专利名称：一种分布式地下水库及其建造方法
技术领域：
本发明涉及一种水库及其建造方法，尤其涉及一种地下水库及其建造方法。
背景技术：
对于处于严寒地区的露天煤矿开采区域来说，大风频繁，干旱少雨，沙物质沉积丰富，长期寒冷，使得土地极易发生沙漠化、植被极易受损。露天煤矿的开发，对原有的地下水运行系统造成影响，使得本已脆弱的生态环境更加恶化，水资源的保护利用已经成为限制矿区可持续发展的瓶颈问题。 目前，露天煤矿开采过程中，通过地质勘探，在剥离过程中，使得地下水成为矿井水，除少部分经处理后作为矿区生产生活用水使用外，大部分则经简单净化处理进行外排，形成巨大的水坑，一方面占用土地，另一方面，由于地表水蒸发量较大，大量的水资源被蒸发，造成了巨大的浪费，难以实现水资源的有效利用。因此，有必要设计一种水库，容纳开采煤矿时流出的地下水，保护水资源，减小水的蒸发。
发明内容
本发明的目的是建造一种地下水库，容纳开采煤矿时流出的地下水，减小水的蒸发。为实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案本发明提供了一种分布式地下水库，包括多个位于地下的水库本体，其特征在于，还包括回灌水管道和连接管道。所述水库本体包括库底、坝体和水库填充物，所述水库填充物将由所述库底和所述坝体围成的半封闭区域填满。所述回灌水管道的下端位于所述水库填充物中，上端伸出至地面以上。多个所述水库本体之间由穿过所述坝体的所述连接管道连通。优选地，所述水库填充物由上至下依次包括第一块状岩石层、过滤层和第二块状岩石层。所述第一块状岩石层和第二块状岩石层由块状的岩石堆积而成，所述过滤层包括活性炭和煤矸石，所述过滤层便能对从所述第一块状岩石层流下来的水进行过滤。优选地，所述分布式地下水库还包括抽水管道和水泵。所述抽水管道的下端位于所述第二块状岩石层中，上端露出在地面以上并与所述水泵连接，所述水泵通过所述抽水管道将所述第二块状岩石层中的水抽出至地面以上。这样，即可将储存在所述地下水库中并经过自然过滤的水抽出作为生产生活用水加以使用。优选地，多个所述水库本体分别位于地面下不同的高度处，多个所述水库本体之间由高到低依次通过所述连接管道串联。进一步优选地，所述连接管道的两端分别穿过两个所述水库本体最大容积90%水位处的坝体而与所述水库填充物连通。这样，当位于高位的水库本体中储存的水超过90%的警戒水位后，多余的水即可通过所述连接管道自动流至下面的水库本体中加以储存，从而尽可能多的将水储存在水库中。
优选地，所述连接管道的水流起始端外部覆盖过滤层，从而防止了所述连接管道被沙石堵塞。本发明还提供了一种建造上述分布式地下水库的建造方法，包括(a)选取距离水源和地面配套水利工程最近且底部岩层防渗系数最大的区域作为所述分布式地下水库的建造地点，以所述底部岩层作为库底；(b)在所述库底上建造坝体，坝体外部用混凝土层加固；(C)连接管道穿过所述坝体将各个所述水库本体连通，对由所述坝体和所述库底围成的半封闭区域用水库填充物进行回填，同时设置回灌水管道，使其下端位于所述水库填充物中，上端伸出至地面以上。
优选地，所述水库填充物包括第一块状岩石层、过滤层和第二块状岩石层。在所述步骤(C)中，首先在所述库底铺设所述第二块状岩石层，随后在所述第二块状岩石层上部铺设所述过滤层，最后在所述过滤层上部铺设所述第一块状岩石层。优选地，在所述水库填充物和地面之间设置抽水管道，所述抽水管道的下端位于所述第二块状岩石层中，所述抽水管道的上端露出在地面以上并与一个水泵连接。优选地，多个所述水库本体位于地面下不同的高度处，多个所述水库本体之间由高到低依次通过所述连接管道串联。优选地，在步骤(b)和步骤(C)中，在所述坝体的位于90%最大水库容积处开设管道过孔，所述连接管道通过所述管道过孔穿过所述坝体。优选地，在步骤(a)和步骤(b)之间，还包括对所述库底的防渗设计。所述防渗设计包括对底部岩层上涂布第一黑粘土层并压实；在所述第一黑粘土层上部铺设土工防渗布或土工防渗膜或混凝土层，并用第二黑黏土层压实。之所以选用黑粘土，是因为在采矿时很开采出很多的黑粘土，便于就地取材，同时黑粘土层的防渗效果较好，这样既降低了成本，又达到了防渗要求。优选地，在步骤(b)建造坝体时，所述混凝土层采用的混凝土材料中添加有引气齐U，含有按重量计33%的粉煤灰，并且混凝土材料的水胶比为0. 5-0. 6。由于所述分布式地下水库建造在严寒地区，需要满足抗冻性和耐久性的要求，因此需要对混凝土层进行抗冻处理。通过本发明提供的分布式地下水库，开采煤矿时流出的地下水可以被容纳在地下的水库中，减少了对地面的占用和水分的蒸发；同时，分布式地下水库通过彼此之间连接的连接管道而实现了连通，使得各水库本体之间储存的多余水可自动分配，并通过回灌水管道实现了露天矿剥离过程中其他位置水资源的储存，利用抽水管道实现了水资源的高效利用，在煤炭开采过程中最大程度地保护了当地的水资源，实现了矿区的可持续开发。
图I为本发明一种具体实施方式
的地下水库的纵向剖面示意图；图2为图I所示的地下水库的库底结构示意图；图3为图I所示的地下水库的坝体结构示意图；图4为本发明一种具体实施方式
的地下水库的总体分布示意图。
具体实施例方式如图I-图4所示，本发明的地下水库包括水库本体I、连接管道2和回灌水管道31，其中水库本体I包括库底4、坝体5和水库填充物6。水库本体I由截面呈梯形的坝体5围绕而成，坝体5与库底4共同限定了水库本体I的容纳空间，坝体5优选围绕成长方形。库底4和坝体5需要具有良好的防渗性能，使得水库中容纳的水不会因为渗透而从水库中流失。在本实施例中，库底4从上至下依次包括黑粘土层41、土工防渗布42、黑粘土层41和底部岩层43，其中土工防渗布42也可由混凝土或土工防渗膜代替。坝体5的内部由黑粘土层51压实而成，外部设有混凝土层52。由于建设水库地区的严寒特性，坝体5需要满足较高的抗冻要求，混凝土层52采用的混凝土材料需要加入适量的引气剂，产生大量的并分布均匀的微小气泡，改善水混凝土的和易性。引气剂主要用于抗冻性要求高的结构，其成分多为松香衍生物以及各种磺酸盐，如烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠，常用掺量是水 泥重量的50 500ppm。混凝土层52采用的混凝土材料同时需要控制水胶比，一般来说，水胶比控制在0. 5-0. 6，同时掺入33%的粉煤灰可以满足要求。水库填充物6包括块状岩石层61，以大块的岩石将水库本体I之间的空间填满，这样可以产生较大的孔隙度，便于水的容纳。在块状岩石层61的上部，插入回灌水管道31，其下端位于块状岩石层61中，上端露出地面，人们可以通过露在地面上的管道向地下水库灌水。为了净化水库中的水，水库填充物6还包括过滤层62，即过滤层62设置在上下两个块状岩石层61之间，过滤层62由活性炭和煤矸石组成，其厚度优选为2米左右。从回灌水管道31灌入的水流经过滤层62及块状岩石层61时即可被自然净化。为了能利用被净化后的水源，在水库填充物6之间再插入抽水管道32，其下端插入位于过滤层62下方的块状岩石层61中，上端露出地面并连接一水泵(未示出)，可通过水泵将经过滤层62净化过的水抽出地面加以利用。由于水库本体I是建设在露天采矿后的区域，很难保证有大块的平整区域，因此很难建造大型的地下水库。为解决这一问题，可在多个台阶处分别建设小型的水库本体1，再通过连接管道将各个水库本体I串联。如图I和图4所示，每个水库本体I均设置一个连接管道2，其水流起始端(指水流从该端部流入管道中)位于该水库本体I的水库内部，其末端(指水流从该端从管道中流出)连接在另一个水库本体I的水库内部，连接管道2的两端分别在这两个水库本体I的警戒水位处(指水库最大容积90%处的水位)穿过这两个水库本体I的坝体5而将这两个水库本体I连通。多个水库本体I之间按照其建设台阶的高度从高到低依次串联连接，使得当位于高处的水库本体I达到警戒水位后，多余的水会自动流至下一水库本体I中。为防止管道被沙石堵塞，抽水管道32的下端、各连接管道2的水流起始端均用过滤层覆盖。下面结合具体实施方式
对地下水库的建造方法进行说明。步骤I :选取距离水源和地面配套水利工程最近且底部岩层防渗系数最大的区域作为所述分布式地下水库的建造地点。步骤2 :对库底4进行防渗设计，在底部岩层上涂布黑粘土并压实，在其上部铺设土工防渗布，并用黑粘土压实。步骤3 :在步骤2中建造的防渗库底上建造坝体5，坝体5外部由混凝土层加固。
步骤4 :连接管道2穿过坝体5将各个水库本体I连通，对由坝体5和库底4围成的半封闭区域用水库填充物6进行回填，同时设置回灌水管道31和/或抽水管道32，使回灌水管道31和/或抽水管道32的下端位于水库填充物6中，上端伸出至地面以上。优选地，回灌水管道31的下端位于过滤层62以上，抽水管道32的下端位于过滤层62以下。为实现上述步骤，需要实现的关键技术包括I.库底防渗设计通过地质勘探，对库底需要进行防渗工程加固的区域，在进行平整工作后，首先铺一层压实的黑粘土，铺设土工防渗布，再采用黑粘土层压实填平。2.坝体材料及工艺设计由于水库建设地区处于酷寒地区，因此坝体材料需要满 足防渗、抗冻和耐久性等要求。坝体内部采用黑粘土层碾压制备，外部采用高强度、防渗、抗冻和耐久性满足要求的常规混凝土筑坝。3.回填材料及工艺设计露天矿地下水库建设不同于普通的地下水库建设，首先在某台阶形成类似于地表水库，在回填过程中逐步掩埋，最终形成地下水库。如果按照露天矿常规的回填方式，则该区域可能被充实或孔隙度较小，达不到地下水库的设计要求。因此，为保障较大的孔隙度，必须对回填地下水库的材料和工艺进行设计，采用就近取材的原贝U，利用剥离岩层块状石头进行回填，同时根据需要在中间建设水体过滤层，实现水体的净化过滤。4.分布式水库之间贯通管道设计在各个水库本体选址和建设完毕后，为实现水库之间的水体调度，要通过管道将其连接，形成分布式地下水库，实现水体的调配，管道设计高度要结合库容最大容量设计。通过在露天煤矿开采区选取合理位置，分布建设地下水库，通过管道相连，形成分布式地下水库，实现了水资源不外排，避免了占用大量土地，污染地表生态环境，减少了水分蒸发；分布式地下水库实现了水资源的地下贮存和调配，并通过回灌水管道实现了露天矿剥离过程中其他位置水资源的储存，利用抽水管道实现了水资源的高效利用，在煤炭开采过程中最大程度地保护了当地的水资源，实现了矿区的可持续开发。上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。
权利要求
1.一种分布式地下水库，包括多个位于地下的水库本体，其特征在于，还包括回灌水管道和连接管道； 所述水库本体包括库底、坝体和水库填充物，所述水库填充物将由所述库底和所述坝体围成的半封闭区域填满； 所述回灌水管道的下端位于所述水库填充物中，上端伸出至地面以上； 多个所述水库本体之间由穿过所述坝体的所述连接管道连通。
2.根据权利要求I所述的分布式地下水库，其特征在于，所述水库填充物由上至下依次包括第一块状岩石层、过滤层和第二块状岩石层； 所述第一块状岩石层和第二块状岩石层由块状的岩石堆积而成，所述过滤层包括活性炭和煤矸石。
3.根据权利要求2所述的分布式地下水库，其特征在于，还包括抽水管道和水泵； 所述抽水管道的下端位于所述第二块状岩石层中，上端露出在地面以上并与所述水泵连接。
4.根据权利要求I所述的分布式地下水库，其特征在于，多个所述水库本体分别位于地面下不同的高度处，多个所述水库本体之间由高到低依次通过所述连接管道串联。
5.根据权利要求4所述的分布式地下水库，其特征在于，所述连接管道的两端分别穿过两个所述水库本体最大容积90%水位处的坝体而与所述水库填充物连通。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的分布式地下水库，其特征在于，所述连接管道的水流起始端外部覆盖过滤层。
7.一种分布式地下水库的建造方法，包括 (a)选取距离水源和地面配套水利工程最近且底部岩层防渗系数最大的区域作为所述分布式地下水库的建造地点，以所述底部岩层作为库底； (b)在所述库底上建造坝体，坝体外部用混凝土层加固； (c)连接管道穿过所述坝体将各个所述水库本体连通，对由所述坝体和所述库底围成的半封闭区域用水库填充物进行回填，同时设置回灌水管道，使所述回灌水管道的下端位于所述水库填充物中，上端伸出至地面以上。
8.根据权利要求7所述的分布式地下水库的建造方法，其特征在于，所述水库填充物包括第一块状岩石层、过滤层和第二块状岩石层； 在所述步骤(C)中，首先在所述库底铺设所述第二块状岩石层，随后在所述第二块状岩石层上部铺设所述过滤层，最后在所述过滤层上部铺设所述第一块状岩石层。
9.根据权利要求8所述的分布式地下水库的建造方法，其特征在于，在所述水库填充物和地面之间设置抽水管道，所述抽水管道的下端位于所述第二块状岩石层中，所述抽水管道的上端露出在地面以上并与一个水泵连接。
10.根据权利要求7所述的分布式地下水库的建造方法，其特征在于，多个所述水库本体位于地面下不同的高度处，多个所述水库本体之间由高到低依次通过所述连接管道串联。
11.根据权利要求7所述的分布式地下水库的建造方法，其特征在于，在步骤(b)和步骤(c)中，在所述坝体的位于90%最大水库容积处开设管道过孔，所述连接管道通过所述管道过孔穿过所述坝体。
12.根据权利要求7所述的分布式地下水库的建造方法，其特征在于，在步骤(a)和步骤(b)之间，还包括对所述库底的防渗设计； 所述防渗设计包括对底部岩层上涂布第一黑粘土层并压实；在所述第一黑粘土层上部铺设土工防渗布或土工防渗膜或混凝土层，并用第二黑黏土层压实。
13.根据权利要求7所述的分布式地下水库的建造方法，其特征在于，在步骤(b)建造坝体时，所述混凝土层采用的混凝土材料中添加有引气剂，含有按重量计33%的粉煤灰，并且混凝土材料的水胶比为0. 5-0. 6。
全文摘要
本发明提供了一种适于露天采矿区储存地下水的分布式地下水库。分布式地下水库包括多个位于地下的水库本体，以及回灌水管道和连接管道。水库本体包括库底、坝体和水库填充物，水库填充物将由库底和坝体围成的半封闭区域填满。回灌水管道的下端位于水库填充物中，上端伸出至地面以上。多个水库本体之间由穿过坝体的连接管道连通。本发明还提供了一种建造这种分布式地下水库的方法。本发明的分布式地下水库可以容纳采矿时流出的地下水，减少对地面的占用和水分的蒸发，各水库本体之间储存的多余水可自动分配，并通过回灌水管道实现了露天矿剥离过程中其他位置水资源的储存，保护了水资源。
文档编号E03B11/14GK102767302SQ201210256979
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月23日 优先权日2012年7月23日
发明者顾大钊 申请人:中国矿业大学(北京), 中国神华能源股份有限公司