地下水化学特征人工改性促进含水层修复的保水方法与流程

本发明涉及一种地下含水层修复与水资源保护方法，尤其是一种适用于煤矿区采动破坏地层基岩含水层修复、水资源保护、与井下水害防治领域使用的地下水化学特征人工改性促进含水层修复的保水方法。

背景技术：

煤炭地下开采将引起上覆岩层的移动与破坏，从而在覆岩中形成导水裂隙；若导水裂隙范围(导水裂隙带)波及到地层含水层时，含水层储水将沿着导水裂隙通道而漏失至井下采空区；这一现象的发生不仅会造成地下水位下降、恶化地表生态环境，而且当含水层富水性较强、导水裂隙较发育时，还易引发井下突水事故，造成人员和财产安全威胁。因此，如何采取相关措施阻隔地下含水层的流失通道、降低地下水的漏失量，是多数富水煤矿区面临的重大工程难题，也是保水采煤领域所要研究的关键技术问题。

目前，有关煤炭开采地下水资源保护主要有两类对策。一类是从控制导水裂隙带发育的角度进行，即通过控制采高或改善采煤工艺和方法，降低导水裂隙带发育高度，使其不沟通地层含水层，从而达到保护地下水资源的目的。另一类是利用井下采煤形成的采空区作为采动漏失水资源蓄存的空间，将含水层漏失水体转移储存至采空区进行循环利用。然而，上述方法都存在一定的局限性，第一类方法在煤层厚度大、开采煤层多、含水层距离煤层近的开采条件下将不再适用；而第二类方法实际是将处于高层位的含水层下移到了煤层开采采空区层位，一定程度上疏放了地表植被的取水水源，需要重新利用人工措施将采空区储存水体输送至地表进行浇灌，才能达到保护生态环境的目的，实施成本和难度大大提高。从水文地质角度看，地下含水层是由具有一定孔隙或裂隙分布的岩层构成的，水体即是赋存于这些孔隙/裂隙中而形成含水层的；所以，这些孔隙/裂隙也成为了含水层受采动破坏后水体漏失的补给径流通道。若能采取人工干预措施对含水层受采动破坏范围之外的区域将这些孔隙/裂隙封堵，则能有效隔绝含水层水体向采动破坏区域的补给路径，从而降低、甚至杜绝地下水的漏失。

由于地下含水层岩体的孔隙/裂隙宏观尺寸较小，若采取底板防治水中常采用的直接灌注水泥浆、粘土等材料的方式时，往往难以灌注成功。考虑到地下含水层水体是由多种阴阳离子构成，并呈现一定的酸碱度；若能依据化学改性的思路，通过人工灌注化学改性试剂，使其与地下水中的某些离子发生化学反应并生成难溶于水的沉淀物，则能达到有效封堵含水层孔隙/裂隙的目的。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，开展地下水化学特征改性促进含水层修复的保水方法的专门设计。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种地下水化学特征改性促进含水层修复的保水方法，根据地下水化学特征选取合适的化学改性剂，通过地面钻孔将其直接回灌至采煤破坏的地层含水层中，利用化学改性剂与地下水阴阳离子化学反应生成的沉淀物对含水层孔隙/裂隙进行封堵，从而在含水层内对应导水裂隙带轮廓线位置附近形成一定范围的化学沉淀物隔离壁或隔离罩，有效隔绝地层含水层水体向采动破坏岩体范围的漏失补给通道，达到煤矿区地下水资源保护的目的。

技术方案：为实现上述目的，本发明的地下水化学特征人工改性促进含水层修复的保水方法，步骤为：当出现井下涌水情况，根据导水裂隙带高度范围内是否存在含水层决定是否需要施工化学改性剂回灌钻孔，若需要，则在采区边界和中部对应地表施工化学改性剂回灌钻孔，根据采动破坏含水层储水的化学特征选择合适的化学改性剂从化学改性剂回灌钻孔回灌，利用回灌至含水层中的化学改性剂与地下水阴阳离子化学反应生成的易吸附在岩石矿物表面的沉淀物，对含水层岩体中的孔隙/裂隙进行封堵，达到煤矿区地下水资源保护和含水层原位修复的目的。

具体步骤如下：

a.当出现井下涌水情况，根据覆岩导水裂隙带高度和地质钻孔柱状判断地层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含水层，则对应区域导水裂隙带已沟通含水层，需要布置相应的化学改性剂回灌钻孔；若导水裂隙带高度范围内不存在含水层，则无需施工化学改性剂回灌钻孔；

b.针对导水裂隙带高度范围内存在含水层的区域，在对应地表进行化学改性剂回灌钻孔的施工，根据具体导水裂隙带顶界面与含水层顶界面的相对位置选择化学改性剂回灌钻孔的施工类型及其布置方式；

c.根据采动破坏含水层储水的化学特征，选择合适的化学改性剂，通过化学改性剂回灌钻孔注入含水层，灌注压力应大于含水层水压与化学改性剂回灌钻孔深度对应水头压力之差，以确保化学改性剂能注入含水层中；若采动破坏含水层储水为碱性水，则化学改性剂为利用含fe²⁺或fe³⁺的化学试剂与弱酸水配置成的富铁水溶液；若采动破坏含水层储水为高硬度水，则化学改性剂为利用含co3^2-的化学试剂与去离子水配置成的水溶液；若采动破坏含水层储水为酸性水，除了需要用含fe²⁺或fe³⁺的化学试剂与弱酸水配置成富铁水溶液作为化学改性剂进行回灌外，同时还需要在采区边界外侧增设含氧水回灌钻孔，并将充分曝气后的水通过该含氧水回灌钻注入含水层中；

d.在化学改性剂回灌过程中，化学改性剂与地下水中的阴阳离子反应生成沉淀物，如fe(oh)3或caco3，这些沉淀物极易吸附在岩石中各类矿物表面，从而能对含水层岩体中存在的孔隙/裂隙进行有效封堵，并避免被地下水流冲蚀；

e.实时监测井下涌水量变化情况，并间隔1-2周对井下涌水的化学特征进行测试；若发现井下涌水量显著降低或井下涌水中出现大量化学改性剂成分，则减小化学改性剂的回灌量，否则，进行化学改性剂的持续灌注，直至井下涌水停止。

所述化学改性剂回灌钻孔包括水平定向钻孔和垂直钻孔，水平定向钻孔布置在采区边界外侧附近并成组布置，垂直钻孔从地面向含水层离层施工。

当导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以下，且导水裂隙带顶界面最高点距含水层顶界面距离大于20-30m，则使用地面水平定向钻孔施工方式在采区边界外侧附近成组布置水平定向钻孔，并在采区中部对应地表施工垂直钻孔；所述采区边界外侧附近的成组水平定向钻孔在垂直剖面上成45°角布置，最高位钻孔位于导水裂隙带顶界面最高点以上20-30m并对应于采区边界位置，以此水平定向钻孔位置按照45°角斜向下延展布置其它水平定向钻孔，直至达到含水层底界面；每组水平定向钻孔间距15-20m；所述垂直钻孔布置于采区中部，若采区走向或倾向长度超过1000m，则沿走向或倾向间隔1000m布置多个垂直钻孔，垂直钻孔终孔位置位于导水裂隙带顶界面以上20-30m，且从地表直至含水层顶界面以下10m范围内垂直钻孔均采用套管护孔。

当导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以下且其最高点距含水层顶界面距离小于20-30m，或者导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以上，则仅需采用地面水平定向钻孔施工方式在采区边界外侧附近成组布置水平定向钻孔；所述采区边界外侧附近的成组水平定向钻孔在垂直剖面上成45°角布置，最高位钻孔位于含水层顶界面并外错于开采边界20-30m位置，以此钻孔位置按照45°角斜向下延展布置其它钻孔，每组水平定向钻孔的间距为15-20m，直至达到含水层底界面。

所述水平定向钻孔的垂直段和调平段均用套管护孔，而水平段则为裸孔；所述水平定向钻孔和垂直钻孔使用的护孔套管材质均为高强度聚酯材料而非铁质。

所述含氧水回灌钻孔为地表垂直钻孔，布置在采区边界外侧100-200m位置；若采区走向或倾向长度超过1000m，则沿走向或倾向间隔1000m布置多个含氧水回灌钻孔，含氧水回灌钻孔终孔位置位于含水层底界面以上10m位置，含氧水回灌钻孔由地表直至含水层顶界面以下10m范围均采用套管护孔，护孔套管材质为高强度聚酯材料而非铁质。

有益效果：

本发明基于采动覆岩导水裂隙的发育规律和分布特征，充分考虑导水裂隙带与含水层的相对位置以及含水层储水化学特征，有针对性地进行化学改性剂回灌钻孔的布设以及化学改性剂的选取；利用化学改性剂与含水层储水所含阴阳离子的化学反应生成的沉淀物，对含水层岩体孔隙/裂隙进行封堵，从而在含水层内对应导水裂隙带轮廓线位置附近形成一定范围的化学沉淀物隔离壁或隔离罩，有效隔绝了地层含水层水体向采动破坏岩体范围的漏失补给通道，达到煤矿区地下水资源保护和含水层原位修复的目的。其使用方法科学可靠，安全环保，实用性强。

与现有技术相比于具有以下优点：

(1)采用化学改性剂与采动破坏含水层储水所含阴阳离子化学反应生成的沉淀物对含水层孔隙/裂隙进行封堵，沉淀物极易吸附在岩石中的各类矿物表面，既不会对地下水产生污染，也不易受地下水流冲蚀，有效阻隔了含水层水体向采动破坏岩体范围的漏失补给通道，实现了采煤破坏含水层的原位修复；

(2)所选取的化学改性剂不但能与地下水阴阳离子化学反应生成沉淀物并封堵含水层孔隙/裂隙，还能一定程度上调节地下水的酸碱度和硬度，有效改善地下水水质；

(3)能够适应不同开采条件下地下水化学特征人工改性促进含水层修复的保水方法的确定，可为我国水资源匮乏矿区的保水采煤与生态修复提供保障，其实施方法简单，安全环保，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的导水裂隙带顶界面处于含水层内且其最高点距含水层顶界面距离大于20-30m，以及采动破坏含水层储水为碱性水或高硬度水条件时的回灌钻孔布置平面图；

图2是本发明的图1的a-a剖面图；

图3是本发明的导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以下且其最高点距含水层顶界面距离小于20-30m，或者导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以上，以及采动破坏含水层储水为碱性水或高硬度水条件时的回灌钻孔布置平面图；

图4是本发明的图3的b-b剖面图；

图5本发明的导水裂隙带顶界面处于含水层内且其最高点距含水层顶界面距离大于20-30m，以及采动破坏含水层储水为酸性水条件时的回灌钻孔布置平面图；

图6是本发明的图5的c-c剖面平面图；

图7是本发明的导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以下且其最高点距含水层顶界面距离小于20-30m，或者导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以上，以及采动破坏含水层储水为酸性水条件时的回灌钻孔布置平面图；

图8是本发明的图7的d-d剖面图。

图中：1-垂直钻孔，2-水平定向钻孔，3-化学沉淀物隔离罩，4-化学沉淀物隔离壁，5-含氧水回灌钻孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

本发明的地下水化学特征人工改性促进含水层修复的保水方法，步骤为：当出现井下涌水情况，根据导水裂隙带高度范围内是否存在含水层决定是否需要施工化学改性剂回灌钻孔，若需要，则在采区边界和中部对应地表施工化学改性剂回灌钻孔，根据采动破坏含水层储水的化学特征选择合适的化学改性剂从化学改性剂回灌钻孔回灌，利用回灌至含水层中的化学改性剂与地下水阴阳离子化学反应生成的易吸附在岩石矿物表面的沉淀物，对含水层岩体中孔隙/裂隙进行封堵，从而在含水层内对应导水裂隙带轮廓线位置附近形成一定范围的化学沉淀物隔离罩3或化学沉淀物隔离壁4，有效隔绝地层含水层水体向采动破坏岩体范围的漏失补给通道，达到煤矿区地下水资源保护和含水层原位修复的目的。

具体步骤如下：

a.当出现井下涌水情况，根据覆岩导水裂隙带高度和地质钻孔柱状判断地层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含水层，则对应区域导水裂隙带已沟通含水层，需要布置相应的化学改性剂回灌钻孔；若导水裂隙带高度范围内不存在含水层，则无需施工化学改性剂回灌钻孔；

b.针对导水裂隙带高度范围内存在含水层的区域，在对应地表进行化学改性剂回灌钻孔的施工，根据具体导水裂隙带顶界面与含水层顶界面的相对位置选择化学改性剂回灌钻孔的施工类型及其布置方式；

所述化学改性剂回灌钻孔包括水平定向钻孔2和垂直钻孔1，水平定向钻孔2布置在采区边界外侧附近并成组布置，垂直钻孔1从地面向含水层离层施工：

如图1、图2、图5和图6所示，若导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以下，且导水裂隙带顶界面最高点距含水层顶界面距离大于20-30m，则需要采用地面水平定向钻孔施工方式在采区边界外侧附近成组布置水平定向钻孔2，并在采区中部对应地表施工垂直钻孔1。

所述采区边界外侧附近的成组水平定向钻孔2在垂直剖面上成45°角布置，最高位钻孔位于导水裂隙带顶界面最高点以上20-30m并对应于采区边界位置，以此钻孔位置按照45°角斜向下延展布置其它水平定向钻孔2，每组水平定向钻孔2的钻孔间距为15-20m，直至达到含水层底界面；所述水平定向钻孔2的垂直段和调平段均用套管护孔，而水平段则为裸孔。

所述垂直钻孔1布置于采区中部，若采区走向或倾向长度超过1000m，则沿走向或倾向间隔1000m布置多个垂直钻孔。钻孔终孔位置位于导水裂隙带顶界面以上20-30m，且从地表直至含水层顶界面以下10m范围内钻孔均采用套管护孔，其它区域均为裸孔。

所述水平定向钻孔2和垂直钻孔1的护孔套管材质均为高强度聚酯材料而非铁质。

如图3、图4、图7和图8所示，若导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以下且其最高点距含水层顶界面距离小于20-30m，或者导水裂隙带顶界面位于含水层顶界面以上，则仅需采用地面水平定向钻孔施工方式在采区边界外侧附近成组布置水平定向钻孔2。

所述采区边界外侧附近的成组水平定向钻孔2在垂直剖面上成45°角布置，最高位钻孔位于含水层顶界面并外错于开采边界20-30m位置，以此钻孔位置按照45°角斜向下延展布置其它水平定向钻孔2，每组水平定向钻孔2的钻孔间距为15-20m，直至达到含水层底界面。

所述水平定向钻孔2的垂直段和调平段均用套管护孔，而水平段则为裸孔；所述水平定向钻孔的护孔套管材质均为高强度聚酯材料而非铁质。

c.根据采动破坏含水层储水的化学特征，选择合适的化学改性剂，通过化学改性剂回灌钻孔注入含水层，其步骤如下：

若采动破坏含水层储水为碱性水，则用含fe²⁺或fe³⁺的化学试剂与弱酸水配置成富铁水溶液，如ph值为6.0-7.0的feso4溶液或fecl3溶液，通过化学改性剂回灌钻孔注入含水层，灌注压力应大于含水层水压与钻孔深度对应水头压力之差，以确保化学改性剂能注入含水层中。

若采动破坏含水层储水为高硬度水，则用含co3^2-的化学试剂与去离子水配置成溶液，如na2co3溶液，通过化学改性剂回灌钻孔注入含水层，灌注压力应大于含水层水压与钻孔深度对应水头压力之差，以确保化学改性剂能注入含水层中。或者也可通过高压将co2注入含水层中；

如图5-图8，若采动破坏含水层储水为酸性水，则需要在采区边界外侧增设含氧水回灌钻孔5，并将充分曝气后的水通过该钻孔注入含水层中；同时用含fe²⁺或fe³⁺的化学试剂与弱酸水配置成富铁水溶液，如ph值为6.0-7.0的feso4溶液或fecl3溶液，通过化学改性剂回灌钻孔注入含水层；

所述含氧水回灌钻孔5为地表垂直钻孔，布置在采区边界外侧100-200m位置。若采区走向或倾向长度超过1000m，则沿走向或倾向间隔1000m布置多个钻孔。

所述含氧水回灌钻孔5终孔位置位于含水层底界面以上10m位置，钻孔由地表直至含水层顶界面以下10m范围均采用套管护孔，护孔套管材质为高强度聚酯材料而非铁质。

d.在化学改性剂回灌过程中，化学改性剂与地下水中的阴阳离子反应生成沉淀物，沉淀物极易吸附在岩石中富含的石英矿物表面，从而对含水层岩体中存在的孔隙/裂隙进行有效封堵，并避免被地下水流冲蚀；

其中，导水裂隙带顶界面处于含水层内且其最高点距含水层顶界面距离大于20-30m，采动破坏含水层回灌修复后，在含水层内对应导水裂隙带轮廓线位置附近形成包裹导水裂隙带轮廓线的化学沉淀物隔离罩3，导水裂隙带顶界面处于含水层内且其最高点距含水层顶界面距离小于20-30m，采动破坏含水层回灌修复后，在含水层内对应导水裂隙带轮廓线位置附近形成包裹导水裂隙带轮廓线的化学沉淀物隔离壁4；

e.实时监测井下涌水量变化情况，并间隔1-2周对井下涌水的化学特征进行测试；若发现井下涌水量显著降低或井下涌水中出现大量化学改性剂成分，则减小化学改性剂的回灌量，否则，进行化学改性剂的持续灌注，直至井下涌水停止。