专利名称：地下空间特别是矿区的排水方法
技术领域：
本发明涉及地下空间、特别是矿区的人工排水方法，此方法在于通过地下水泵站和采用至少一个充水孔将储水区的水排出或将渗透水汇集并注入充水区，充水区与地下空间之间隔有不透水的夹层。
矿区排水最常用的方法是将从矿区排出的水或渗透水汇集起来，并用水泵将其提升到地面上。在地层内的水由于开采排水或自然排水失去平衡而必须进行调节时，通常经过注水井将从矿区提升上来的水(或部分这样的水)重新抽回地下储水区。
将水不断地从矿区排出并将从地下储水区抽出的水再送回去，这种双重的技术目的用现有的方法就能完全实现，但这种方法过于复杂和昂贵。此外，在将水从地面上重新注入地下时还有会加大污染环境的危险。
本发明的目的在于消除上述缺点，也就是要提供一种与现有方法相比，费用较低，受外界污染危险较小的方法，用以将水自矿区和其他地下空间排出而又将其送回到地下水系统中去。
本发明的基本精神在于认识到若能满足以下两个条件，就可使为了保护地下空间而从地下储水区排出的水或使渗透水返回到地下充水区。第一个条件是在地下水系统内的排水区和充水区之间应具有足够高的阻水能力;第二个条件是在矿区和地下水系统内的充水区之间应具有不透水夹层，其中，使夹层自身发生自发液力破裂的水压应大于所用充水压力。
如不能满足第一个条件，在充水时，排水量或渗水量都会急剧增大。
如不能满足第二个条件，受压返回地下水系统内的水就会在不透水夹层中引起液力破裂，而在充水时，地下储水系统内的水就会涌进矿区。
因此，本发明从地下空间特别是从矿区排水的方法，在于通过地下水泵站和采用至少一个充水孔对储水区进行人工排水或汇集渗透水，并将水注入与地下空间隔有不透水夹层的充水区，这种方法是将水从地下空间直接注入充水区而不必将其提升到地面上。
本方法的另一特点是注入充水区的水压小于储水区和充水区之间的阻水能力，同时小于地下空间和充水区之间不透水夹层的最小岩石强度。
本方法还可对不透水夹层进行爆破和测定爆破压力，并采用较爆破压力至少小5%，最好小10～15%的压力将水注入充水区。
在某种情况下，本方法还可采用已知的产量增加法(如酸处理)和(或)对充水孔进行爆破以减低充水压力。
另一种可行的有效方法是通过至少一个充填孔，将填料或含水泥的充填料充填到储水区和充水区之间。
在另有可能的情况下，本方法还能在渗透水注入充水区之前将其净化。
在本方法的实施中，最好将至少是部分的渗透水或部分从储水区排出的水，借助于过滤井，用一种保障开采作业的已知方法，汇集在一个封闭的或至少能防止污染的重力集流管道内，再将其导向安装在矿区内的充水水泵站。
借助于充水水泵站，必要时在经过处理后，将水经由充水孔注入储水区的某一区段内，在此区段与地下储水系统的排水区之间隔有一高阻水能力的区域，而在此区段与矿区之间隔有一不透水夹层，此不透水夹层具有大于充水压力的抗液力破裂强度。
在地下储水区由于地质构造上的原因或由于存在着不透水夹层而受到隔断时，可对储水区进行适当的选择，便能在排水区和充水区之间取得足够大的阻水能力，而在其他情况下，作为补充措施则至少应部分地对水的通路进行充填，以增加排水区和充水区之间的阻水能力。
对于防止在矿区或其他地下空间与设在储水区内的充水区之间产生液力破裂的可靠性应进行两种检测，即对不透水夹层进行试验性爆破并作压力检测和对储水区进行试验性充水并作压力检测。
根据测得的数据，对于最不利的最小抗裂强度应通过以下方法使之适当增大选定充水区和矿区之间的距离，使其至多达到符合原始应力条件下的限度;以及(或者)通过下述方式来降低所需充水压力，即要末增加充水孔的数量，要末采用已知的产量增加法(如酸处理)或对充水孔进行爆破。
也有可能取得可供充水的极为有利的储水区，其中的水压使充水可通过吸水作用而不必通过泵送来完成。
本发明可结合以下实例进行说明。
图1示明了本发明之方法的一个实例，其中的水文地质环境为排水地层和充水地层之间具有较远的水路连接;
图2所示应用例的情况为排水区和充水区取自同一储水区，但由于地质错层，排水区和充水区之间无直接的水路连接;
图3所示实例涉及这样的情况排水区和充水区之间的水路连接通过对水路进行部分充填而有所减弱;
图4所示情况为由于能力不足，或为了同时降低运水费用和减轻从地下储水区排水在经济上的不利因素，而谋求从已开采的矿区中减少提升水量。与上述各例相比的另一差别在于，矿区内出现的水是渗透水且不用排水孔，但也可同时使用排水孔。
如图1所示，地下空间1位于矿层22中，在地下空间1的上面为储水区2，储水区2危及地下空间1。储水区2穿过不整合的地层，在远离矿层22的地方与地下空间1下面的充水区3存在着水路连接，充水区3与地下空间1之间隔有不透水夹层4。通过起始于地下空间1的排水孔8对储水区2进行排水以保护地下空间1。在排水过程中，储水区2的起始水位24即变为下降水位11。在充水之前，借助于安全水泵站17，通过运水管18将排出的水提升到地面上。在开始充水之前，应在爆破注射孔9内侧定使不透水夹层4破裂的压力Pr，此爆破注射孔9位于不透水夹层4内预定注射位置附近，在充水区3的近侧，然后应将爆破注射孔9用后硬化材料堵死。此后，应在充水区3的试验性充水孔10内进行注水试验，试验性充水孔10是在前期爆破试验的基础上设置的，注水试验所用压力不应超过破裂压力Pr的85～90%，注水试验的目的在于确定借助于充水泵12通过一个充水孔所能注入的水量。作为附加措施，还可采用产量增加法如增产爆破法。在测定出排水量和通过一个充水孔所能注入的水量后，就应同时扩展到整个排水孔8和充水孔5的系统中去。应将排水孔8中经沉降的水通过管道13和充水泵12引到充水孔5中去。对每个充水孔5应配置一通用的减压阀，例如配置一排泄阀，将充水压力调到破裂压力Pr的90%。
通过以上措施，改变了充水区3注水前的水位14，从而使提高后的水位15的压力始终低于会导致不透水夹层4破裂的压力Pr。
来自排水孔8的水中未沉降的部分则借助于安全水泵站17通过送水管18提升到地面上。安全水泵站17的能力应考虑到排水充水系统发生局部故障的因素。
图2所示实例可用于储水区2遇有地质错层的情况下，这意味着在错层的被分隔开的两个部分之间存在着足够的阻水能力。图2中储水区2直接位于地下空间1的上面。由于存在着错层19，在充水区3和储水区2之间隔有不透水夹层4。在这种情况下，地下空间1可接近充水区3，但应以不透水夹层4不致产生液力破裂为限。因此开采作业可先扩展到临时性的矿区保安矿柱20处，位于离充水区3约100～150m的安全距离处，然后测定导向充水区3的一组爆破注射孔9内的破裂压力Pr。根据测得的数据，即可确定使得充水压力为破裂压力Pr的85～90%时从地下空间1到充水区3的应有距离，从而防止充水压力超出充水区3的原有水压。此后，地下空间1即可进一步接近充水区3，而到达在排水孔8和安全水泵站17的防护下所允许的矿区保安矿柱21。此时，再设置新的爆破注射孔9并测定其中的破裂压力值。根据测得的值即可按图1所示实例继续这一过程。
图3所示水文地质环境与图2所示相比，差异在于地质错层19并不防碍储水区2和充水区3之间的水路连接。在这种情况下，沿地质错层19的水路至少应部分地通过从地面上开挖出的充填孔6进行充填，从而构成具有增高阻水能力的区段23。进一步的处置与图2所示相同。
在图4中，地下空间1中出现的从下面储水区2通过薄层不透水夹层4渗进的水7，可通过管道25借重力传送到安全水泵站17。可以考虑对位于地下空间1上的面的充水区3进行充水，在充水之前，此充水区的水位14远低于地面水平。
在储水区2和充水区3之间通过不整合的地层存在着水路连接，这与图1所示的地质情况相同。在地下空间1和充水区3之间隔有不透水夹层4。
首先须对爆破注射孔9进行一些试验，以确定允许的充水压力，再对试验性充水孔10进行充水试验，然后如图1所示设置充水孔5，在作好将充水孔5的系统投入使用的准备工作后，将一部分预先稳定位的渗进水引进澄清器26，再用充水泵12将其抽送到充水孔5中。
采用这种方法可以部分地减轻安全水泵站17的负荷，因此能减少提水所耗能量，而这一能量对应于提水水位15和地面水平之差。此外，水的平衡由于这部分的充水量而得到改善。
采用本发明所述方法的优点是使从地下水系统中排出的水直接返回到地下水系统，这种排水和充水所需投资和运行费用相应地低于现有的方法，由于一般对水采用封闭的处置方法，基本上免除了充水前较贵的水处理费用。
在通常情况下，特别是在原始水压相对较低而充水区具有较好的透水性时，按本发明所述方法，水的提升费用比将水提升到地面上而不再返回的方法低得多。这意味着本发明所采用的节水法较传统的耗水法便宜。
基于后一优点，本发明所述方法还可取代其它各种不经济的方法。
编号部位名称1.地下空间2.储水区3.充水区4.不透水夹层5.充水孔6.充填孔7.渗透水8.排水孔9.爆破注射孔10.试验性充水孔11.下降水位12.充水泵13.管道14.充水前水位15.提升水位17.安全水泵站18.运水管19.地质错层20.临时性矿区保安矿柱21.允许矿区保安矿柱22.矿层23.增高阻水能力的区段24.起始水位
25.重力传送管道26.澄清器
权利要求
1.一种对地下空间，特别是对矿区进行排水的方法，此方法在于于对储水区进行人工排水或汇集渗透水，并借助于地下水泵站和通过至少一个充水孔将水注入充水区，充水区与地下空间之间隔有不透水夹层，其特征是将水从地下空间(1)直接注入充水区(3)，而不必将其提升到地面上。
2.如权利要求1所述的对地下空间进行排水的方法，其特征是将水注入充水区(3)时所用的压力，既低于储水区(2)和充水区(3)之间的阻水能力，又小于地下空间(1)和充水区(3)之间不透水夹层(4)的最小岩石强度。
3.如权利要求1或2所述的对地下空间进行排水的方法，其特征是对不透水夹层(4)进行爆破，以测定爆破压力，并将水注入充水区(3)，充水压力与爆破压力相比至少小5%，最好小10～15%。
4.如权利要求1～3所述的对地下空间进行排水的方法，其特征是采用已知的产量增加法(如酸处理)和(或)对充水孔(5)爆破，以降低充水压力。
5.如权利要求1～4任何一项所述的对地下空间进行排水的方法，其特征是在储水区(2)和充水区(3)之间，通过至少一个充填孔(6)装入填料或含水泥的充填料。
6.如权利要求1～5任何一项所述的对地下空间进行排水的方法，其特征是在注入充水区(3)之前对渗透水(7)进行净化。
全文摘要
对地下空间，特别是对矿区进行排水的方法，此方法在于用人工方法对储水区进行排水或汇集渗透水，并借助于地下水泵站和通过至少一个充水孔将水注入充水压，充水区与地下空间之间隔有不透水夹层，而其特征是将水从地下空间直接注入充水区而不必将水提升到地面上，注水时所用压力则低于储水区和充水区之间的阻水能力，同时小于地下空间和充水区之间不透水夹层的最小岩石强度。
文档编号E21F16/00GK1042966SQ88108259
公开日1990年6月13日 申请日期1988年12月1日 优先权日1988年12月1日
发明者弗兰茨·比亚, 乔治·斯萨帝亚, 赛索尔特·科索, 比德·多斯, 拉斯罗·科普利亚 申请人:韦斯普里米森本亚克, 矿山开发中心研究所, 国家地理研究勘探公司