高含铁地下含水层受采煤破坏的人工促进修复方法与流程

本发明涉及一种地下含水层保护与修复方法，尤其是一种适用于煤矿区地层含水层修复与水资源保护领域中的高含铁地下含水层受采煤破坏的人工促进修复方法。

背景技术：

煤炭地下开采将引起上覆岩层的移动与破坏，从而在覆岩中形成采动裂隙；覆岩采动裂隙产生既为区域水资源流失提供了通道，同时也成为矿区生态环境损伤的地质根源。因此，如何控制采动覆岩导水裂隙的发育、封闭地下含水层水资源的漏失通道，从而改善和保护煤矿区的生态环境，是目前大多数煤矿区面临的重大技术难题。

在我国东北三省的松花江流域，其地层含水层普遍具有含铁量高的典型特征。受煤炭开采影响，区域地下水会漏失至井下采空区。由于地下水中超标的铁质成分，井下排水无法直接用于采掘工作面；疏排至地表后，也必须经过除铁工艺才能供生产生活使用。这些高含铁地下含水层不仅受到了采煤的直接破坏，而且其水资源也难以实现高效循环利用。考虑到现有除铁工艺会产生Fe(OH)₃絮凝沉淀物，若能将这些沉淀物充分利用到采动裂隙的封堵上，则将能达到保水与净水的“一举两得”的作用。因此，有必要基于采动覆岩导水裂隙的发育范围和分布特征，开展高含铁地下含水层受采煤破坏后的人工促进修复方法的专门设计。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高含铁地下含水层受采煤破坏后的人工促进修复方法，通过地面钻孔将含氧水或弱碱水回灌至采煤破坏的地层高含铁含水层中，利用含水层中铁质成分与氧气或碱性离子的氧化反应生成Fe(OH)₃絮凝沉淀物，从而对采动裂隙进行有效封堵，达到隔绝高含铁含水层水漏失通道、促进高含铁含水层修复的目的。通过除铁后的地下水也可重新利用至井下采掘工作面或地表生产生活中，最终实现煤矿区地下水资源保护与高效净化利用。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高含铁地下含水层受采煤破坏后的人工促进修复方法，根据采动覆岩导水裂隙的发育特征和分布范围，分别在采区边界和中部对应地表向高含铁含水层中施工含氧水或弱碱水回灌钻孔，利用含水层中铁质成分与含氧水或弱碱水氧化反应生成的Fe(OH)₃絮凝沉淀物，对采动裂隙进行有效封堵，阻隔高含铁含水层的水漏失通道，促进高含铁含水层逐步修复至原始状态。生成的Fe(OH)₃絮凝物能在回灌钻孔终孔附近一定范围内逐步沉淀形成铁质活性滤膜，对铁(或亚铁)离子的氧化反应起到催化剂作用，有效保证除铁效果。同时，在井下采空区地势低洼处对排出的除铁清水资源进行管路输排，供井下其它采掘工作面生产或地面生产生活复用。

具体包括以下步骤：

a.根据覆岩导水裂隙带高度和地质钻孔柱状判断地层高含铁含水层受采动破坏的采煤区域。若导水裂隙带高度范围内存在高含铁含水层，则对应区域导水裂隙带已沟通高含铁含水层，需要布置相应的回灌钻孔；若导水裂隙带高度范围内不存在高含铁含水层，则无需施工回灌钻孔。

优选的：所述导水裂隙带高度可根据钻孔冲洗液漏失量法等现场实测方法进行工程探测，也可利用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”等理论计算方法进行判断。

b.在导水裂隙带沟通地层高含铁含水层的开采区域对应地表进行含氧水或弱碱水回灌钻孔的施工。

优选的：所述含氧水或弱碱水回灌钻孔布置于采区边界内侧附近和采区中部，其中采区边界处的回灌钻孔距离开采边界10-20m。

优选的：所述导水裂隙带沟通地层高含铁含水层的开采区域的走向和倾向尺寸超过1000m时，可沿走向或倾向间隔1000m布置回灌钻孔。

优选的：所述地表含氧水或弱碱水回灌钻孔的施工方法为：钻孔施工时以120-140mm的直径开孔，需钻进至受导水裂隙带沟通的高含铁含水层顶界面以下一定深度，钻孔终孔与导水裂隙带沟通的高含铁含水层顶界面之间的距离应不低于导水裂隙带沟通的高含铁含水层的厚度的0.3-0.5倍。地表至导水裂隙带沟通的高含铁含水层顶界面以下10m范围内采用套管护孔，导水裂隙带沟通的高含铁含水层内的钻孔采用花管护孔。钻孔施工后，在孔口上覆盖封闭盖板，所述封闭盖板上连接有输水管路。

c.在井下采空区对应地势低洼处布置排水管路，将采空区排出的除铁清水输送至井下其它采掘工作面或地面复用。

本发明基于采动覆岩导水裂隙的发育规律和分布特征，充分利用受采煤破坏的高含铁含水层中铁质成分的氧化反应，将其生成的Fe(OH)₃絮凝沉淀物对导水裂隙进行封堵，既隔绝了地层高含铁含水层的水漏失通道、促进了高含铁含水层的自然修复，又有效削减了含铁地下水的铁质成分，实现了煤矿区地层高含铁含水层的原位保护与含铁地下水的除铁净化作用，可为矿区煤炭开采水资源保护与高效利用等提供保障，其使用方法可靠，实用性强。与现有技术相比于，本发明具有以下优点：

(1)采用含铁地下水净化除铁过程中的沉淀物对覆岩导水裂隙进行封堵，其方法科学可靠、工程量低；

(2)将含铁地下水的除铁过程和位置转移至采动破坏的地层中，既能促进地下含水层的自然修复，又能对含铁地下水有效除铁并高效利用，可为我国东北三省等高含铁地下水地区的煤炭资源开发与水资源保护的协调发展提供保障，其实施方法简单，实用性强。

附图说明

图1是本发明高含铁地下含水层受采煤破坏的人工促进修复方法的回灌钻孔布置平面图；

图2是本发明高含铁地下含水层受采煤破坏的人工促进修复方法的回灌钻孔布置A-A剖面图；

图3是本发明高含铁地下含水层受采煤破坏的人工促进修复方法的回灌钻孔布置剖面图；

图4是本发明实际应用过程中某煤矿32301工作面X1钻孔柱状及导水裂隙带发育高度示意图；

图5是本发明实际应用过程中某煤矿32301工作面X2钻孔柱状及导水裂隙带发育高度示意图；

图6是本发明实际应用过程中某煤矿32301工作面回灌钻孔布置平面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1～图3所示，本发明的一种高含铁地下含水层受采煤破坏后的人工促进修复方法，根据采动覆岩导水裂隙的发育特征和分布范围，分别在采区边界和中部对应地表向受导水裂隙带沟通的高含铁含水层中施工含氧水或弱碱水回灌钻孔，利用含水层中铁质成分与含氧水或弱碱水氧化反应生成的Fe(OH)₃絮凝沉淀物，对采动裂隙进行有效封堵，阻隔高含铁含水层的水漏失通道，促进高含铁含水层逐步修复至原始状态。生成的Fe(OH)₃絮凝物能在回灌钻孔终孔附近一定范围内逐步沉淀形成铁质活性滤膜，对铁(或亚铁)离子的氧化反应起到催化剂作用，有效保证除铁效果。同时，在井下采空区地势低洼处对排出的除铁清水资源进行管路输排，供井下其它采掘工作面生产或地面生产生活复用。具体包括以下步骤：

a.根据覆岩导水裂隙带高度和地质钻孔柱状判断地层高含铁含水层受采动破坏的采煤区域。若导水裂隙带高度范围内存在高含铁含水层，则对应区域导水裂隙带已沟通高含铁含水层，需要布置相应的回灌钻孔；若导水裂隙带高度范围内不存在高含铁含水层，则无需施工回灌钻孔。

所述导水裂隙带高度可根据钻孔冲洗液漏失量法等现场实测方法进行工程探测，也可利用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”等理论计算方法进行判断。

b.在导水裂隙带沟通地层高含铁含水层的开采区域对应地表进行含氧水或弱碱水回灌钻孔的施工。

所述含氧水或弱碱水回灌钻孔布置于采区边界内侧附近和采区中部，其中采区边界处的回灌钻孔距离开采边界10-20m。

所述导水裂隙带沟通地层高含铁含水层的开采区域的走向和倾向尺寸超过1000m时，可沿走向或倾向间隔1000m布置回灌钻孔。

所述地表含氧水或弱碱水回灌钻孔的施工方法为：钻孔施工时以120-140mm的直径开孔，需钻进至受导水裂隙带沟通的高含铁含水层顶界面以下一定深度，钻孔终孔与导水裂隙带沟通的高含铁含水层顶界面之间的距离应不低于导水裂隙带沟通的高含铁含水层的厚度的0.3-0.5倍。地表至导水裂隙带沟通的高含铁含水层顶界面以下10m范围内采用套管护孔，导水裂隙带沟通的高含铁含水层内的钻孔采用花管护孔。钻孔施工后，在孔口上覆盖封闭盖板，所述封闭盖板上连接有输水管路。

c.在井下采空区对应地势低洼处布置排水管路，将采空区排出的除铁清水输送至井下其它采掘工作面或地面复用。

如图4所示，图中为某煤矿32301工作面实际应用过程中开采区域的X1钻孔柱状和导水裂隙带发育高度示意图，从图中可以看出，32301工作面在X1钻孔对应区域开采引起的覆岩导水裂隙带已沟通地层高含铁含水层。因此，需要在该区域实施地面回灌钻孔。而对于图5所示的X2钻孔区域，覆岩导水裂隙带并未沟通地层高含铁含水层，因而该区域无需实施地面回灌钻孔。

如图6所示，考虑到32301工作面在X1钻孔位置对应区域的走向推进长度较长(已达2000m左右)，因此，在工作面两侧开采边界附近沿走向推进方向间隔1000m进行了回灌钻孔的布置，同时在两组回灌钻孔之间对应工作面倾向中部也布置了回灌钻孔。根据X1钻孔揭露的岩层赋存情况，回灌钻孔终孔深度60m，已进入含水层41.54m(达到了含水层厚度的0.3-0.5倍)。

本发明基于采动覆岩导水裂隙的发育规律和分布特征，充分利用受采煤破坏的高含铁含水层中铁质成分的氧化反应，将其生成的Fe(OH)₃絮凝沉淀物对导水裂隙进行封堵，既隔绝了地层高含铁含水层的水漏失通道、促进了高含铁含水层的自然修复，又有效削减了含铁地下水的铁质成分，实现了煤矿区地层高含铁含水层的原位保护与含铁地下水的除铁净化作用，可为矿区煤炭开采水资源保护与高效利用等提供保障。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。