露天煤矿开采冻结含水层的保水方法与流程

本发明涉及一种保水方法，尤其是一种适用于煤炭开采与环境保护技术领域中的露天煤矿开采冻结含水层的保水方法。

背景技术：

我国西部大多是干旱半干旱的水资源匮乏地区，年均降水量低于400mm，但蒸发量却达到2500mm左右。近年来，随着该地区煤炭开采强度的不断加大，导致该地区水域环境及生态系统遭到严重破坏。尤其是在露天开采的煤矿区，煤层上覆地层的剥离导致地下含水层直接被截断，造成地下水大量外排，从而引起矿区周边地下水位下降、天然植被枯死、土地沙化等，对区域自然生态系统造成严重影响。因此，如何能在露天煤矿开采过程中有效保护水资源、最大限度的防止生态环境遭到破坏，是我国西部煤炭开发过程中面临的重大技术问题，也是保水采煤所需解决的关键科学问题。

目前，已有相关发明提出利用重构地层含水层的方式，在露天矿坑开采区域构建隔水层和蓄水空间，再将煤炭开采产生的疏排水注入地下蓄水空间内进行储存和净化，从而达到水资源保护的目的(CN201210473021.6，一种露天煤矿地下水库，2014)；然而，这类方法不仅会对煤炭开采的各个工序产生严重干扰，而且由于露天矿坑内可利用进行地层重构的区域有限，导致蓄水空间不足以有效储存煤炭开采产生的大量疏排水。同时，也有相关露天煤矿采用在排土场重新开挖蓄水池的方式直接进行蓄水与利用，但这种方式也存在蓄水量有限、以及对排土场土体结构稳定性有削弱影响等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是针对已有技术中存的问题，提供一种方法简单，隔离效果好，施工方便，有效解决西部矿区煤炭开发过程中的保水采煤及生态环境保护问题的露天煤矿冻结含水层的保水方法。

为实现上述目的，本发明的露天煤矿开采冻结含水层的保水方法，包括以下步骤：

a.在露天煤矿采煤区域范围内向下施工多个水文探测钻孔，根据钻孔内的涌水量情况判断出露天煤矿井田范围内地下含水层分布的区域边界、含水层埋深等参数信息；

b.在露天煤矿矿坑开采区域周边对应井田边界位置建立多个冷冻站将露天煤矿矿坑开采区域包围，对地下含水层实施冻结，从而在井田边界对应地下含水层区域形成一道冻结圈，利用多个冷冻站形成的冻结圈将露天煤矿矿坑开采区域于地下含水层隔离开，阻止地下水向矿坑位置排泄径流。

所述冷冻站包括制冷装置，制冷管路与多个布置在露天煤矿矿坑开采区域的冻结孔，其中制冷装置通过制冷管路分别与多个冻结孔联通，并通过制冷管路由冻结孔在地下含水层扩散冷气，从而使冻结孔周围的地下水冻结形成冰墙。

所述冷冻站包括7～10个冻结孔，冻结孔布置间距为5～10m，孔底应深入至地下含水层底界面以下的隔水层内5m。

将露天煤矿矿坑开采区域包围的多个冷冻站以露天矿坑中心为原点、以露天矿坑到井田边界的距离为半径呈圆形发散布置，布置范围覆盖井田内含水层分布区域。

当露天煤矿矿坑开采区域局部范围分布有地下含水层时，即开采区域宽度超过周围的地下含水层的宽度时，冷冻站的冻结孔仅需排布在地下含水层边界位置，利用冷冻站的冻结孔形成的冰墙将露天煤矿矿坑两侧的地下水隔离开。

当露天煤矿矿坑开采区域全部范围分布有地下含水层时，即开采区域宽度小于周围的地下含水层的宽度时，则冷冻站的多个冻结孔以圆形排布包围覆盖整个井田，整个井田利用冷冻站的冻结孔形成的冰墙将冰墙外与冰墙内的地下水隔离开来。

有益效果：本方法基于露天煤矿井田的水文地质赋存条件，在井田边界附近对地下含水层实施人工制冷冻结，不仅不会对露天矿坑的采煤、运输等生产活动产生干扰，还能有效阻隔井田周边的地下水体向露天矿坑排泄，维持了周边区域的地下水位，有效保护了矿区周边的生态环境。本发明尤其适用于西部酷寒地区露天煤矿的保水采煤，可充分利用酷寒冬季的自然冷冻，有效降低冷冻站的制冷消耗；也就是说，采用本发明时，可充分利用当地的气候变化，合理调整冷冻站的制冷消耗，其使用方法可靠，实用性强。

与现有技术相比于具有以下优点：

(1)基于露天煤矿井田内的地下含水层赋存情况，在井田边界附近对地下含水层实施人工制冷冻结，不仅不会对露天矿坑的采煤、运输等生产活动产生干扰，还能有效阻隔井田周边的地下水体向露天矿坑排泄，维持了周边区域的地下水位，有效保护了矿区周边的生态环境。其实施方法可靠，实用性强；

(2)尤其适用于西部酷寒露天开采矿区的保水采煤，可充分利用当地的气候条件合理降低本发明实施带来的能耗，经济而环保。

附图说明

图1是本发明露天开采井田的含水层冻结布置剖面图；

图2是本发明露天开采井田内局部范围分布有地下含水层时的冻结布置图；

图3是本发明露天开采井田内全部范围分布有地下含水层时的冻结布置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的的一个实施例作进行进一步说明：

如图1所示，本发明的露天煤矿开采冻结含水层的保水方法，包括以下步骤：

a.在露天煤矿采煤区域范围内向下施工多个水文探测钻孔，根据钻孔内的涌水量情况判断出露天煤矿井田范围内地下含水层分布的区域边界、含水层埋深等参数信息；

b.在露天煤矿矿坑开采区域周边对应井田边界位置建立多个冷冻站将露天煤矿矿坑开采区域包围：将露天煤矿矿坑开采区域包围的多个冷冻站以露天矿坑中心为原点、以露天矿坑到井田边界的距离为半径呈圆形发散布置，布置范围覆盖井田内含水层分布区域；

所述冷冻站包括制冷装置，制冷管路与多个布置在露天煤矿矿坑开采区域的冻结孔，每个冷冻站包括7～10个冻结孔，冻结孔布置间距为5～10m，孔底应深入至地下含水层底界面以下的隔水层内5m，其中制冷装置通过制冷管路分别与多个冻结孔联通，并通过制冷管路由冻结孔在地下含水层扩散冷气，从而使冻结孔周围的地下水冻结形成冰墙；

对地下含水层实施冻结，从而在井田边界对应地下含水层区域形成一道冻结圈，利用多个冷冻站形成的冻结圈将露天煤矿矿坑开采区域于地下含水层隔离开，阻止地下水向矿坑位置排泄径流。

如图2所示，当露天煤矿矿坑开采区域局部范围分布有地下含水层时，即开采区域宽度超过周围的地下含水层的宽度时，冷冻站的冻结孔仅需排布在地下含水层边界位置，利用冷冻站的冻结孔形成的冰墙将露天煤矿矿坑两侧的地下水隔离开。

如图3所示，当露天煤矿矿坑开采区域全部范围分布有地下含水层时，即开采区域宽度小于周围的地下含水层的宽度时，则冷冻站的多个冻结孔以圆形排布包围覆盖整个井田，整个井田利用冷冻站的冻结孔形成的冰墙将冰墙外与冰墙内的地下水隔离开来。

本发明根据露天煤矿开采的具体水文地质条件，通过水文地质钻孔探明区域地下含水层分布情况，利用人工制冷的方式对井田范围内的地下含水层实施冻结圈拦截，阻止井田开采范围以外的地下水向露天矿坑排泄。所述冻结圈由冻结孔及其配套的冻结管路和冷冻站对地下含水层中的水体人工制冷而形成。冻结孔布置时以露天矿坑中心为原点、以露天矿坑到井田边界的距离为半径呈圆形发散布置，布置范围覆盖井田内含水层分布区域，布置深度以深入至地下含水层底界面以下的隔水层内5m为宜。

所述冷冻站的制冷工艺与冻结凿井法中的冻结工艺相同(煤炭科学研究院北京研究生建井室，《煤矿冻结法凿井》，1975)。