一种沙漠滩地区煤层顶板弱含水层的储水和供水方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种沙漠滩地区煤层顶板弱含水层的储水和供水方法。

背景技术

我国沙漠滩区煤炭资源丰富，但地下水含水层多以弱含水层为主，水资源储水有限。为解决沙漠滩区储水和供水问题，有采用采空区储水和供水、有人工含水层增透储水和供水等方法，但仍以下问题：

1)弱含水层利用有限，储水量较小。

2)人工将弱含水层改造增透，改造费用高。

采空区储水水质被污染，且储存在地势较低的区域，用水时需要更高的能耗。

发明内容

本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种沙漠滩地区煤层顶板弱含水层的储水和供水方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种沙漠滩地区煤层顶板弱含水层的储水和供水方法，包括如下步骤：

S1、通过降水量观测，将目标矿区分为雨季和非雨季；

S2、通过抽水实验，确定目标弱含水层；

S3、针对步骤S2确定的目标弱含水层，从地面实施多个水井，其中每个采煤工作面的地面投影位置处至少有y对水井，每对水井包括水井A和水井B，其中水井A的天然水位低于水井B的天然水位；y的计算方法如式(I)所示：

其中，INT()函数为去尾法取整函数，S为采煤工作面面积，通过测量获取，单位为m

S4、在雨季前，在步骤S3实施的水井中埋设热交换器，通过沙漠滩地昼夜温差，对弱含水层进行热交换；

S5、在雨季前，在水井A中，通过钻孔流速流向仪，确定改善后的弱含水层的主要径流段；

S6、在雨季时，通过水井存储大气降水，并观测每个水井的灌入量，当采煤工作面的总的灌入量达到C时停止，C的计算方法如式(II)所示：

C＝0.7×(E-F)×t(II)

其中，E为采煤工作面井下排水能力，单位为m

S7、在雨季后，在步骤S5确定的主要径流段深度，在水井A中进行射孔，射孔的方向为水井A指向水井B的方向；

S8、在井下对每个采煤工作面实施定向钻孔，定向钻孔水平段穿越步骤S5中的主要径流段，并在井下设置放水阀门和流量表；

S9、在非雨季，通过井下定向钻孔放水阀门放水，并记录每个钻孔的初始放水量；

S10、依据步骤S9所述的初始放水量从小到大依次进行采煤工作面的煤炭开采；每个采煤工作面开采前，对工作面区域内所有水井进行封孔，并采用井下定向钻持续放水，达到设定标准时结束防水；

S11、在非雨季，井下用水全部采用步骤S10的定向钻孔放水，当放水量大于用水量时，才将多余水资源抽排到地面供地面生产、生态需水。

进一步地，步骤S2中，所述目标弱含水层为厚度≥10m，且距离地表最近的弱含水层，所述目标弱含水层的富水性系数q为0.01～0.1L/(s·m)。

进一步地，步骤S4中，在白天气温比一天最低气温高10℃的时段，通过水井A抽水，抽出的水通过沙地管路吸收地面热量的时间≥1h，从水井B注回弱含水层；在夜晚气温比一天最高气温低10℃的时段，从水井A抽水，抽出的水通过沙地管路释放部分热量，释放的时间≥1h，向水井B注回弱含水层；该过程持续整个非雨季。

进一步地，步骤S4中，从水井A抽水以及向水井B注回弱含水层的动力来源为电能、太阳能、风能中的至少一种。

进一步地，步骤S5中，改善后的弱含水层的主要径流段确定方法为：根据弱含水层每1m深度的流速，圈定流速大于整个水井平均流速5倍及以上的层段，若没有大于等于5倍的情况，则取最大流速的层段。

进一步地，步骤S6中，F采用“大井法”计算，相关参数通过抽水实验及采煤工作面设计获得。

进一步地，步骤S9中，初始放水量是指每5～10min观测一次水量，连续观测三次水量变化在10％以内时的放水量，若无法达成连续三次变化条件，则取放水2h的水量。

进一步地，步骤S10中，放水结束的标准为水量较初始放水量衰减70％以上或者小于10m

本发明的有益效果是：

本发明综合考虑弱含水层储水困难多受制于岩体介质条件，创新利用沙漠滩地昼夜温差大的特点，对弱含水层进行长时间的热胀冷缩劣化增透；考虑劣化增透后仍然是非均质的，采用流速流向测定裂隙优势深度，并采用射孔技术进一步增大导水性，通过定向钻进行放水；形成良好的储层后，在雨季进行补水，补水时依据矿井排水能力和矿井涌水量预测对水量进行安全限定；供水方面，在没有开采的人工改造富水区进行超前使用，通过井下空间进行水资源调度，增加了水资源的协调利用，减少了水资源的升井量，降低了供水成本。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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作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。

本发明提供一种沙漠滩地区煤层顶板弱含水层的储水和供水方法，包括如下步骤：

S1、通过降水量观测，将目标矿区分为雨季和非雨季。

S2、通过抽水实验，确定目标弱含水层。所述目标弱含水层为厚度≥10m，且距离地表最近的弱含水层，所述目标弱含水层的富水性系数q为0.01～0.1L/(s·m)。

S3、针对步骤S2确定的目标弱含水层，从地面实施多个水井，其中每个采煤工作面的地面投影位置处至少有y对水井，每对水井包括水井A和水井B，其中水井A的天然水位低于水井B的天然水位。y的计算方法如式(I)所示：

其中，INT()函数为去尾法取整函数，S为采煤工作面面积，通过测量获取，单位为m

S4、在雨季前，在步骤S3实施的水井中埋设热交换器，通过沙漠滩地昼夜温差，对弱含水层进行热交换。在白天气温比一天最低气温高10℃的时段，通过水井A抽水，抽出的水通过沙地管路吸收地面热量的时间≥1h，从水井B注回弱含水层。在夜晚气温比一天最高气温低10℃的时段，从水井A抽水，抽出的水通过沙地管路释放部分热量，释放的时间≥1h，向水井B注回弱含水层。该过程持续整个非雨季。从水井A抽水以及向水井B注回弱含水层的动力来源为电能、太阳能、风能中的至少一种，优先考虑太阳能和风能。

S5、在雨季前，在水井A中，通过钻孔流速流向仪，确定改善后的弱含水层的主要径流段。确定方法为：根据弱含水层每1m深度的流速，圈定流速大于整个水井平均流速5倍及以上的层段，若没有大于等于5倍的情况，则取最大流速的层段。

S6、在雨季时，通过水井存储大气降水，并观测每个水井的灌入量，当采煤工作面的总的灌入量达到C时停止，C的计算方法如式(II)所示：

C＝0.7×(E-F)×t(II)

其中，E为采煤工作面井下排水能力，单位为m

S7、在雨季后，在步骤S5确定的主要径流段深度，在水井A中进行射孔，射孔的方向为水井A指向水井B的方向。

S8、在井下对每个采煤工作面实施定向钻孔，定向钻孔水平段穿越步骤S5中的主要径流段，并在井下设置放水阀门和流量表。

S9、在非雨季，通过井下定向钻孔放水阀门放水，并记录每个钻孔的初始放水量。初始放水量是指每5～10min观测一次水量，连续观测三次水量变化在10％以内时的放水量，若无法达成连续三次变化条件，则取放水2h的水量。

S10、依据步骤S9所述的初始放水量从小到大依次进行采煤工作面的煤炭开采。每个采煤工作面开采前，对工作面区域内所有水井进行封孔，并采用井下定向钻持续放水，达到设定标准时结束防水。放水结束的标准为水量较初始放水量衰减70％以上或者小于10m

S11、在非雨季，井下用水全部采用步骤S10的定向钻孔放水，当放水量大于用水量时，才将多余水资源抽排到地面供地面生产、生态需水。

本发明的相关具体实施例如下：

实施例1

本实施例以毛乌素沙漠地区为对象，毛乌素沙漠地区煤炭资源丰富，但水资源匮乏，特别是地下水大量弱含水层，水资源有限。毛乌素沙漠地区某煤矿原采用采空区储水供水，但采空区储水对相采煤工作面有安全隐患，且水资源进入采空区后水质有所劣化。

为此，本实施例采用一种利用煤层顶板弱含水层的储水供水方法来解决矿区水资源利用问题，具体步骤如下：

步骤一：通过降水量观测，将目标矿区分为雨季和非雨季。

步骤二：通过抽水实验，确定目标弱含水层。所述弱含水层为风化基岩含水层，其厚度为25米，且距离地表最近的弱含水层，其富水性系数为0.03L/(s·m)。

步骤三：针对步骤二确定的目标弱含水层，从地面实施多个水井，其中每个采煤工作面的地面投影位置处至少有y＝50对水井，y＝INT(S÷πR

步骤四：在雨季前，在步骤三实施的水井中埋设热交换器，通过沙漠滩地昼夜温差，对弱含水层进行热交换。在白天气温比一天最低气温高10℃的时段，通过水井A抽水，抽出的水通过沙地管路吸收地面热量时间不低于1小时，从水井B注回弱含水层，这一个过程采用太阳能和风能驱动。在夜晚气温比一天最高气温低10℃的时段，从水井A抽水，抽出的水通过沙地管路释放部分热量，时间不小于1小时，向水井B注回弱含水层，这一个过程采用太阳能和风能驱动。这一个过程持续整个非雨季。

步骤五：在雨季前，在水井A中，通过钻孔流速流向仪，确定改善后的弱含水层的主要径流段。在弱含水层每1米深度的流速，圈定流速大于整个水井平均流速5倍及以上的层段在埋深42米段。

步骤六：在雨季时，通过水井存储大气降水，并观测每个水井的灌入量，当采煤工作面的总的灌入量达到C时停止。以2203工作面为例，C＝0.7×(E-F)×t＝0.7×(245-182)×180×24＝19.0512万m

步骤七：在雨季后，在步骤五确定的主要径流段深度(埋深42米段)，在水井A中进行射孔，射孔的方向为水井A指向水井B。

步骤八：在井下对每个采煤工作面实施定向钻孔，定向钻孔水平段穿越步骤五中所述的主要径流段，并在井下设置放水阀门和流量表。

步骤九：在非雨季，通过井下定向钻孔放水阀门放水，并记录每个钻孔的初始放水量。所述初始放水量是指每10分钟观测一次水量，连续观测3次水量变化在10％以内时的放水量。2203、2204、2205、2206、2207五个采煤工作面初始放水量分别为32m

步骤十：依据步骤九所述的初始放水量从小到大依次进行采煤工作面的煤炭开采(开采顺序为2203、2204、2206、2205、2207)。每个采煤工作面开采前，对工作面区域内所有水井进行封孔，并采用井下定向钻持续放水，放水结束的标准为水量较初始放水量衰减70％以上或者小于10m

步骤十一：在非雨季井下用水全部采用步骤十的定向钻孔放水，当放水量大于用水量时，才将多余水资源抽排到地面供地面生产、生态需水。

通过以上方法，五个采煤工作面共计增加可利用水资源量724万方清洁水资源，除井下生产利用外，还得以供给地面生态修复和地面生产320万方。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。