СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ХРАНЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ШАХТЕ
METHOD OF DISTRIBUTED STORAGE AND USE OF GROUND WATERS IN MINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к сфере использования подземных водных ресурсов, в частности к способу распределенного хранения и использования шахтных грунтовых вод.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сокращение водных ресурсов стало серьезной угрозой для национального экономического развития и улучшения качества жизни людей. Во время угледобычи в шахту неизбежно будут проникать шахтные грунтовые воды. В некоторых шахтах ежегодный объем откачки грунтовых вод составляет до 2,2 миллиарда тонн, и в среднем на 1 тонну добытого угля приходится 2 тонны откачанных шахтных вод. Таким образом, огромное количество ценных водных ресурсов попадает в отходы. Более того, откачка шахтных грунтовых вод приводит к серьезному загрязнению окружающей природной среды.
Например, западные регионы Китая богаты угольными, но бедны водными ресурсами. Ситуация с нехваткой воды в угледобывающих и соседних с ними регионах все более и более ухудшается, что серьезно ограничивает нормальную угледобычу в угледобывающих регионах и мешает поддерживать баланс между разработкой природных ресурсов и защитой окружающей среды.
В настоящее время при обработке шахтных грунтовых вод последние откачиваются, главным образом, на поверхность земли. Из-за ряда факторов, таких как сезонность потребления водных ресурсов, последние серьезно истощаются, что приводит к дисбалансу в обеспечении местными водными ресурсами. Кроме того, обработка взвесей в шахтных грунтовых водах и работы по повышению качества воды производятся, главным образом, с использованием откачки шахтных вод из-под земли на поверхность, что угрожает вторичным загрязнением.
Для защиты шахтно-грунтовых водных ресурсов в Китае предпринимались неоднократные попытки. Например, компания Wutongzhuang Mine из Fengfeng Corporation с целью предотвращения и управления уроном глубинным водам и защиты шахтных вод осуществила их сбор и обработку и заполнила ими ордовикский известняковый водоносный горизонт. Кроме того, в некоторых патентных документах, таких как «Устройство для простой и комплексной обработки шахтных вод» (CN 1884145), «Способ обработки шахтных вод с использованием подземных шахтных тоннелей» (CN 101012091), «Способ комплексной обработки и использования шахтных вод» (CN 01975087 AA) и «Способ очистки шахтных грунтовых вод вне угольной шахты» (CN 1482078), были предложены решения по фильтрации и очистке шахтных вод в местах, находящихся вне шахты, по обработке шахтных вод с помощью очистного устройства с использованием тоннелей, а также по сбору и использованию шахтных вод для обработки и защиты шахтных вод, соответственно.
В вышеуказанных способах использование шахтных вод осуществляют, преимущественно, путем сбора воды в водоприемных колодцах с помощью подземных насосов и трубопроводов с последующей откачкой воды по выпускным трубам на поверхность земли с целью использования. Были предложены два основных пути: 1) сбор и последующая обработка шахтных грунтовых вод в шахте, с последующим повторным использованием обработанных вод в угледобыче в этой же шахте; 2) сбор воды и ее последующая транспортировка на поверхность земли с целью дальнейшей обработки и использования. Оба указанных пути со сбором и обработкой воды прямо под землей и/или с обработкой воды на поверхности земли предусматривают откачку шахтных вод с помощью насосов из полостей в горной породе. На практике это приводит к утечкам шахтных грунтовых вод, и, как следствие, к непрерывному снижению уровня воды, что негативно влияет на рост и восстановление окружающей природной среды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Исходя из вышеизложенного, главной задачей настоящего изобретения является разработка способа распределенного хранения и использования шахтных грунтовых вод, позволяющего снизить потери воды и уменьшить негативное влияние на рост и восстановление окружающей природной среды.
Для решения указанной задачи в настоящем изобретении предложен способ распределенного хранения и использования шахтных грунтовых вод, отличающийся тем, что согласно способу:
A. проводят геологоразведку местности, подземная область которой подлежит разработке, и производят сбор базовых геологических данных о формациях;
B. исследуют шахтные грунтовые воды и производят сбор данных о состоянии распределения потоков, качестве воды и ее давлении в шахтных грунтовых водах;
C. выбирают одно или несколько мест выработок, через которые не смогут просочиться шахтные грунтовые воды, в качестве водосборников распределенного подземного резервуара, согласно собранным на шаге А основным геологическим данным о формациях и собранным на шаге В данным о состоянии распределения потоков, качестве воды и ее давлении в шахтных грунтовых водах;
D. после образования назначенных водосборников, шахтные грунтовые воды, поступающие в процессе разработки смежных с ними очистных забоев, естественным образом просачиваются в водосборники.
Предпочтительно, в способе согласно настоящему изобретению дополнительно выполняют шаг Е, на котором каждый из водосборников оснащают каналом подачи воды, сообщающимся с поверхностью земли и предназначенным для подачи шахтных грунтовых вод на поверхность земли с целью использования в случае такой необходимости, а также для подачи внешней воды обратно в водосборники в случае необходимости увеличения объема хранящейся воды.
Предпочтительно, на шаге А проводят геологоразведку до угледобычей и после образования выработанного пространства и осуществляют сбор базовых геологических данных до разработки формации и сбор базовых геологических данных о выработках, соответственно; а на шаге С выбирают места под водосборники, согласно собранным базовым геологическим данным до разработки формации и базовым геологическим данным о выработках, а также собранным на шаге В данным распределении потоков текучей среды, качестве воды и ее давлении в шахтных грунтовых водах.
Предпочтительно, базовые геологические данные включают в себя по меньшей мере следующие объекты: текстуру формаций, литологический состав каждой формации, механическую прочность породы, проницаемость породы и протяженность выработок.
Предпочтительно, сбор данных о распределении потоков текучей среды на шаге В представляет собой назначение направления протекания шахтных грунтовых вод.
Предпочтительно, в способе согласно изобретению дополнительно, при первой разработке, исходя из соображений безопасности, осуществляют начальную разработку очистного забоя с наименьшей высотой расположения среди всех очистных забоев разрабатываемой области.
Предпочтительно, в способе согласно изобретению дополнительно, во время угледобычи на дно горной выработки, предназначенной под водосборник, насыпают пустую угольную породу с целью формирования очистного фильтрационного слоя пустой породы; при этом количество и степень дробления заполняющего материала очистного фильтрационного слоя пустой породы зависят от количества и степени дробления заполняющего материала песчаных фильтров гидротехнических сооружений.
Предпочтительно, в способе согласно изобретению дополнительно, перед образованием водосборника выполняют соответствующий очистной забой в качестве заранее заданного места, которое удерживает пустую угольную породу заранее заданной толщины с целью формирования очистного фильтрационного слоя пустой породы на дне водосборника; при этом канал подачи воды водосборника соединяет дно очистного фильтрационного слоя пустой породы с поверхностью земли.
Предпочтительно, в способе согласно изобретению во время угледобычи выбирают область с наименьшей прочностью пустой породы в качестве заранее заданной области и определяют необходимую толщину удерживаемого слоя пустой породы на основании количества заполняющего материала песчаных фильтров гидротехнических сооружений; а также после угледобычи обеспечивают, чтобы пустая угольная порода опускалась естественным образом с образованием слоя гранул пустой породы различных размеров в качестве очистного фильтрационного слоя.
Предпочтительно, при естественном формировании очистного фильтрационного слоя пустой породы после угледобычи, в способе согласно изобретению во время угледобычи насыпают гранулы пустой породы со степенью дробления 200-400 мм в заранее заданной области с целью формирования очистного фильтрационного слоя пустой породы с более высокой фильтрующей способностью.
Предпочтительно, канал подачи воды, на его конце на поверхности земли, соединяют с управляющим клапаном, предназначенным для управления откачкой шахтных грунтовых вод на поверхность земли или закачкой внешней воды обратно в водосборники.
Предпочтительно, с помощью бетонного водоупорного слоя уплотняют и укрепляют выходы горизонтальных тоннелей выработок, используемых в качестве водосборников, с пересечением основных тоннелей.
Предпочтительно, в способе согласно настоящему изобретению на выходах выработок, используемых в качестве водосборников, дополнительно устанавливают прозрачные шланги для наблюдения за уровнем воды в выработках, а также дренажные водяные трубы; и, если уровень воды в выработках стал выше заданного контрольного уровня, открывают предохранительные водяные клапаны с целью дренажа.
В способе распределенного хранения шахтных грунтовых вод согласно настоящему изобретению шахтные грунтовые воды хранят в водонепроницаемых выработанных полостях, тем самым бережно сохраняя шахтные грунтовые воды и снижая негативное воздействие на рост и восстановление окружающей природной среды.
Кроме того, в способе распределенного хранения шахтных грунтовых вод согласно настоящему изобретению шахтные грунтовые воды хранят в водонепроницаемых выработанных полостях. В случае необходимости использования воды, шахтные грунтовые воды откачивают через канал подачи воды на поверхность земли для использования; а в случае необходимости увеличения объема хранящейся воды, внешнюю воду закачивают через канал подачи воды обратно в водосборники, уменьшая тем самым потери шахтных грунтовых вод и снижая воздействие на рост и восстановление окружающей природной среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показана блок-схема способа распределенного использования шахтных грунтовых вод согласно настоящему изобретению;
На фиг. 2 показана трехмерная схема предпочтительного варианта осуществления распределенного резервуара согласно настоящему изобретению;
На фиг. 3 показана схема расположения и соединения водосборника, очистного фильтрационного слоя, канала подачи воды и управляющего клапана в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено подробное описание некоторых примеров осуществления настоящего изобретения с использованием приложенных чертежей.
В настоящем изобретении предложен способ распределенного хранения шахтных грунтовых вод, согласно которому эти воды хранят в местах выработок, через которые не может просочиться вода, вместо того, чтобы выкачивать воду на поверхность земли, что обеспечивает бережное хранение шахтных грунтовых вод и снижает негативное воздействие на рост и восстановление окружающей природной среды.
Кроме того, в настоящем изобретении предложен способ распределенного использования шахтных грунтовых вод, согласно которому эти воды хранят в местах выработок, через которые не может просочиться вода. В случае необходимости использования шахтных грунтовых вод их через канал подачи воды откачивают на поверхность земли с целью использования; а в случае, если необходимо увеличение количества хранящейся воды, закачивают внешнюю воду через канал подачи воды обратно в водосборники, сокращая тем самым потери шахтных подземных вод и снижая негативное влияние на восстановление и рост окружающей природной среды.
Как показано на фиг. 1, согласно способу распределенного хранения и использования шахтных подземных вод по настоящему изобретению выполняют следующие шаги:
Шаг 101: проводят геологоразведку местности, подземная область которой подлежит разработке, и производят сбор базовых геологических данных о формациях.
На практике фраза «проводят геологоразведку местности, подземная область которой подлежит разработке» означает, что проводят геологоразведку до угледобычи и после образования выработок и производят сбор базовых геологических данных до разработки формации и базовых геологических данных о выработках, соответственно. Эти базовые геологические данные включают: текстуру формаций, литологический состав каждой формации, механическую прочность пород, проницаемость пород и протяженность выработок.
Шаг 102: исследуют шахтные грунтовые воды и производят сбор данных о состоянии распределения потоков текучей среды, качестве воды и ее давлении в шахтных грунтовых водах.
Фраза «производят сбор данных о состоянии распределения потоков» означает, что определяют направление протекания грунтовых вод.
Шаг 103: выбирают одно или несколько мест выработок, через которые не могут просочиться шахтные грунтовые воды, в качестве мест для водосборников распределенного подземного резервуара на основании собранных на шаге 101 основных геологических данных о породах формаций и собранных на шаге 102 данных о состоянии распределения потоков, качестве воды и ее давлении.
На практике, места для водосборников могут выбираться на основании базовых геологических данных, собранных до разработки формации, базовых геологических данных о выработках, а также собранных на шаге 102 данных о состоянии распределения потоков, качестве воды и ее давлении в шахтных грунтовых водах.
Шаг 104: после образования назначенных водосборников, шахтные грунтовые воды, поступающие при разработке очистных забоев, смежных с ними, естественным образом проникают в водосборники и таким образом обеспечивается хранение шахтных грунтовых вод.
Шаг 105: каждый из водосборников оснащают каналом подачи воды, который сообщается с поверхностью земли и по которому шахтные грунтовые воды в случае необходимости их использования откачивают на поверхность земли с целью использования; а внешнюю воду закачивают обратно в подземные водосборники в случае, если необходимо увеличение объема хранящейся воды, тем самым обеспечивая рациональное использование шахтных грунтовых вод.
Кроме того, в вопросе выбора первоначальных водосборников настоящее изобретение отличается от предыдущих технических решений, в которых предлагалось выбирать для начального этапа разработки угольный пласт с относительно большой высотой залегания, исходя из соображений водозащиты и теории управления. В настоящем изобретении предложено выбирать для начального этапа разработки очистной забой с наименьшей высотой расположения среди очистных забоев разрабатываемой области, что обеспечивает естественное проникновение шахтных грунтовых вод в водосборники распределенного резервуара.
Также, поскольку объем водосборников распределенного резервуара ограничен, слишком большое количество накопленной воды приведет к повышению давления воды. С целью предотвращения аварий, связанных с прорывами воды из водосборников, в настоящем изобретении предложено принять определенные инженерно-технические меры по их уплотнению и укреплению.
На практике, перед тем, как будет образован водосборник, может быть разработан соответствующий очистной забой в качестве заранее заданной области для насыпки слоя пустой угольной породы заранее заданной толщины; после завершения угледобычи пустая угольная порода оседает и естественным образом образует очистной фильтрационный слой на дне водосборника. В результате канал подачи воды данного водосборника будет соединять поверхность земли с дном очистного фильтрационного слоя.
В данном описании настоящее изобретение будет описано на примере варианта осуществления хранения шахтных грунтовых вод посредством распределенного резервуара, используемого в области добычи полезных ископаемых SHEN DONG.
Прежде всего, с целью выбора подходящих мест для хранения шахтных грунтовых вод необходимо провести геологоразведку той местности, где расположена подлежащая разработке подземная область. В данном варианте осуществления изобретения, на основании комплексных результатов геологоразведки выполняют схему подземной области, подлежащей разработке, и собирают необходимые данные о формациях (литологический состав, структура и распределение), а из базы данных динамического контроля распределения шахтных грунтовых вод получают данные об уровне воды и другую необходимую информацию о грунтовых водах. Также получают данные от имеющихся пробуренных скважин, строят гидрогеологическую карту и в достаточном количестве собирают все другие необходимые гидрогеологические материалы; собранные исходные данные преобразуют в цифровую форму, например, с помощью оцифровывающих устройств или сканеров. В завершение, путем надлежащего управления базой данных, ее обслуживания и обработки получают базовые геологические данные о формациях, в том числе о текстуре формаций, литологическом составе каждой формации, механической прочности пород, проницаемости пород и протяженности выработок.
В настоящем изобретении, с использованием способа, основанного на технологии геофизической разведки, может быть осуществлена динамическая разведка гидрогеологических условий местности, подлежащей разработке. Указанный способ, основанный на технологии геофизической разведки, включает в себя сейсмический способ, электрический способ, георадарный способ, а также эффективные комбинации этих способов. Таким образом, можно с более высокой точностью получать важную геофизическую информацию, а именно: информацию о структуре угленосной породы, структуре и распределении водоносных горизонтов, структуре рыхлых слоев неглубокого залегания, а также о количестве воды. В число определяемых параметров входят: толщина водоносных горизонтов, коэффициент проницаемости, удельный приток воды, литологический состав, давление водоносного горизонта, структура защитного слоя и т.д.
Следующий шаг состоит в исследовании шахтных грунтовых вод и сборе данных о состоянии распределения потоков, качестве воды и ее давлении в шахтных грунтовых водах. В данном варианте осуществления, с целью определения характера распределения потоков шахтных грунтовых вод, регулярности потоков и других параметров, должен периодически производиться динамический контроль уровня, качества и давления шахтных грунтовых вод в местности, подлежащей разработке.
Динамический контроль распределения шахтных грунтовых вод и сбор соответствующих данных могут производиться двумя альтернативными способами: ручным и автоматическим. Данные о текущих гидрогеологических условиях, как правило, регистрируют 1 раз в неделю и вводят в базу данных через оцифровывающее устройство. Данные, поступающие из различных источников в различные моменты времени и в различных форматах, накапливают с помощью базы данных и используют в качестве базы исходных гидрогеологических данных.
Исследование шахтных грунтовых вод осуществляют с тремя главными целями: 1) сбор данных об уровне воды и картине распределении потоков текучей среды, т.е. направлении потоков шахтных грунтовых вод, в качестве основы для выбора подземного резервуара, поскольку выбранный резервуар должен позволять грунтовым водам втекать в него естественным образом; 2) сбор данных о качестве воды с целью определения степени загрязнения шахтных грунтовых вод в подземном резервуаре в качестве основы для дальнейшей обработки и использования воды; и 3) сбор данных о давлении воды в качестве основы для уплотнения и укрепления подземного резервуара с целью придания ему достаточного ресурса прочности, чтобы он выдерживал давление воды и не допускал ее утечек.
Далее, согласно базовым геологическим данным о формациях и картине распределения потоков текучей среды, а также данных о качестве воды и ее давлении, собранных на предыдущих шагах, выбирают одну или несколько выработок, через которые не смогут просочиться шахтные грунтовые воды, в качестве мест водосборников распределенного подземного резервуара. Места водосборников могут быть определены следующим образом:
Производят сбор данных о прочности пород и толщине угольных пластов в подземных областях местности, подлежащей разработке.
Под «сбором данных о прочности пород» имеется в виду измерение прочности пород на сжатие. В качестве примера выбирают некоторую область произвольного объема, подлежащую разработке, и, согласно числу пробуренных скважин, пробуренных с целью геологоразведки данной области, задают в этой области измерительные точки в количестве, равном числу пробуренных скважин. В указанных измерительных точках берут пробы породы и измеряют их прочность на сжатие. Если прочность породы на сжатие превышает заранее заданное значение, например 3 МПа, не менее чем в определенном числе от всех измерительных точек, например не менее чем в 80%, то определяют, что во всей этой области прочность пород превышает заранее заданное значение и, следовательно, данная область может быть выбрана в качестве горизонтальной покрывающей области подземного резервуара.
В вышеуказанном варианте осуществления, в дополнение к параметру, характеризующему прочность породы, может быть также принято во внимание влияние числа трещин породы на водоудерживающую способность водного резервуара. Предпочтительно, после определения горизонтальной покрывающей области подземного резервуара, в способе согласно настоящему изобретению дополнительно выполняют также следующие шаги: производят сбор данных о числе трещин породы; выбирают области с числом трещин породы, меньшим заранее заданного значения; строят проекцию участков перекрытия выбранных областей и вышеуказанной горизонтальной покрывающей области подземного резервуара на горизонтальную плоскость в качестве окончательной горизонтальной покрывающей области.
В данном предпочтительном варианте осуществления, в процессе сбора данных о числе трещин породы и выборе областей с минимальным числом трещин, также, как и в случае сбора данных о прочности породы, может быть выбрана область определенного объема для измерения числа трещин породы, после чего в этой области будет проведено измерение числа трещин породы. Если число измерительных точек, в которых измеренное число трещин меньше заранее заданного значения, не меньше определенной процентной величины, определяют, что во всей данной области число трещин породы меньше заранее заданного значения и, следовательно, данная область может быть включена в вышеуказанную горизонтальную покрывающую область, благодаря чему будет окончательно определена горизонтальная покрывающая область подземного резервуара.
В указанном варианте осуществления принимают во внимание как прочность породы на сжатие, так и число трещин породы, и область с высокой прочностью породы на сжатие и малым числом трещин породы выбирают в качестве окончательной горизонтальной покрывающей области подземного резервуара.
После определения горизонтальной покрывающей области подземного резервуара необходимо определить его глубину. Самое нижнее положение угольного пласта по глубине выбирают в качестве расположения дна подземного резервуара. С помощью геологоразведки определяют расположение угольного пласта и его самое нижнее положение и задают его в качестве расположения дна подземного резервуара.
В данном варианте осуществления, если бы средняя толщина угольного пласта в области, подлежащей разработке, составляла, например, 180 м от поверхности земли, то в качестве расположения дна подземного резервуара для осуществления последующих горных работ было бы задано без изменения значение 180 м. Но поскольку угольный пласт не является строго горизонтальным и, как правило, имеет наклон, толщина угольного пласта относительно горизонтальной плоскости находится в диапазоне от 170 до 200 м. В качестве расположения дна подземного резервуара берут наибольшую толщину, т.е. 200 м от поверхности земли.
Выбор мест для водосборников распределенного подземного резервуара определяется средним состоянием подземных полостей и распределением шахтных грунтовых вод. Исходя из этого, на основании предварительно собранных данных, места для водосборников распределенного резервуара могут быть разделены по трем основным типам: (I) имеющие высокую способность к хранению воды; (III) имеющие обычную способность к хранению воды; и (III) имеющие низкую способность к хранению воды.
(I) порода имеет высокую механическую прочность, высокую стойкость к давлению воды, хорошие гидроизоляционные свойства, хорошую водоудерживающую способность и, как следствие всего этого, хорошую способность к хранению воды;
(II) порода имеет среднюю механическую прочность, среднюю стойкость к давлению воды, средние гидроизоляционные свойства, обычную водоудерживающую способность и, как следствие всего этого, обычную способность к хранению воды;
(III) порода имеет низкую механическую прочность, низкую стойкость к давлению воды, низкие гидроизоляционные свойства, низкую водоудерживающую способность и, как следствие всего этого, низкую способность к хранению воды.
Подробное описание всех трех указанных типов мест хранения воды приведено в таблице 1.
Тип I имеет хорошую водоудерживающую способность и его коэффициент риска при водоудержании составляет менее 0,1, а толщина эффективного защитного слоя больше или равна 0. В такой геологической области порода имеет высокую механическую прочность, высокую стойкость к давлению воды и хорошую гидроизоляционную способность. Угледобыча в такой области обычно не является деструктивной для водоносного горизонта.
Тип II имеет обычную водоудерживающую способность и его коэффициент риска при водоудержании больше или равен 0,1, а толщина эффективного защитного слоя больше или равна нулю. В такой геологической области порода имеет среднюю механическую прочность, среднюю стойкость к давлению воды и среднюю гидроизоляционную способность. Угледобыча в такой области может оказать влияние на водоносный горизонт. Следовательно, при угледобыче необходимо принять определенные меры, например, по укреплению и защите водоносного горизонта.
Тип III имеет низкую водоудерживающую способность и его толщина эффективного защитного слоя составляет меньше 0. В такой геологической области порода имеет низкую механическую прочность, низкую стойкость к напору воды и низкую гидроизоляционную способность. Угледобыча в такой области окажет значительное деструктивное влияние на водоносный горизонт ввиду его рыхлости.
В приведенных выше вариантах осуществления коэффициент риска при водоудержании может быть вычислен на основании толщины эффективного защитного слоя и давления водоносного горизонта. Коэффициент риска Ts при водоудержании определяется как отношение давления Р водоносного горизонта к толщине Н эффективного защитного слоя:
Ts=P/H,
здесь Ts - коэффициент риска при водоудержании, МПа/м; Р - давление водоносного горизонта, МПа, которое в случае невозможности измерения фактического значения может быть оценочно определено как 0,01 h, где h - толщина рыхлого водоносного горизонта; Н - толщина эффективного защитного слоя.
В случае вычисления коэффициента риска при водоудержании давление Р водоносного горизонта может быть определено в ходе геологоразведочных работ. Например, давление водоносного горизонта может быть измерено способом бурения и установки датчиков давления, либо с использованием других измерительных средств из известного уровня техники.
В гидрогеологии формации с удельным притоком при будении менее 0,001 л/с на 1 м обычно рассматриваются как гидроизоляционные. Стойкость гидроизоляционных формаций к давлению воды тесно связана с их литологическим составом. В случае угленосной осадочной породы литологический состав гидроизоляционной формации включает в себя преимущественно аргиллиты, алевриты и песчаники.
В зависимости от структуры трещин, образующихся в области эффективного защитного слоя, и масштаба инженерно-технических работ структура эффективного защитного слоя подразделяется на четыре типа: цельная, блочная, катакластическая и рыхлая. Можно считать, что цельная структура имеет высокую, блочная структура - среднюю, и катакластическая и рыхлая структуры - низкую водоудерживающую способность.
В случае водосборников типа (I), имеющих, как было указано выше, высокую способность к хранению воды, при практической угледобыче можно не принимать никаких дополнительных мер по уплотнению, либо эти меры должны быть минимальными; что же касается водосборников типов (II) и (III), имеющих соответственно обычную и низкую способность к хранению воды, то здесь, в зависимости от конкретной ситуации, должны быть приняты более существенные меры по уплотнению.
Что касается выбора первоначальных мест хранения воды, то в предыдущих технических решениях, исходя из соображений водозащиты и теории управления, предлагалось для начального этапа разработки выбирать угольные пласты с относительно высоким залеганием. В отличие от этого, в настоящем изобретении предложено осуществлять начальный этап разработки в очистном забое с наименьшей высотой расположения среди всех очистных забоев разрабатываемой области. Например, пусть в разрабатываемой области имеется несколько очистных забоев с высотой расположения от 200 до 210 метров. Тогда начальный этап разработки должен осуществляться в очистном забое с высотой расположения 200 метров с тем, чтобы обеспечить естественное поступление шахтных грунтовых вод в распределенный резервуар. Пространственное положение распределенных резервуаров показано на фиг. 2. Здесь изображены распределенные резервуары трех из четырех разрабатываемых областей. Разрабатываемая область I является смежной с разрабатываемой областью II, а разрабатываемая область III - смежной с разрабатываемой областью IV, при этом между областями I и III и между областями II и IV прорыты тоннели. В разрабатываемой области III имеется два распределенных резервуара и один очистной забой, при этом между резервуарами и забоем оставлен угольный столб с целью изоляции. В месте, расположенном вплотную к тоннелю между двумя водосборниками, установлен предохранительный водяной клапан.
Далее, на основании результатов выбора распределенных резервуаров, путем регулирования параметров разработки, преимущественно размеров очистного забоя, осуществляют управление формированием распределенного резервуара для хранения воды.
В данном варианте осуществления, в результате надлежащего увеличения длины очистного забоя происходит увеличение водосборников распределенного резервуара. Тем самым снижается объем подготовительных инженерно-технических работ в очистном забое и повышается темп добычи. С точки зрения технологических условий разработки подземных месторождений в горнопромышленном районе, а также фактической стабильности накопительной способности угольного пласта горнопромышленной области SHEN DONG, длина очистного забоя на начальном этапе разработки была выбрана равной 300 м. В других горнопромышленных областях длина очистного забоя должна регулироваться в зависимости от конкретной ситуации. Например, длина очистного забоя на начальной стадии разработки может составлять 290-310 м.
Кроме того, путем надлежащего увеличения величины продления очистного забоя размер водосборников распределенного резервуара может быть еще более увеличен. Принимая во внимание тот факт, что накопительная способность угольного пласта является очень стабильной, имеет незначительные колебания и определяет наличие ресурсов для формирования длинного очистного забоя для проходки на большое расстояние, а также исходя из ряда других факторов, таких как структура шахтного поля и состояние угольного пласта, величина продления очистного забоя должна быть увеличена настолько, насколько это возможно, и было определено, что на начальной стадии разработки эта величина составит 4450 м. В других горнопромышленных областях регулирование должно осуществляться в зависимости от конкретной ситуации. Например, величина продления очистного забоя на начальной стадии разработки может составлять 4400-4500 метров.
Объем водосборников распределенного резервуара ограничен, из-за чего увеличение объема воды может привести к чрезмерному повышению ее давления. В данном варианте осуществления, с целью предотвращения аварий, связанных с прорывами воды, требуется принять определенные инженерно-технические меры по уплотнению и защите с тем, чтобы обеспечить непосредственное поступление шахтных грунтовых вод в водосборники для фильтрации и хранения и снизить их поступление в шахту.
Специфические меры состоят в следующем:
1. С помощью бетонного водонепроницаемого слоя уплотняют и укрепляют выходы выработок, служащих в качестве водосборников, с пересечением горизонтальных тоннелей;
2. По возможности по всех выработанных полостях, служащих в качестве водосборников, либо только в местах выходов выработок, расположенных на низинных участках местности, дополнительно устанавливают прозрачные шланги для контроля уровня воды в выработках, а также предохранительные дренажные трубы; в случае, если уровень воды в выработанной полости стал выше заданного контрольного уровня, открывают предохранительный водяной клапан, предназначенный для дренажа избыточной воды через указанные дренажные трубы в водосборный колодец для шахтных грунтовых вод, и затем производят откачку избыточной воды на поверхность земли по дренажным трубам, соединенным с водосборным колодцем.
В данном варианте осуществления, с целью улучшения качества шахтных грунтовых вод перед их откачкой из хранилищ распределенного подземного резервуара на поверхность земли с целью использования, накопленная вода может быть предварительно подвергнута очистке. Очистка может быть осуществлена способом из известного уровня техники, либо способом, согласно которому на нижнем конце канала подачи воды формируют слой гранул пустой угольной породы надлежащей степени дробления в качестве очистного фильтрационного слоя для шахтных грунтовых вод.
Конкретно, формирование очистного фильтрующего слоя пустой породы может осуществляться двумя способами:
Согласно первому способу, очистной фильтрационный слой формируют путем насыпки пустой угольной породы во время угледобычи, причем при наличии надлежащей квалификации насыпку пустой угольной породы можно осуществлять в соответствии с количеством и степенью дробления заполняющего материала песчаных фильтров гидротехнических сооружений.
Согласно второму способу, очистной фильтрационный слой формируют естественным образом; с этой целью во время угледобычи выбирают область с наименьшей прочностью пустой породы в качестве заранее заданной области и на основании количества заполняющего материала песчаных фильтров гидротехнических сооружений определяют необходимую толщину насыпки слоя пустой угольной породы.
После разработки пустая угольная порода будет опускаться естественным образом и, благодаря своей низкой прочности, она образует слой гранул различных размеров, т.е. очистной фильтрационный слой пустой породы.
При данном способе во время угледобычи может осуществляться насыпка пустой угольной породы со сравнительно малой степенью дробления. Например, гранулы пустой породы со степенью дробления 200-400 мм могут насыпаться в заранее заданном месте очистного забоя, образуя очистной фильтрационный слой с повышенной фильтрующей способностью.
Как показано на фиг. 3, в данном варианте осуществления в середине дна определенного водосборника распределенного резервуара в результате опускания пустой породы после завершения угледобычи образовалась часть очистного фильтрационного слоя пустой породы. Как видно на фиг. 3, канал подачи воды соединяет дно очистного фильтрационного слоя пустой породы данного водосборника с поверхностью земли. Канала подачи воды, на своем конце на поверхности земли, соединен с управляющим клапаном. В данном варианте осуществления с помощью управляющего клапана осуществляют откачку воды из подземных водосборников на поверхность земли и закачку внешней воды обратно в водосборники.
Как следует из вышеуказанных вариантов осуществления, с помощью способа распределенного использования шахтных грунтовых вод согласно настоящему изобретению, было изменено предыдущее техническое решение, согласно которому шахтные грунтовые воды сперва откачивают вовне и затем подвергаются обработке с целью использования; в способе согласно настоящему изобретению распределенное хранение шахтных грунтовых вод осуществляют с использованием подземных полостей разрабатываемой местности; здесь воду очищают, хранят и подают для использования, в том числе и в научных целях, таким образом уменьшая потери шахтных грунтовых вод и обеспечивая защиту и восстановление местной природной среды.