復。
附圖說明
圖1為《一種礦井地下水的分散式利用方法》的過程圖；
圖2為該發明一個較佳實施例中的分散式水庫的空間示意圖；
圖3為圖3所示實施例中的儲水空間與淨化過濾層、抽水孔、控制閥門的位置和連線關係示意圖。
技術領域
《一種礦井地下水的分散式利用方法》涉及地下水資源的利用領域，特別涉及一種礦井地下水的分散式利用方法。
權利要求
1.《一種礦井地下水的分散式利用方法》其特徵在於，包括如下步驟：
A、對採區地下空間進行勘查，獲得地層的基礎地質數據；
B、對礦井地下水進行觀測，獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據；
C、根據步驟A獲得的地層基礎地質數據，和步驟B獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據，將採煤後一個或多個地下水無法穿透的採空區空間確定為分散式地下水庫的儲水空間；
D、在採煤過程中，當確定的儲水空間形成後，其相鄰工作面採煤時產生的地下水，自然滲流到所述儲水空間；
E、所述每個儲水空間設定有連通到地表的抽水孔，當需要用水時，通過抽水孔將地下水抽出到地表進行利用；當需要增加存水時，通過抽水孔將外部水回灌到儲水空間。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於：所述步驟A包括採煤前的勘察和採空區形成後的勘察，分別獲得地層開採前和採空區的基礎地質數據；所述步驟C中，根據獲得的地層開採前和採空區的基礎地質數據，和步驟B獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據，確定儲水空間。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於：所述基礎地質數據至少包括：地層結構，各地層岩性，岩石力學強度，岩石滲透性能，採空區的空間範圍。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於：步驟B所述獲得地下水的流場分布情況為確定地下水的流動方向。
5.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，該方法還包括：進行首采時，在保障安全的前提下，在採區工作面中最低標高的工作面進行首采。
6.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，該方法還包括：在採煤過程中向作為儲水空間的採空區的底部回填煤矸石，形成煤矸石淨化過濾層；該煤矸石淨化過濾層的填充量和填充粒度，根據自來水廠沙濾池的填充量和填充粒度確定。
7.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，該方法還包括：在儲水空間未形成前對應的工作面，預設區域保留預設厚度的煤矸石；採煤後，形成位於儲水空間底部的煤矸石淨化過濾層；所述儲水空間的抽水孔，從煤矸石淨化過濾層底部連通到地表。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於：在採煤過程中選擇煤矸石強度最弱的區域作為預設區域，並按照自來水廠沙濾池的填充量確定所需要保留的煤矸石煤層厚度；採煤後，煤矸石自然塌落，形成粗細不一的煤矸石顆粒層，該煤矸石顆粒層作為煤矸石淨化過濾層。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於：該方法還在採煤過程中回填破碎塊度為200毫米-400毫米的煤矸石顆粒至工作面預設區域，以形成過濾性能更好的煤矸石淨化過濾層。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於：所述抽水孔位於地表的一端連線有控制閥門，通過控制該控制閥門，將地下水抽出到地表或將外部水回灌到儲水空間。
11.如權利要求1-10任一項所述的方法，其特徵在於：該方法進一步包括，以混凝土防水密閉加固各作為儲水空間的採空區與大巷交叉的平巷出口。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，該方法還包括：在作為儲水空間的採空區的平巷口加設採空區水位觀測透明膠管以及泄水管路；當採空區水位超過警戒水位時，打開泄水閥進行疏放。
實施方式
如圖1所示，《一種礦井地下水的分散式利用方法》包括如下步驟：
步驟101，對採區地下空間進行勘查，獲得地層的基礎地質數據。
實際套用中，對採區地下空間的勘察包括採煤前的勘察和採空區形成後的勘察，分別獲得地層開採前和採空區的基礎地質數據。這些基礎地質數據包括：地層結構，各地層岩性，岩石力學強度，岩石滲透性能，採空區的空間範圍等等。
步驟102，對礦井地下水進行觀測，獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據。
這裡所述的獲得地下水的流場分布情況為確定地下水的流動方向。
步驟103，根據步驟101獲得的地層基礎地質數據，和步驟102獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據，將採煤後一個或多個地下水無法穿透的採空區空間確定為分散式地下水庫的儲水空間。
實際套用中，可以根據獲得的地層開採前和採空區的基礎地質數據，和步驟102獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據，確定儲水空間。
步驟104，在採煤過程中，當確定為儲水空間形成後，其相鄰工作面採煤時產生的地下水，自然滲流到所述儲水空間。
步驟105、所述每個儲水空間設定有連通到地表的抽水孔，當需要用水時，通過抽水孔將地下水抽出到地表進行利用；當需要增加存水時，通過抽水孔將外部水回灌到儲水空間。
另外，該發明在初始儲水空間的選擇上，改變以往基於防治水理念選擇煤層較高標高進行首采的思路，在採區工作面最低標高的工作面進行首采，以利於地下水通過自然滲流匯入分散式水庫的各個儲水空間。
同時，由於分散式水庫的各個儲水空間有限，大量積水的存在必然導致水壓的上升，為了防止突水事故的發生，該發明還可以採取一些密封加固工程措施。
實際生產中，在儲水空間未形成前對應的工作面，預設區域保留預設厚度的煤矸石；採煤後，煤矸石層塌落，自然形成位於儲水空間底部的煤矸石淨化過濾層。這樣，所述儲水空間設定的連通到地表的抽水孔，就從煤矸石淨化過濾層底部連通到地表。
下面以神東礦區利用分散式水庫存儲地下水的套用情況為實施例對該發明作進一步描述：
首先，為了選取可能適宜的地下儲水空間，對採區地下空間了進行勘查。該實施例中從採區地下空間的綜合勘查成果圖中獲取地層、岩性、構造分布等數據和信息，從地下水分布動態觀測資料庫導入水位數據及其相關數據和信息。充分蒐集採區的2012年4月之前的鑽孔數據、水文地質圖以及相關水文地質資料，通過數位化儀、掃瞄器等將原始數據數位化，採用資料庫工具管理、維護和處理最終獲得了地層的地層結構、各地層岩性、岩石力學強度、岩石滲透性能、採空區的空間範圍等等基礎地質數據。
具體的勘查方法與2012年4月之前的技術相同，這裡不再贅述。
然後，對礦井地下水進行觀測，獲得地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據。該實施例中，為了探索地下水的分布特徵、流動規律等，對採區地下水的水位、水質、水壓等進行定期動態觀測。
地下水分布動態觀測與採集的手段分為人工和自動兩種方式，結合實際水文地質條件，一般設定每周記錄1次數據，通過數字設備導入資料庫中。通過資料庫實現將不同時期、不同格式的多源數據匯集，作為原始水文地質依據。
地下水觀測的目的是主要有三個：一是通過水位數據獲得地下水的流場分布情況，即地下水的流動方向，基於此可以為選擇地下水庫提供依據，因為水庫的選擇需要使地下水流入其中；二是獲得水質數據，了解地下水庫中地下水的污染情況，為將來的處理與利用做依據；三是獲得水壓數據，為密封保護提供依據，使地下水庫的結構強度能否滿足水壓要求，不至於發生泄漏。
然後，再根據前面獲得的地層基礎地質數據和地下水的流場分布情況、水質數據以及水壓數據，將採煤後一個或多個地下水無法穿透的採空區空間確定為分散式地下水庫的儲水空間。
分散式水庫中儲水空間的選擇受控於地下空間的介質條件與地下水分布，因此根據前面獲得的數據，將分散式水庫中儲水空間劃分為儲水能力好（I）、儲水能力一般（II）、儲水能力差（III）三類。
保水性好（I）：岩體力學強度高，抗水壓能力強，隔水性能好，儲水能力好；
保水性一般（II）：岩體力學強度中等，抗水壓能力中等，隔水性能中等，儲水能力一般；
保水性差（III）：岩體力學強度差，抗水壓能力差，隔水性差，儲水能力差。
在水文地質學中一般將鑽孔單位湧水量小於0.001升/秒.米的岩層視為隔水層。隔水層的抗水壓能力和隔水層的岩性密切相關。對於煤系沉積岩石，隔水層岩性主要有泥岩、粉砂岩和砂岩。
根據有效保護層的斷裂構造發育程度和工程規模將有效保護層劃分為完整結構、塊裂結構、碎裂結構和鬆散結構四類。可以認為完整結構為保水性好，塊裂結構為保水性一般，碎裂結構和鬆散結構為保水性差。
對於上述儲水能力好（I）的儲水空間，在實際生產中，可以考慮不另外增加或少增加密封措施；對於儲水能力一般（II）和儲水能力差（III）的儲水空間，要根據實際情況多增加密封措施。
在初始儲水空間的選擇上，改變以往基於防治水理念選擇煤層較高標高進行首采的思路，在採區工作面中最低標高的工作面進行首采，例如：某採區有多個工作面，標高從200米-210米，則從標高為200米的工作面進行首采以利於地下水通過自然滲流匯入分散式水庫。分散式水庫的空間布局如圖2所示，圖2中示出了四個採區中，三採區分散式水庫的空間位置。其中，一採區和二採區相鄰，三採區和四採區相鄰，一/二採區和三/四採區之間設定有巷道。三採區中分散式水庫示出了2個儲水空間和一個工作面，各個儲水空間和工作之間分布設有煤柱相隔。在2個儲水空間靠近巷道的位置設定有泄水閥。
然後，基於分散式水庫的確定，通過調整開採參數，主要是工作面大小來控制分散式水庫的形成，以利於儲水。
該實施例中，通過適當加大工作面長度，以增大分散式水庫的儲水空間，同時可以減少工作面的準備工程量，提高回採率。結合神東礦區已經形成的先進的生產管理經驗，並充分考慮本採區井下開採技術條件、煤層賦存穩定的實際情況，確定52304首采工作面長度為300米。在其他礦區實施時，可根據實際情況進行調整，例如可以將首采工作面長度設定在290-310米之間。
同時，還可以通過適當加大工作面推進長度，進一步增大分散式水庫的儲水空間。鑒於礦井5-2煤層賦存十分穩定，傾角小，具有布置長距離推進的長壁工作面的資源條件，因此設計在綜合考慮到井田構造、煤層條件等因素的情況下，儘可能的加長工作面推進長度，確定52304首采工作面推進長度4450米。在其他礦區實施時，可根據實際情況進行調整，例如可以將首采工作面推進長度設定在4400-4500米之間。
由於分散式水庫空間有限，大量積水的存在必然導致水壓的上升。該實施例中，為了防止突水事故的發生，需要採取了一些密封保護工程措施，以利於地下水直接流入儲水空間進行過濾及存儲，減少地下水湧入礦井。
具體的措施有：
1、以混凝土防水密閉加固各作為儲水空間的採空區與大巷交叉的平巷出口。
2、可以在所有作為儲水空間的採空區，或僅在地勢較低的採空區的平巷口加設採空區水位觀測透明膠管以及泄水管路；當採空區水位超過警戒水位時，可以打開泄水閥將多餘的水通過管路疏放至地下水倉，進一步通過地下水倉連線的管路，將多餘的水抽取到地表上。
該實施例中，為了提高地下水的質量。在從分散式水庫中的儲水空間抽采地下水進行利用前，可以先對存儲的水進行淨化。淨化的方法可以採用2012年4月之前的技術實現，也可以採用如下方式實現：在抽水孔底部布置合理礫度的煤矸石作為地下水的淨化過濾層。
具體地，煤矸石淨化過濾層可以由兩種方式形成：第一種是在採煤過程中通過回填煤矸石的方式形成，採用回填方式時，該領域技術人員可以根據自來水廠沙濾池的填充量和填充粒度進行填充煤矸石以形成煤矸石淨化過濾層。第二種是自然形成煤矸石淨化過濾層，在採煤過程中選擇煤矸石強度最弱的區域作為預設區域，可以按照自來水廠沙濾池的填充量確定所需要保留的煤矸石煤層厚度。在開採結束後，煤矸石采後自然塌落，由於本身強度較為脆弱，其會形成粗細不一的顆粒層，即煤矸石淨化過濾層。
對於這種方式，還可以在採煤過程中回填顆粒較小煤矸石，例如：破碎塊度200毫米-400毫米的煤矸石顆粒，至工作面預設區域，以形成過濾性能更好的煤矸石淨化過濾層。
如圖3所示，該實施例中，在分散式水庫的某個儲水空間的底部中間位置，由於採煤後煤矸石塌落形成了部分煤矸石淨化過濾層。圖3中，抽水孔從儲水空間中煤矸石淨化過濾層的底部一直連通到地表，且該抽水孔位於地表的一端連線有控制閥門。該實施例中通過控制該控制閥門，將地下水抽出到地表或將外部水回灌到儲水空間。
榮譽表彰
2015年11月27日，《一種礦井地下水的分散式利用方法》獲得第十七屆中國專利獎金獎。
