本发明涉及工程地质、环境工程领域与采矿工程的交叉技术领域，具体涉及一种利用采空区负压再造隔水土层的保水采煤方法。
背景技术：
我国西北地区煤炭埋藏浅、资源丰富，但是生态环境脆弱、水资源匮乏，煤炭开采引起浅部地下水流失，造成生态环境恶化。为解决该问题，我国相关专家提出了保水采煤的理念，但现有保水采煤技术还存在以下问题：
1)现有技术一：一种让水资源进入矿井后再存储和利用，这种方法虽然解决了用水问题，但是由于生态水位无法恢复，大型植被很难生存或者修复；
2)现有技术二为：一种以保护生态水位为基础的保水采煤方法，对不适宜直接开采的区域禁止或者限制开采，造成了煤炭资源的浪费；
3)另外还有通过控制矿山压力或者通过土层天然愈合能力来再造隔水层来保水采煤的，但是这种过程十分漫长或者地质条件不同地区差异很大，甚至不能真正达到目的；
4)还有各类认为工程对上覆隔水层进行修复的方法，虽然有一定的效果，但是由于工程造价高、环境副作用大，保水采煤效果不好。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提供一种利用采空区负压再造隔水土层的保水采煤方法，本发明具有简单易实施、节能环保、能够减少煤炭储量的浪费以及提高生态修复效果的特点。
本发明采用如下技术方案：
一种利用采空区负压再造隔水土层的保水采煤方法，包括如下步骤：
步骤一，在煤层开采前，测定浅部地层的天然含水量w；
步骤二，在煤层临采前，向即将开采的煤层的区域注入磁化水，使得注入区域隔水土层含水量处于塑限和液限之间；
步骤三：在煤层开采后，向采煤工作面两侧注浆封堵裂缝；
步骤四，再测定浅部地层的含水量，通过浅部地层的含水量确定m点，m点为含水量为小于0.6w的点；
步骤五，再在所有m点对应的井下位置，从采空区向岩石段内实施负压传递钻孔；
步骤六，对浅部地层的水分漏失点施加荷载；
步骤七，再对向隔水土层注入磁化水，使得注入区域隔水土层含水量处于塑限和液限之间；
步骤八，再调节采空区的风压，使得采空区为负压；
步骤九，利用采空区的负压固结再造隔水土层；
步骤十，固结再造隔水土层完成后，去除地表所有荷载。
步骤一中，在煤层开采之前，沿煤层开采走向方向每隔10～20m，在深度为1～5m处获取浅部地层的天然样品，并测试样品的含水量。
步骤二中，煤层每开采一个区域之前12小时以内，通过地表向即将开采煤层的区域注入磁化水，注入区域隔水土层含水量的含水量信息通过取样土工实验获取；所述磁化水是指水体在1特斯拉以上的磁场中循环30分钟以上所得到的水。
所述步骤四中，对步骤二中取样地点的相同深度处再进行取样，测试样品的含水量为v，并记录同一地点含水量v小于0.6w的点，将同一地点含水量v小于0.6w的点记录为m点。
所述步骤五具体为：在所有m点对应的井下位置，实施仰斜的负压传递钻孔，负压传递钻孔的目的层为隔水土层的不同深度段，负压传递钻孔必须涉及所有的深度段。
所述负压传递钻孔的直径为158～300mm，负压传递钻孔的倾角为60°～90°，负压传递钻孔在通过岩石段时注浆加固2次成孔，2次成孔后，岩石段冲洗液消耗量应小于0.1l/(s﹒m)，钻孔完成后不封孔，并在钻孔内埋设塑性排水管，排水管两端均设置滤网。
所述步骤六中，在m点处放置重物，其中，重物质量大于400公斤，且占地面积小于4平方米。
步骤七具体为：在m点垂直投影区域的隔水土层中再注入磁化水。
所述步骤三具体为：煤层完成开采后1～3个月内，在开切眼和收作线上方地层实施注浆钻孔，并通过注浆钻孔注入水泥浆液，直至开切眼和收作线裂隙中水泥材料注满涌出。
步骤八中，调节采空区的风压时，同时加强局部负压，使得负压传递钻孔的局部负压达到10kpa以上；
步骤九中，固结再造隔水土层过程中，当隔水土层上方浅部地层的含水量恢复到0.8倍的w以上，对负压传递钻孔封孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
由于土层的矿物及破坏情况差异很大，很难以自愈合，或者需要的时间十分漫长。本发明通过在煤炭开采前注入磁化水的主要作用是软化土层，依据有效应力原理，土层在大量含水的情况下各方面的强度会降低，但是破坏的程度会大大降低，即形成大量的细小的裂缝，这种裂缝在磁化水作用下，更容易愈合。依据矿山压力与岩层移动规律，煤炭开采后工作面两侧是大型裂隙发育的主要区域，对这些区域进行注浆主要是提高采空区两侧的密封性，防治漏风，让风流集中在裂隙可以愈合的中部区域。依据采煤前后的地层含水量，能够查明漏水和漏风的主要区域，因为水和气的运移都在裂隙中，以此为靶区进行负压传递可以提高效率。由于煤炭开采是负压通风，特别是采空区大面积的坍塌会形成巨大的空间，风阻力很小，加上负压传递的钻孔，能够将负压直接作用到裂隙土层，特别是在磁化水诱导下，磁化后的水体表明吸附力大，可以加快裂隙的愈合，特别在施加外力的作用下，会进一步促进裂隙土体固结加固。从而利用采空区负压固结再造隔水土层。由于浅层水对生态作用是关键的，煤炭开采后利用采空区负压再造了隔水土层，浅层水会得到大气降水和周边含水层补给而恢复正常生态。综上，本发明的方发能够在解放煤炭资源的同时，高速、绿色的恢复生态所需要的水位，达到保水采煤的目的，因此本发明：1)简单易实施；2)节能环保；3)减少了煤炭储量的浪费；4)提高了生态修复效果。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明保水采煤工程示意图。
图中：1、煤层，2、负压传递钻孔，3、隔水土层，4、浅部地层，5、荷载，6、注浆钻孔，7、开切眼，8、收作线，9、采空区，10、岩石段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。
如图1所示，参照图2，本发明的利用采空区负压再造隔水土层的保水采煤方法，包括如下步骤：
步骤一：在煤层1开采前，测定浅部地层4的天然含水量w；在测定浅部地层4的天然含水量w时，沿煤层1开采走向方向每隔10～20m，在深度为1～5m处获取浅部地层4的天然样品，然后测试样品的含水量；
步骤二：在煤层1每开采一个区域之前12小时以内，通过地表向即将开采煤层1的区域注入磁化水，使得注入区域隔水土层3含水量处于塑限和液限之间；其中，注入区域隔水土层(3)含水量的含水量信息通过取样土工实验获取；磁化水是指水体在1特斯拉以上的磁场中循环30分钟以上所得到的水；
步骤三：在煤层1完成开采后1～3个月内，在开切眼7和收作线8上方地层实施注浆钻孔6，并通过注浆钻孔6注入水泥浆液，直至开切眼7和收作线8裂隙中水泥材料注满涌出；
步骤四：再在测定浅部地层4中，在步骤二中取样地点的相同深度处再进行取样，并测试样品的含水量为v，并记录同一地点v小于0.6w的点，将同一地点含水量v小于0.6w的点记录为m点；
步骤五：再在所有m点对应的井下位置，从采空区9向岩石段10内实施负压传递钻孔2：在实施负压传递钻孔2时，实施仰斜的负压传递钻孔2，负压传递钻孔2目的层为隔水土层3不同深度段，每5m为一个深度段，负压传递钻孔2必须涉及所有的深度段；负压传递钻孔2直径为158～300mm，负压传递钻孔2倾角应大于60°，小于90°，负压传递钻孔2在通过岩石段10时注浆加固2次成孔，2次成孔后岩石段10冲洗液消耗量应小于0.1l/(s﹒m)，钻孔完成后，不封孔，并在钻孔内埋设塑性排水管，排水管两端均设置滤网；
步骤六：在浅部地层4水分漏失点施加荷载5，其中，重物质量大于400公斤，且占地面积小于4平方米，具体的，m点即为水分漏失点；
步骤七：在m点垂直投影区域的隔水土层3再次注入磁化水，注入的磁化水使得注入区域隔水土层3含水量处于塑限和液限之间；
步骤八：在二次注入磁化水后，对采空区9的风压进行调节，调节时，同时加强局部负压，使得负压传递钻孔2局部负压达到10kpa以上；
步骤九：通过负压将水通过负压传递钻孔2排出后，发育裂隙的隔水土层3发生固结，固结应力强化隔水土层3自愈合能力，使得隔水土层3再造，直到隔水土层3上方浅部地层4的含水量恢复到0.8倍的w以上，对负压传递钻孔2封孔；
步骤十：对煤层1开采的同时保护生态环境，固结再造隔水土层3完成后，去除地表所有荷载5，并种植植被，完成煤炭资源开采和生态环境、水资源恢复。
实施例：
某干旱缺水矿区，要开采2号煤，煤层开采厚度4.5米，煤层上覆岩石段平均56米，隔水土层平均24米，隔水土层上有一个松散砂层，浅表地层(松散砂层)的水是地表植被生存的关键。按照传统保水采煤方法，要么牺牲煤炭资源限制开采，要么牺牲生态环境，造成生态大规模退化。
采用以下步骤实施利用采空区负压再造隔水土层的保水采煤：
步骤一：煤层采前测定浅部地层天然含水量，具体的：煤层开采之前，沿煤层开采走向方向每隔10～20m，深度1～5m处获取浅部地层的天然样品，并测试样品的含水量为w，天然含水量w为8.8％～16.3％；
步骤二：煤层临采前向隔水土层注入磁化水，具体的：煤层每开采一个区域之前12小时以内，通过地表向即将煤层开采区域注入磁化水，注入区域隔水土层含水量测试结果为18.7％～23.8％；塑限和液限的含水量信息通过取样土工实验获取，塑限为16.8％～20.7％，液限为21.9％～31.7％，所有隔水土层均在塑限和液限之间；
步骤三：煤层采后向2201号采煤工作面两侧注浆封堵裂缝，具体为：煤层完成开采后1～3个月，分别在开切眼和收作线上方地层实施注浆钻孔，并通过注浆钻孔注入水泥浆液，直至开切眼和收作线裂隙中水泥材料注满涌出，共注入水泥浆液872.5m3；
步骤四：煤层采后测定浅部地层含水量：对步骤二中取样地点的相同深度处获取另外样品，并测试样品的含水量为v(3.8％～14.4％)，并记录v小于0.6w的点，记录为m点(共5个点)；
步骤五：煤层采后实施负压传递钻孔：在所有m点对应的井下位置，实施仰斜的负压传递钻孔(共实施25个)，负压传递钻孔目的层为隔水土层不同深度段，每5m为一个深度段，负压传递钻孔涉及所有的深度段(共5个深度段，即深度0～5米，5～10米，10～15米，15～20米，20～24米)：负压传递钻孔直径大于158mm(158mm～210mm)，负压传递钻孔倾角应大于60°，负压传递钻孔在通过岩石段时注浆加固2次成孔，2次成孔后岩石段冲洗液消耗量应小于0.1l/(s﹒m)，钻孔完成后不封孔，并埋设塑性排水管，排水管两端均设置滤网；
步骤六：浅部地层水分漏失点施加荷载(共计5个点)：在m点处放置重物，其中重物质量大于400公斤，且占地面积小于4平方米；
步骤七：煤层采后向隔水土层二次注入磁化水：在m点垂直投影区域的隔水土层二次注入磁化水，注入使得注入区域隔水土层含水量处于塑限和液限之间，注入后含水量为17.7％～25.2％；
步骤八：井下调节采空区的风压：在二次注入磁化水后，在井下通过风门调节，对采空区的风压进行调节，同时加强局部负压，使得负压传递钻孔局部负压达到10kpa以上；
步骤九：利用采空区负压固结再造隔水土层：通过负压将水通过负压传递钻孔排出(排出水量942m3)，发育裂隙的隔水土层发生固结，固结应力强化隔水土层自愈合能力，使得隔水土层再造，直到隔水土层上方浅部地层含水量恢复到0.8倍的w以上，对负压传递钻孔封孔；
步骤十：煤层开采的同时保护生态环境：去除地表所有荷载，并种植植被，完成煤炭资源开采和生态环境、水资源恢复。煤炭共计开采634万吨，保护地表生态面积1.2km2，完成了保水采煤。