矿井保水开采技术的制作方法

1.本发明涉及矿井开采技术领域，具体而言，涉及一种矿井保水开采技术。


背景技术：

2.目前，随着我国煤炭资源战略转移和开采技术水平的不断提升，煤炭生产呈现大规模、高强度的开采模式。然而，忽略水资源的保护容易造成水土流失、土地荒漠化等一系列生态环境恶化问题，而破坏后的生态修复往往成本高且难度大。煤炭行业发展下，“煤炭生产模式必须转变为安全、高效、智能、绿色开采”，在煤炭开发过程中，必须以水资源承载力为基础约束之一，通过在开采过程中采取有效的保水措施以保证安全高效的开采。
3.在现有技术中，在煤矿井下工作面开采前，需要对影响煤炭资源开采的顶板含水层内的水液进行疏放，疏放后的水利用井下排水管路排放至地面。然而，上述排水方式对矿井周边的土体结构稳定性有削弱影响，影响矿井开采的安全性。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种矿井保水开采技术，以解决现有技术中针对含水层内水液的处理方式影响矿井开采安全性的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种矿井保水开采技术，包括：在地表上向下施工钻孔，直至钻孔后形成的第一通孔与地表以下的含水层连通；通过第一通孔向含水层内注入冷冻液，以使含水层冻结，在间隔预设时间段后，检测含水层的冻结情况；在含水层的冻结情况满足预设要求时，对工作面进行开采；其中，冷冻液为液氮或者液态二氧化碳。
6.进一步地，在地表上向下施工钻孔的方法包括：沿地表的长度方向和/或宽度方向，每间隔第一预设距离s进行钻孔；其中，第一预设距离s大于等于40m且小于等于60m。
7.进一步地，通过第一通孔向含水层内注入冷冻液的方法包括：将管道伸入第一通孔内，直至管道的出液口位于含水层的层顶和层底之间。
8.进一步地，检测含水层的冻结情况的方法包括：沿第一通孔的周向，在距离第一通孔的中心轴第二预设距离的范围内钻孔，直至钻孔后形成的第二通孔与含水层连通，通过第二通孔对位于含水层内的水液进行抽吸，以根据单位时间内抽吸的水量判断含水层的冻结情况。
9.进一步地，根据单位时间内抽吸的水量判断含水层的冻结情况的方法包括：若单位时间内抽吸的水量大于或等于预设水量，则判断含水层不满足冻结要求；若单位时间内抽吸的水量小于预设水量，则判断含水层满足冻结要求。
10.进一步地，检测含水层的冻结情况的方法包括：在对工作面进行开采前，在工作面上向上钻孔，直至钻孔后形成的第三通孔与含水层连通，若第三通孔内有水液滴落，则判断含水层不满足冻结要求。
11.进一步地，在对工作面进行开采的过程中，矿井保水开采技术还包括：向采空区内注入冷冻液，以确保含水层冻结后形成的冰块掉落在采空区内不发生融化。
12.进一步地，在地表上向下施工钻孔之前，矿井保水开采技术还包括：获取工作面范围内的水文地质信息，水文地质信息包括含水层和隔水层的空间位置；根据获取到的水文地质信息，确定含水层的高度位置。
13.进一步地，在地表上向下施工钻孔之前，矿井保水开采技术还包括：获取矿井开采区域与含水层之间的分布关系，根据二者之间的分布关系确定多个第一通孔的分布情况。
14.进一步地，根据矿井开采区域与含水层之间的分布关系确定多个第一通孔的分布情况的方法包括：当矿井开采区域的局部范围分布有含水层时，即矿井开采区域的宽度超过周围的含水层的宽度时，多个第一通孔仅需排布在含水层的边界位置；当矿井开采区域的全部范围分布有含水层时，即矿井开采区域的宽度小于周围的含水层的宽度时，多个第一通孔以圆形排布包围覆盖整个矿井开采区域。
15.应用本发明的技术方案，在对矿井的工作面进行开采前，在地表上钻孔并形成第一通孔，通过第一通孔向含水层内注入冷冻液，以使含水层冻结，进而无需对含水层内的水液进行疏放，解决了现有技术中针对含水层内水液的处理方式影响矿井开采安全性的问题，维持了周边区域的地下水位，有效保护了矿井周边的生态环境，也能够保证回采的工作进度，不会对矿井的正常生产活动造成干扰。
16.这样，与现有技术中使用井下排水管路将含水层内的水液疏放至地面相比，本技术中的矿井保水开采技术无需对含水层内的水液进行疏放，进而不会影响矿井周边的土体结构稳定性。同时，在对矿井完成开采后，由于冻结后的水液形成冻结墙体或者冻结圈层，使采后地下水能够迅速恢复至原有水平，保护水资源以及地表生态环境。
附图说明
17.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1示出了根据本发明的矿井保水开采技术的实施例一应用在矿井内的剖视图；
19.图2示出了图1中的矿井保水开采技术的流程图。
20.其中，上述附图包括以下附图标记：
21.10、地表；20、第一通孔；30、含水层；40、工作面；50、隔水层；60、管道。
具体实施方式
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
23.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
24.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“左、右”通常是针对附图所示的左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
25.为了解决现有技术中针对含水层内水液的处理方式影响矿井开采安全性的问题，本技术提供了一种矿井保水开采技术。
26.实施例一
27.如图1和图2所示，矿井保水开采技术包括：
28.在地表10上向下施工钻孔，直至钻孔后形成的第一通孔20与地表10以下的含水层30 连通；
29.通过第一通孔20向含水层30内注入冷冻液，以使含水层30冻结，在间隔预设时间段后，检测含水层30的冻结情况；
30.在含水层30的冻结情况满足预设要求时，对工作面40进行开采。其中，冷冻液为液氮或者液态二氧化碳。
31.应用本实施例的技术方案，在对矿井的工作面40进行开采前，在地表10上钻孔并形成第一通孔20，通过第一通孔20向含水层30内注入冷冻液，以使含水层30冻结，进而无需对含水层30内的水液进行疏放，解决了现有技术中针对含水层内水液的处理方式影响矿井开采安全性的问题，维持了周边区域的地下水位，有效保护了矿井周边的生态环境，也能够保证回采的工作进度，不会对矿井的正常生产活动造成干扰。
32.这样，与现有技术中使用井下排水管路将含水层内的水液疏放至地面相比，本实施例中的矿井保水开采技术无需对含水层30内的水液进行疏放，进而不会影响矿井周边的土体结构稳定性。同时，在对矿井完成开采后，由于冻结后的水液形成冻结墙体或者冻结圈层，使采后地下水能够迅速恢复至原有水平，保护水资源以及地表生态环境。
33.在本实施例中，在井田边界附近对地下含水层30实施人工制冷冻结，不仅不会对矿井的采煤、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矿井内排泄，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。同时，矿井保水开采技术的实施方法可靠，实用性强，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。
34.可选地，在地表10上向下施工钻孔的方法包括：
35.沿地表10的长度方向和/或宽度方向，每间隔第一预设距离s进行钻孔；其中，第一预设距离s大于等于40m且小于等于60m。
36.这样，上述设置确保第一通孔20的周围的地下水冻结形成冰墙，进而防止含水层30内的水液流入工作面40而影响正常开采。同时，上述设置使得第一通孔20的设置位置更加合理，在确保含水层30能够冻结的前提下降低了工作人员的加工难度。
37.在本实施例中，第一通孔20布置时以矿井的中心为原点、以矿井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50内5m为宜。
38.在本实施例中，第一预设距离s为50m。
39.可选地，通过第一通孔20向含水层30内注入冷冻液的方法包括：
40.将管道60伸入第一通孔20内，直至管道60的出液口位于含水层30的层顶和层底之间。
41.具体地，在完成钻孔后，向管道60内通入冷冻液，上述设置确保从管道60的出液口排出的冷冻液直接流入含水层30，进而提升了水液冻结效率，实现含水层30的快速冻结。
42.在本实施例中，检测含水层30的冻结情况的方法包括：
43.沿第一通孔20的周向，在距离第一通孔20的中心轴第二预设距离的范围内钻孔，
直至钻孔后形成的第二通孔与含水层30连通，通过第二通孔对位于含水层30内的水液进行抽吸，以根据单位时间内抽吸的水量判断含水层30的冻结情况。
44.具体地，在向含水层30内注入冷冻液的过程中，每间隔一定时间通过第二通孔对位于含水层30内的水液进行抽吸，进而判断含水层30的冻结情况，以使工作人员对含水层30的冻结情况的判断更加容易、简便，降低了获取难度。
45.在本实施例中，根据单位时间内抽吸的水量判断含水层30的冻结情况的方法包括：
46.若单位时间内抽吸的水量大于或等于预设水量，则判断含水层30不满足冻结要求；
47.若单位时间内抽吸的水量小于预设水量，则判断含水层30满足冻结要求。
48.在本实施例中，在对工作面40进行开采的过程中，矿井保水开采技术还包括：
49.向采空区内注入冷冻液，以确保含水层30冻结后形成的冰块掉落在采空区内不发生融化。
50.这样，在工作人员对工作面40进行开采的过程中，随着煤层顶板垮落，顶板含水层30 经冻结的冰块进入到采空区内，在采空区内继续注入冷冻液，确保采空区内的冰块不被融化，同时防治采空区着火。
51.可选地，在地表10上向下施工钻孔之前，矿井保水开采技术还包括：
52.获取工作面40范围内的水文地质信息，水文地质信息包括含水层30和隔水层的空间位置；
53.根据获取到的水文地质信息，确定含水层30的高度位置。
54.具体地，根据矿井的具体水文地质信息，通过水文地质信息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。其中，冻结圈由第一通孔20及其配套的输送冷冻液的管路人工制冷而形成。
55.实施例二
56.实施例二中的矿井保水开采技术与实施例一的区别在于：检测含水层30的冻结情况的方法不同。
57.在对工作面40进行开采前，在工作面40上向上钻孔，直至钻孔后形成的第三通孔与含水层30连通，若第三通孔内有水液滴落，则判断含水层30不满足冻结要求。
58.这样，在对工作面40进行开采前，钻孔形成第三通孔，通过判断第三通孔内是否有水液滴落即可获取含水层30的冻结情况，以使工作人员对含水层30的冻结情况的判断更加容易、简便，降低了获取难度。同时，上述设置使得检测含水层30的冻结情况的方法更加多样性，以满足不同的使用需求和工况，也提升了工作人员的施工灵活性。
59.实施例三
60.实施例三中的矿井保水开采技术与实施例一的区别在于：在地表10上向下施工钻孔的方法不同。
61.在本实施例中，在地表10上向下施工钻孔之前，矿井保水开采技术还包括：
62.获取矿井开采区域与含水层30之间的分布关系，根据二者之间的分布关系确定多个第一通孔20的分布情况。
63.具体地，在地表10上向下施工钻孔之前，根据矿井开采区域与含水层30之间的分布关系确定钻孔位置，以满足不同的工况需求，提升了矿井保水效率，进一步提升了矿井开采安全性。
64.在本实施例中，根据矿井开采区域与含水层30之间的分布关系确定多个第一通孔20的分布情况的方法包括：
65.当矿井开采区域的局部范围分布有含水层30时，即矿井开采区域的宽度超过周围的含水层30的宽度时，多个第一通孔20仅需排布在含水层30的边界位置；
66.当矿井开采区域的全部范围分布有含水层30时，即矿井开采区域的宽度小于周围的含水层30的宽度时，多个第一通孔20以圆形排布包围覆盖整个矿井开采区域。
67.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
68.在对矿井的工作面进行开采前，在地表上钻孔并形成第一通孔，通过第一通孔向含水层内注入冷冻液，以使含水层冻结，进而无需对含水层内的水液进行疏放，解决了现有技术中针对含水层内水液的处理方式影响矿井开采安全性的问题，维持了周边区域的地下水位，有效保护了矿井周边的生态环境，也能够保证回采的工作进度，不会对矿井的正常生产活动造成干扰。
69.这样，与现有技术中使用井下排水管路将含水层内的水液疏放至地面相比，本技术中的矿井保水开采技术无需对含水层内的水液进行疏放，进而不会影响矿井周边的土体结构稳定性。同时，在对矿井完成开采后，由于冻结后的水液形成冻结墙体或者冻结圈层，使采后地下水能够迅速恢复至原有水平，保护水资源以及地表生态环境。
70.显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
71.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
72.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
73.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。