矿区多层位水资源协同保护性开采方法技术

本发明专利技术公开的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，涉及煤矿开采技术领域。该方法通过依次分析采动覆岩结构分层/分区特性、各结构分层内采动应力路径特征以及采动覆岩渗透性分层/分区特征，确定覆岩渗流隔离层层位、高度及渗透性等参数；基于覆岩“渗流隔离”控制原理，研究开采参数与开采布置方式对多层位水资源的采隔控制效应矿区多层位水资源协同保护性开采方法与导流调控效应，并对采掘面围岩渗水、采动覆岩裂隙发育及浅表水位变化进行无损监测及动态评价预测；最终形成覆岩渗流隔离层阻水、渗流带与渗漏带导流、采空区汇集储水的多层位水资源协同保护体系。该方法可较好地满足生态脆弱矿区水量、生态水位和水循环系统保护要求，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
矿区多层位水资源协同保护性开采方法
本专利技术涉及煤矿开采
，具体涉及一种矿区多层位水资源协同保护性开采方法。
技术介绍
保水采煤是解决煤炭开采与生态环境保护协调发展的重要途径。目前针对保水采煤机理方面的研究，主要包括：以关键层理论及采动覆岩渗流理论等为支撑，形成结构关键层控制原理、隔水层稳定性控制原理和隔水关键层保护原理等；以矿区地下水及地表生态的稳定性关系或生态“原态”保护理念为支撑，形成“煤水共存”、“生态水位”，隔水层重构以及“煤-水仿生共采”等理念。针对保水采煤方法研究方面，总体可分成两类“堵截法”和“疏导法”。以“堵截法”为特征的保水开采方法，核心是保护煤层上方隔水层完整性，避免形成导水裂隙，从而堵截地下水向下渗流，实现保护“生态水位”目的，包括充填开采、限高开采、房柱式开采等，但其推广应用尚需解决提高煤炭资源采出率等问题。以“疏导法”为特征的矿井水储用方法，核心是采用疏导手段，在掌握并利用煤炭开采地下水运移规律基础上，将矿井水转移至采空区进行储存，并建设相应的抽采利用工程，该技术已成功在神东矿区全面实施。但整体而言，现有的保水采煤机理与方法，均不能同时较好地满足生态脆弱矿区水量、生态水位和水循环系统保护要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术公开了一种矿区多层位水资源协同保护性开采方法，建立覆岩渗流隔离层阻水、渗流带与渗漏带导流、采空区汇集储水的多层位水资源协同保护体系，同时采用无损检测手段对采掘面围岩渗水及采动覆岩裂隙发育与浅表水位变化进行实时全面监测和预警，适用范围广泛。根据本专利技术的目的提出的一种矿区多层位水资源协同保护性开采方法，包括如下步骤：步骤一、研究不同开采方式下采动覆岩整体协同运移规律，分析覆岩协同变形对裂隙发育的控制作用，计算覆岩贯通裂隙带、非贯通裂隙带及连续变形结构的层位及高度，得到采动覆岩结构分层/分区特性。步骤二、针对不同开采方式，分析采空区与覆岩的应力传递关系，研究采动覆岩应力卸载与采空区应力恢复特性，得到各结构分层内采动应力路径。步骤三、分析采动应力路径下采动覆岩各结构分层内应力及应变与渗透率演化特征，研究应力-渗透率与应变-渗透率的耦合关系，并建立覆岩各岩层渗透率劣化表征方法，计算覆岩渗漏带、渗流带及微渗流带的层位及高度，得到采动覆岩渗透分层/分区特征。步骤四、分析煤系地层空间结构与生态含水层水循环特征，研究采动影响下生态含水层与微渗流带之间岩层的阻隔水性能演化规律，并据此确定能有效阻断生态含水层水资源流失的阻隔水岩层为“渗流隔离层”。步骤五、针对不同开采方式的开采特征，研究主要开采参数对渗流隔离层之上生态含水层水位和水循环运移的采隔控制效应；在采空区内建立储水区域，研究开采布置方式对渗流隔离层之下含水层渗漏水资源的导流调控效应；形成覆岩渗流隔离层阻水、渗流带与渗漏带导流、采空区汇集储水的多层位水资源协同保护体系。优选的，步骤一中，覆岩结构分层以岩层内“裂隙贯通率”为依据，判定贯通裂隙带、非贯通裂隙带及连续变形结构的层位及高度，裂隙贯通率按下式计算：式中，η为裂隙贯通率；I为岩层惯性矩，m4；[σt]为临界抗拉强度，MPa；h岩层厚度，m；M为岩层承受的最大弯矩，N·m。优选的，步骤一中，不同的开采方式包括垮落式开采和充填开采；若采用充填开采，在分析采动覆岩结构分层/分区特性之前，应先研究充填采场结构稳定性：首先，分析充填体与煤柱对覆岩的协同支撑作用，建立相应的充填采场矿压模型、力学模型及系统稳定性数学模型，计算充填体压缩量；其次，分析采场结构失稳的临界条件，研究充填体变形与采场结构失稳的关联性；最后，确定维持采场结构稳定性的主要开采参数阈值。优选的，步骤二中采空区与覆岩的应力传递关系分析：若采用垮落式开采，则分析采空区垮落岩石的堆积与压实特征；若采用充填开采，则分析充填体(11)压缩与承载特征。优选的，步骤三中，首先，通过岩石三轴渗透性测试，分析覆岩各岩层应力、应变与渗透性演化特征；其次，采用数值计算的方法，分析采动应力路径下覆岩各岩层损伤演化过程中岩石的体应变变化规律，拟合出岩石塑性应变损伤变量-应力曲线，确定岩石损伤判据；最后，建立各岩层损伤变量与渗透率的对应关系，提出覆岩渗透率劣化表征方法，并以渗透劣化率为阈值，阐述覆岩渗漏带、渗流带及微渗流带的分层分区特征。优选的，步骤五中，首先，计算得到采动应力路径下覆岩变形与渗流隔离层渗透性的耦合关系及时空特性；其次，以渗流隔离层阻隔水性能作为评判标准，系统分析垮落式开采中煤柱尺寸、工作面推进距离开采参数或充填开采中充实率、充填采场尺寸开采参数对生态含水层水位与水循环的采隔控制效应；最后，提出采隔交替、全采全充及全采局充的开采布置方式，研究隔离煤柱或充填体对覆岩渗漏带、渗流带水资源的横向隔离和垂向导流规律，确定出导流调控边界，得到隔离煤柱尺寸或充实率参数对渗流隔离层之下含水层渗漏水的导流调控作用。优选的，步骤五中对渗流隔离层及采空区内储水区域的阻隔水性能进行动态评价预测，优化关键开采参数和开采布置方式，优选的，对渗流隔离层及采空区内储水区域的阻隔水性能进行动态评价预测方式包括对采掘面围岩渗水的声-热监测以及对采动覆岩裂隙发育及浅表水位变化的“声-热-流”无损监测。优选的，声-热监测包括：a.采用防爆红外热像仪对采掘面充填体、煤柱及围岩进行移动式监测，建立承载煤岩体与参照煤岩本底噪声的拟合关系，获得煤岩体“真实”的红外辐射信息；b.采用微震监测系统对采掘面充填体、煤柱及围岩进行监测，基于微震事件分析裂隙发育过程及区域，研究煤岩破裂的前兆特征，得到煤岩破裂微震撞击事件频次与能量密度的预警阈值；c.采用煤矿防爆红外热像仪对充填体、煤柱及工作面覆岩裂隙发育区进行固定监测，找出采动煤岩或充填体破裂和围岩渗/突水的前兆，确定充填体破裂和围岩渗/突水的红外辐射阈值，实现对充填体、煤柱的稳定性以及围岩破裂渗/突水的红外监测预警；d.计算工作面围岩渗/突水的雷诺数以判断渗水状态，收集含水体水样以及渡流或紊流状态下采掘面渗/突水样，检测两种水样的离子成分和含量，采用灰色关联度的方法定位工作面围岩渗水水源。优选的，“声-热-流”无损监测包括：a.采用微震系统监测工作面覆岩裂隙发育动态过程，结合地质雷达和网络并行电法监测工作面覆岩水资源运移状况，分析覆岩采动裂隙的贯通性，得到覆岩渗漏带、渗流带和微渗流带的分层状况，为确定覆岩渗流隔离层提供依据；b.综合微震事件、红外热像，以及水资源运移雷达二维图谱多元信息，构建浅表水位变化的“声-热-流”模型，将包括覆岩破裂和渗水通道形成在内的重要前兆过程以动态成像的方式直观表达出来，为开采参数的优化和渗/突水灾害监测预警提供依据；c.结合工作面地质信息，并根据工作面钻孔窥视、矿压观测、水文观测和地表沉降观测数据，对采掘面开采全过程的覆岩含水层水位变化进行观测，验证保水采煤方法的有效性。与现有技术相比，本专利技术公开的矿区多层位水资源协同保护性开采方法的优点是：(1)该方法通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、研究不同开采方式下采动覆岩整体协同运移规律，分析覆岩协同变形对裂隙发育的控制作用，计算覆岩贯通裂隙带(1)、非贯通裂隙带(2)及连续变形结构(3)的层位及高度，得到采动覆岩结构分层/分区特性；/n步骤二、针对不同开采方式，分析采空区与覆岩的应力传递关系，研究采动覆岩应力卸载与采空区应力恢复特性，得到各结构分层内采动应力路径；/n步骤三、分析采动应力路径下采动覆岩各结构分层内应力及应变与渗透率演化特征，研究应力-渗透率与应变-渗透率的耦合关系，并建立覆岩各岩层渗透率劣化表征方法，计算覆岩渗漏带(8)、渗流带(7)及微渗流带(6)的层位及高度，得到采动覆岩渗透分层/分区特征；/n步骤四、分析煤系地层空间结构与生态含水层(4)水循环特征，研究采动影响下生态含水层(4)与微渗流带(6)之间岩层的阻隔水性能演化规律，并据此确定能有效阻断生态含水层(4)水资源流失的阻隔水岩层为“渗流隔离层(5)”；/n步骤五、针对不同开采方式的开采特征，研究主要开采参数对渗流隔离层(5)之上生态含水层(4)水位和水循环运移的采隔控制效应；在采空区内建立储水区域，研究开采布置方式对渗流隔离层(5)之下含水层(4)渗漏水资源的导流调控效应；形成覆岩渗流隔离层(5)阻水、渗流带(7)与渗漏带(8)导流、采空区汇集储水的多层位水资源协同保护体系。/n...

【技术特征摘要】
1.一种矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、研究不同开采方式下采动覆岩整体协同运移规律，分析覆岩协同变形对裂隙发育的控制作用，计算覆岩贯通裂隙带(1)、非贯通裂隙带(2)及连续变形结构(3)的层位及高度，得到采动覆岩结构分层/分区特性；
步骤二、针对不同开采方式，分析采空区与覆岩的应力传递关系，研究采动覆岩应力卸载与采空区应力恢复特性，得到各结构分层内采动应力路径；
步骤三、分析采动应力路径下采动覆岩各结构分层内应力及应变与渗透率演化特征，研究应力-渗透率与应变-渗透率的耦合关系，并建立覆岩各岩层渗透率劣化表征方法，计算覆岩渗漏带(8)、渗流带(7)及微渗流带(6)的层位及高度，得到采动覆岩渗透分层/分区特征；
步骤四、分析煤系地层空间结构与生态含水层(4)水循环特征，研究采动影响下生态含水层(4)与微渗流带(6)之间岩层的阻隔水性能演化规律，并据此确定能有效阻断生态含水层(4)水资源流失的阻隔水岩层为“渗流隔离层(5)”；
步骤五、针对不同开采方式的开采特征，研究主要开采参数对渗流隔离层(5)之上生态含水层(4)水位和水循环运移的采隔控制效应；在采空区内建立储水区域，研究开采布置方式对渗流隔离层(5)之下含水层(4)渗漏水资源的导流调控效应；形成覆岩渗流隔离层(5)阻水、渗流带(7)与渗漏带(8)导流、采空区汇集储水的多层位水资源协同保护体系。


2.根据权利要求1所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤一中，覆岩结构分层以岩层内“裂隙贯通率”为依据，判定贯通裂隙带(1)、非贯通裂隙带(2)及连续变形结构(3)的层位及高度，裂隙贯通率按下式计算：



式中，η为裂隙贯通率；I为岩层惯性矩，m4；[σt]为临界抗拉强度，MPa；h岩层厚度，m；M为岩层承受的最大弯矩，N·m。


3.根据权利要求1所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤一中，不同的开采方式包括垮落式开采和充填开采；若采用充填开采，在分析采动覆岩结构分层/分区特性之前，应先研究充填采场结构稳定性：首先，分析充填体(11)与煤柱(12)对覆岩的协同支撑作用，建立相应的充填采场矿压模型、力学模型及系统稳定性数学模型，计算充填体(11)压缩量；其次，分析采场结构失稳的临界条件，研究充填体(11)变形与采场结构失稳的关联性；最后，确定维持采场结构稳定性的主要开采参数阈值。


4.根据权利要求3所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤二中，采空区与覆岩的应力传递关系分析：若采用垮落式开采，则分析采空区垮落岩石的堆积与压实特征；若采用充填开采，则分析充填体(11)压缩与承载特征。


5.根据权利要求1所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤三中，首先，通过岩石三轴渗透性测试，分析覆岩各岩层应力、应变与渗透性演化特征；其次，采用数值计算的方法，分析采动应力路径下覆岩各岩层损伤演化过程中岩石的体应变变化规律，拟合出岩石塑性应变损伤变量-应力曲线，确定岩石损伤判据；最后，建立各岩层损伤变量与渗透率的对应关系，提出覆岩渗透率劣化表征方法，并以渗透劣化率为阈值，阐述覆岩渗漏带(8)、渗流带(7)及微渗流带(6)的分层分区特征。


6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：马立强，王烁康，张吉雄，来兴平，
申请(专利权)人：中国矿业大学，西安科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32