本發(fā)明屬于煤礦開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域和水資源綜合利用領(lǐng)域，涉及一種煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)的煤炭的存儲(chǔ)量占世界第一，是煤炭生產(chǎn)、消費(fèi)都十分巨大的國(guó)家。隨著煤炭需求量的上升，煤炭開(kāi)采量也相應(yīng)的提高。目前國(guó)內(nèi)主要有兩種煤礦開(kāi)采形式，包括露天開(kāi)采和井下開(kāi)采。井下開(kāi)采煤炭的方式非常容易出現(xiàn)下沉、頂板和圍巖垮落，導(dǎo)致含水層破壞、各類(lèi)含水層地下水快速滲漏和外排甚至于出現(xiàn)地表面塌陷的問(wèn)題。露天開(kāi)采煤炭的方式可以分成剝離土地以及挖損等，造成采礦區(qū)及周邊地區(qū)的地表沉陷和地裂縫，導(dǎo)致河水滲漏，河道變形、斷流、干涸，從而影響土地的耕作以及植物生長(zhǎng)，甚至現(xiàn)山體滑坡、泥石流等問(wèn)題。在開(kāi)采煤炭的過(guò)程中會(huì)在很大程度上破壞地下水徑流，導(dǎo)致地下水位出現(xiàn)快速下降，對(duì)水文造成很大影響，煤炭開(kāi)采還在一定程度上污染地下水和地表水。在煤炭開(kāi)采的過(guò)程中，由于排水處理費(fèi)用相對(duì)較高，大部分企業(yè)都把沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的污水直接排出，從而導(dǎo)致出現(xiàn)地下水資源遭到破壞。目前有兩種保水開(kāi)采方式，分別是底板加固和減少導(dǎo)水裂縫帶高度等。底板加固是對(duì)底板隔水薄弱的地方進(jìn)行注漿強(qiáng)化，降低滲透性及提高抗壓能力，實(shí)現(xiàn)加固和封堵的目的；降低導(dǎo)水裂縫帶的高度可通過(guò)分層開(kāi)采、充填開(kāi)采、覆巖離層注漿法以及條帶開(kāi)采等方式實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的保水開(kāi)采均為在煤炭開(kāi)采過(guò)程中采取應(yīng)對(duì)措施，屬于被動(dòng)防御，已經(jīng)不可避免的對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源造成污染和損失。煤炭開(kāi)采影響破壞水資源是客觀(guān)現(xiàn)實(shí)，如何控制、減輕煤炭開(kāi)采對(duì)水資源的影響破壞的關(guān)鍵技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)和方法，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法根據(jù)實(shí)際情況對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域的水資源進(jìn)行預(yù)防、開(kāi)發(fā)、保護(hù)和修復(fù)，實(shí)現(xiàn)水資源提前保護(hù)，減少煤礦礦坑涌水、降低排水處理費(fèi)用、快速修復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的多重目標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)，所述煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)包括水資源開(kāi)采系統(tǒng)和水資源排灌系統(tǒng)；所述水資源開(kāi)采系統(tǒng)包括用于伸入水資源開(kāi)采區(qū)域的管井、第一水泵和抽水管道，所述水資源排灌系統(tǒng)包括儲(chǔ)水空間、第二水泵和排水管道；所述抽水管道的一端位于所述管井內(nèi)，另一端與所述第一水泵的入水口流體連通，所述第一水泵位于所述管井外部；所述儲(chǔ)水空間位于所述第一水泵出水口的下游；所述排水管道的一端位于所述儲(chǔ)水空間中，另一端與所述第二水泵的入水口流體連通；所述第二水泵的出水口位于所述儲(chǔ)水空間外部。

優(yōu)選地，所述管井的深度小于200米，管井的管口直徑為50-1000毫米。

優(yōu)選地，所述管井包括井壁管、位于所述井壁管內(nèi)中下部的過(guò)濾器和位于所述井壁管內(nèi)中所述過(guò)濾器下方的沉淀管。

優(yōu)選地，所述井壁管的材料選用鋼、鑄鐵、混凝土、陶瓷和工程塑料中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述過(guò)濾器包括過(guò)濾骨架和填充在過(guò)濾骨架內(nèi)的濾料。

優(yōu)選地，所述過(guò)濾骨架為鋼筋材料，其內(nèi)設(shè)置有上下流體連通的圓形或條形的孔道，所述濾料填充在所述孔道中，所述濾料為多孔材料、或具有級(jí)配的砂礫石或卵石。

優(yōu)選地，所述沉淀管的材料選自鋼、鑄鐵、混凝土、陶瓷和工程塑料中的一種或多種。

本發(fā)明還提供一種煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采方法，該方法包括：

1)、煤礦開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，以確定煤礦水資源厚度、面積、地下水補(bǔ)給通道和導(dǎo)水通道發(fā)育情況；

2)、按照煤礦開(kāi)采區(qū)域的開(kāi)采順序，將煤礦開(kāi)采區(qū)域分為Z₁，Z₂，Z₃，…，Z_n，并對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域之間的導(dǎo)水通道和地下水流通區(qū)域進(jìn)行鉆孔注漿加固；

3)、對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)抽取地下水并輸送至所述儲(chǔ)水空間，然后進(jìn)行采礦；其中，所述地下水的抽取量為W₁，W₁＝W₁₁+W₁₂；W₁₁為煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層的地下水量，W₁₁＝μ₁₁·F₁₁·h₁₁，μ₁₁為地下潛水層的給水度，F(xiàn)₁₁為地下潛水層的面積，h₁₁為地下潛水層的厚度；W₁₂為煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的承壓水層的地下水量，W₁₂＝μ₁₂·F₁₂·h₁₂，μ₁₂為貯水系數(shù)，F(xiàn)₁₂為承壓水層的面積，h₁₂為承壓水層自頂板算起的壓力水頭高度；

4)、對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的地下潛水層和承壓水層采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)抽取地下水并輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層中，然后進(jìn)行采礦，多余水輸送至所述儲(chǔ)水空間，不夠的水從所述儲(chǔ)水空間輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁；其中，所述地下水的抽取量為W₂，W₂＝W₂₁+W₂₂；W₂₁為煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的地下潛水層的地下水量，W₂₁＝μ₂₁·F₂₁·h₂₁，μ₂₁為地下潛水層的給水度，F(xiàn)₂₁為地下潛水層的面積，h₂₁為地下潛水層的厚度；W₂₂為煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的承壓水層的地下水量，W₂₂＝μ₂₂·F₂₂·h₂₂，μ₂₂為貯水系數(shù)，F(xiàn)₂₂為承壓水層的面積，h₁₂為承壓水層自頂板算起的壓力水頭高度；

5)按照Z(yǔ)₁，Z₂，Z₃，…，Z_n的順序進(jìn)行開(kāi)采所述煤礦開(kāi)采區(qū)域，待所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n開(kāi)采完畢，采用本發(fā)明所提供煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)將所述儲(chǔ)水空間的水輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n中。

優(yōu)選地，步驟3)中所述對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)抽取地下水并輸送至所述儲(chǔ)水空間的步驟包括：

將管井打入所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層，采用第一水泵通過(guò)抽水管道將潛水層和承壓水層中的地下水抽出并輸送至所述儲(chǔ)水空間；

步驟4)中所述對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的地下潛水層和承壓水層采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)抽取地下水并輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層中的步驟包括：

將管井打入所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的地下潛水層和承壓水層，采用第一水泵通過(guò)抽水管道將潛水層和承壓水層中的地下水抽出并通過(guò)所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的管井輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層中；

步驟5)中所述采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)將所述儲(chǔ)水空間的水輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n中的步驟包括：

將管井打入所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n的地下潛水層和承壓水層，采用第二水泵通過(guò)排水管道將所述儲(chǔ)水空間的水輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n中。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.隔離煤礦開(kāi)采區(qū)域涉及的地下水補(bǔ)充通道，在煤礦采掘前抽取地下水，能有效減少采掘過(guò)程中礦坑涌水，減少采掘過(guò)程中的污水處理、排水工作量，同時(shí)大大減少滲漏污染深層地下水和外排礦坑污水污染地表水甚至于通過(guò)滲漏污染礦區(qū)周?chē)牡叵滤目赡苄浴?/p>

2.抽取的地下水未經(jīng)煤礦開(kāi)采的污染，經(jīng)檢測(cè)合格后可用于煤礦的生產(chǎn)生活用水，也可對(duì)周?chē)┧M(jìn)行有益補(bǔ)充。

3.煤炭資源開(kāi)采完畢后通過(guò)管井回灌地下水，及時(shí)對(duì)地下潛水層和地下承壓水進(jìn)行補(bǔ)充，恢復(fù)原有的地下水資源的循環(huán)條件，減輕煤炭開(kāi)采對(duì)水資源的影響破壞，有效改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明公開(kāi)的一種煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)的一種具體實(shí)施方式的的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明公開(kāi)的一種煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采方法的一中具體實(shí)施方式的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)，所述煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)包括水資源開(kāi)采系統(tǒng)和水資源排灌系統(tǒng)；所述水資源開(kāi)采系統(tǒng)包括用于伸入水資源開(kāi)采區(qū)域的管井1、第一水泵2和抽水管道3，所述水資源排灌系統(tǒng)包括儲(chǔ)水空間4、第二水泵5和排水管道6；所述抽水管道3的一端位于所述管井1內(nèi)，另一端與所述第一水泵2的入水口流體連通，所述第一水泵(2)位于所述管井(1)外部；所述儲(chǔ)水空間4位于所述第一水泵2出水口的下游；所述排水管道6的一端位于所述儲(chǔ)水空間4中，另一端與所述第二水泵5的入水口連通；所述第二水泵5位于所述儲(chǔ)水空間4外部。

所述的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)，管井1的深度由地下煤礦儲(chǔ)存涉及的地下潛水層和承壓水層的深度決定，深度一般在200m以?xún)?nèi)，管口直徑50-1000mm，管井1包括井壁管10、過(guò)濾器11和沉淀管12。井壁管10材料可選用鋼、鑄鐵、混凝土、陶瓷和工程塑料等，用于加固井壁和隔離采煤沒(méi)有涉及到的含水層；過(guò)濾器11包括過(guò)濾骨架和濾料，安裝在含水層段，用于匯集地下水和保持含水層穩(wěn)定，其中可包括鋼筋骨架、圓孔或條孔過(guò)濾器，濾料內(nèi)部可填充物多孔材料或一定級(jí)配的砂礫石卵石。沉淀管12放置在過(guò)濾器11下方，用于沉淀細(xì)小沙粒，材料可采用鋼、鑄鐵、混凝土、陶瓷和工程塑料等。

如圖2所示，本發(fā)明還提供一種煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采方法，該方法包括：

1)、煤礦開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，以確定煤礦水資源厚度、面積、地下水補(bǔ)給通道和導(dǎo)水通道發(fā)育情況；例如可以采用核磁共振等地下水聯(lián)合探測(cè)技術(shù)；

2)、按照煤礦開(kāi)采區(qū)域的開(kāi)采順序，將煤礦開(kāi)采區(qū)域分為Z₁，Z₂，Z₃，…，Z_n，并對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域之間的導(dǎo)水通道和地下水流通區(qū)域進(jìn)行鉆孔注漿加固；

3)、對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁(首采區(qū))的地下潛水層和承壓水層采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)抽取地下水并輸送至所述儲(chǔ)水空間，然后進(jìn)行采礦；其中，所述地下水的抽取量為W₁，W₁＝W₁₁+W₁₂；W₁₁為煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層的地下水量，W₁₁＝μ₁₁·F₁₁·h₁₁，μ₁₁為地下潛水層的給水度，F(xiàn)₁₁為地下潛水層的面積，h₁₁為地下潛水層的厚度；W₁₂為煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的承壓水層的地下水量，W₁₂＝μ₁₂·F₁₂·h₁₂，μ₁₂為貯水系數(shù)，F(xiàn)₁₂為承壓水層的面積，h₁₂為承壓水層自頂板算起的壓力水頭高度；抽取的地下水也可用于煤礦開(kāi)采的生產(chǎn)生活用水；

4)、對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂地下潛水層和承壓水層采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)抽取地下水并輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁地下潛水層和承壓水層中，然后進(jìn)行采礦，多余水輸送至所述儲(chǔ)水空間，不夠的水從所述儲(chǔ)水空間輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁；其中，所述地下水的抽取量為W₂，W₂＝W₂₁+W₂₂；W₂₁為煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的地下潛水層的地下水量，W₂₁＝μ₂₁·F₂₁·h₂₁，μ₂₁為地下潛水層的給水度，F(xiàn)₂₁為地下潛水層的面積，h₂₁為地下潛水層的厚度；W₂₂為煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的承壓水層的地下水量，W₂₂＝μ₂₂·F₂₂·h₂₂，μ₂₂為貯水系數(shù)，F(xiàn)₂₂為承壓水層的面積，h₁₂為承壓水層自頂板算起的壓力水頭高度；抽取的地下水也可用于煤礦開(kāi)采的生產(chǎn)生活用水；

5)按照Z(yǔ)₁，Z₂，Z₃，…，Z_n的順序進(jìn)行開(kāi)采所述煤礦開(kāi)采區(qū)域，待所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n開(kāi)采完畢，采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)將所述儲(chǔ)水空間的水輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n中。其中，每個(gè)煤礦開(kāi)采區(qū)域所抽取的地下水W₂，W₃，W₄…，W_n依次循環(huán)回上一個(gè)煤礦開(kāi)采區(qū)域，W₁的水循環(huán)回煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n。

一種具體實(shí)施方式，步驟3)中所述對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)抽取地下水并輸送至所述儲(chǔ)水空間的步驟包括：

將管井1打入所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層，采用第一水泵2通過(guò)抽水管道3將潛水層和承壓水層中的地下水抽出并輸送至所述儲(chǔ)水空間5；

步驟4)中所述對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的地下潛水層和承壓水層采用本發(fā)明所提供的所述的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)抽取地下水并輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層中的步驟包括：

將管井1打入所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₂的地下潛水層和承壓水層，采用第一水泵2通過(guò)抽水管道3將潛水層和承壓水層中的地下水抽出并通過(guò)所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的管井1輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z₁的地下潛水層和承壓水層中；

步驟5)中所述采用本發(fā)明所提供的煤礦水資源分區(qū)預(yù)開(kāi)采系統(tǒng)將所述儲(chǔ)水空間的水輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n中的步驟包括：

將管井1打入所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n的地下潛水層和承壓水層，采用第二水泵5通過(guò)排水管道6將所述儲(chǔ)水空間5的水輸送至所述煤礦開(kāi)采區(qū)域Z_n中。

所述的排灌系統(tǒng)，儲(chǔ)水空間指儲(chǔ)水容積≥首采區(qū)Z₁的地下水抽取量的水池或已有水庫(kù)設(shè)施。

如果每個(gè)煤礦開(kāi)采區(qū)域的水有多余，則送入儲(chǔ)水空間，水不夠，則從儲(chǔ)水空間取，儲(chǔ)水空間的水可以用于生活用水。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說(shuō)明及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。