СПОСОБ ЗАЩИТЫ/ОЧИСТКИ ВОДЫ ПОСРЕДСТВОМ ПОВТОРНОГО ЗАПОЛНЕНИЯ ПЛАСТА, РАЗРУШЕННОГО ДОБЫЧЕЙ УГЛЯ, ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕЙ ОТРАБОТАННОЙ ВОДОЙ
METHOD OF WATER PROTECTION/PURIFICATION BY REPEATED FILLING OF FORMATION DESTRUCTED BY COAL MINING, IRON-CONTAINING WASTE WATER

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу защиты и очистки водных ресурсов, в частности, к способу защиты/очистки воды посредством повторного заполнения пласта, поврежденного добычей угля, железосодержащей отработанной водой, который может быть применен в области восстановления водоносного слоя и защиты водных ресурсов в пласте в областях добычи.
Уровень техники
Подземная добыча угля может приводить к смещению и повреждению вышележащих пластов и, тем самым, приводит к образованию трещин, вызванных добычей, в вышележащих пластах; трещины, вызванные добычей, образованные в вышележащих пластах, формируют каналы для потери местных водных ресурсов и становятся геологическими источниками экологических повреждений окружающей среды. Таким образом, основной технической задачей, с которой сталкиваются в большинстве областей добычи угля, является контроль развития трещин пролива воды в вышележащих пластах, покрывающих выработку, и уплотнение каналов потери водяных ресурсов в подземном водоносном слое для улучшения и защиты экологической обстановки в области добычи угля.
3
С другой стороны, большое количество отработанной воды образуется в повседневной жизни и промышленном производстве лиц, находящихся в области добычи угля, и жителей периферийных городов, при этом отработанная вода обычно содержит чрезмерное количество железного компонента. Таким образом, удаление железа становится необходимой процедурой искусственного очищения отработанной воды. Современные способы удаления железа состоят в централизованной транспортировке железосодержащей отработанной воды к установке по обработке отработанной воды и перевода железного компонента в форму Fe(OH) за счет химической реакции, флокуляции и осаждения, посредством добавления химических агентов, через насыщение кислородом, реакцию окисления, процессов осаждения и фильтрации, и т.п., с тем чтобы наконец осуществить удаление железа из отработанной воды.
3
Вдохновленные этой идеей, изобретатели предположили: если вышеуказанный процесс удаления железа из железосодержащей отработанной воды может быть применен к трещинам в толще породы, поврежденной добычей, флокулированный осадок Fe(OH), полученный в процессе удаления железа, может эффективно закупоривать трещины, вызванные добычей, таким образом, чтобы каналы потери воды в водоносном слое породы могли быть эффективно изолированы, железный компонент в железосодержащей отработанной воде мог быть эффективно удален, и, тем самым, могло быть достигнуто цель в виде осуществления водосберегающей добычи угля и естественного очищения отработанной воды в области добычи угля. Таким образом, является необходимым выполнение разработки способа защиты/очистки воды посредством повторного заполнения пласта, разрушенного добычей угля, железосодержащей отработанной водой на основе масштаба развития и характеристик распространения трещин пролива воды в вышележащих пластах, покрывающих выработку.
Раскрытие сущности изобретения
3
Задача настоящего изобретения для преодоления недостатков уровня техники, заключается в обеспечении способа защиты/очистки воды посредством повторного заполнения пласта, поврежденного добычей угля, железосодержащей отработанной водой, в котором железосодержащей отработанной водой и кислородсодержащей водой/слабощелочной водой повторно заполняют водоносный слой в пласте, поврежденном добычей угля, через скважину на поверхности земли, трещины, вызванные добычей, закупориваются посредством флокулированного осадка Fe(OH), образованного в ходе реакции окисления железного компонента в железосодержащей отработанной воде, и, тем самым, изолируются каналы потери воды водоносного слоя в пласте, содержание железного компонента в железосодержащей отработанной воде эффективно уменьшается, и наконец достигаются результаты в виде защиты подземных водных ресурсов в области добычи угля, удаления железного компонента из железосодержащей отработанной воды и очищения железосодержащей отработанной воды.
Технический замысел: для достижения задачи, описанной выше, технический замысел, использованный в настоящем изобретении, представляет собой следующее:
3
3
изобретение раскрывает способ защиты/очистки воды посредством повторного заполнения пласта, поврежденного добычей угля, железосодержащей отработанной водой, в котором скважины для повторного заполнения железосодержащей отработанной водой и скважины для повторного заполнения кислородосодержащаей водой/слабощелочной водой сооружены на поверхности земли, соответствующей границе и центральной части области добычи в соответствии с характеристиками развития и масштабам распределения трещин пролива воды в вышележащих пластах, покрывающих выработку; трещины, вызванные добычей, эффективно закупориваются флокулированным осадком Fe(OH), образованным реакцией окисления между железным компонентомв железосодержащей отработанной воде и кислородосодержащей водой/слабощелочной водой; образованный флокулянт Fe(OH) может постепенно осаждаться в пределах определенного масштаба вблизи нижних частей отверстий скважин для повторного заполнения с образованием активной фильтрующей железо мембраны, которая действует в качестве катализатора окислительной реакции ионов трехвалентного (или двухвалентного) железа и эффективно обеспечивает результат в виде удаления железа; в тоже время потоки водных ресурсов в нижележащей области породы подземного выработанного пространства подвергаются тестированию на содержание железного компонента; если железный компонент все еще превышает стандарт, подземные потоки воды транспортируются через трубопровод к относительно высоким областям породы и повторно заполняют водоносный слой в пласте через подземную скважину для повторного заполнения, сооруженную наклонно вверх, для дополнительной окислительной реакции и удаления железа; если железный компонент в подземном потоке воды не превышает стандарт, подземный поток воды транспортируется напрямую к другим областям добычи или на поверхность земли для повторного использования.
Более конкретно, способ содержит следующие этапы:
a. определение области добычи угля, в которой водоносный слой в пласте поврежден добычей в соответствии с высотой трещиноватой зоны пролива воды в вышележащих пластах и стволе геологической скважины; если в пределах масштаба высоты трещиноватой зоны пролива воды присутствует водоносный слой, то трещиноватая зона пролива воды в соответствующей области сообщается с водоносным слоем, и необходимо расположить соответствующие скважины для повторного заполнения; если в пределах масштаба высоты трещиноватой зоны пролива воды отсутствует водоносный слой, то сооружения скважины для повторного заполнения не требуется.
Предпочтительно, высота трещиноватой зоны пролива воды может быть определена способом полевых измерений, таким как способ утечки бурового раствора, или может быть оценена способом теоретических вычислений, таким как «способ прогнозирования высоты трещиноватой зоны пролива воды на основе расположений маркирующего горизонта».
b. сооружение скважин для повторного заполнения железосодержащей водой и скважин для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой на поверхности земли, соответствующей области добычи, в которой трещиноватая зона пролива воды сообщается с водоносным слоем в пласте.
Предпочтительно, скважины для повторного заполнения железосодержащей водой располагают вблизи внешней стороны границы области добычи и в центральной части области добычи, причем необходимо, чтобы скважины, расположенные вблизи внешней стороны границы области добычи, находились за пределами боковой границы развития трещиноватой зоны пролива воды, на расстоянии 30-40 м от границы области добычи.
Предпочтительно, скважины для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой располагают вблизи внутренней стороны границы области добычи, на расстоянии 10-20 м от границы области добычи.
Предпочтительно, когда размер простирания и глубины области добычи больше, чем 1000 м, скважины для повторного заполнения железосодержащей водой и скважины для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой могут быть расположены группами вдоль простирания или глубины с интервалом 1000 м.
Предпочтительно, способ сооружения скважин для повторного заполнения железосодержащей водой и скважин для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой на поверхности земли состоит в следующем: при бурении скважина бурится с диаметром 120-140 мм и бурится на определенную глубину ниже верхней поверхности раздела водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, расстояние между низом скважины и верхней поверхностью раздела водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, составляет не менее 0,3-0,5 толщины водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды. Корпус выполнен с возможностью защиты скважины на расстоянии от поверхности земли до 10 м ниже верхней поверхности раздела водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, и перфорированный корпус выполнен с возможностью защиты скважины в водоносном слое, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды. После того как скважина сооружена, замкнутая покрывающая пластина, связанная с водяным трубопроводом, покрывает отверстие скважины.
с. расположение сливного трубопровода в нижележащей области породы, соответствующей подземному выработанному пространству, проверку наличия железного компонента в воде, сливаемой из выработанного пространства, и определение того заполнять ли повторно воду, сливаемую из выработанного пространства или повторно использовать воду, сливаемую из выработанного пространства, в соответствии с содержанием железного компонента в воде, сливаемой из выработанного пространства. Конкретные этапы состоят в следующем:
Если железный компонент в воде, сливаемой из выработанного пространства, превышает значения, указанные в соответствующих национальных стандартах, то вода, сливаемая из выработанного пространства, транспортируется в относительно более высокую область породы области добычи через трубопровод и повторно заполняет водоносный слой, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, через скважины для повторного заполнения, сооруженные выше в ближайшей магистрали для дальнейшего удаления железа и очистки.
Если железный компонент в воде, сливаемой из выработанного пространства, ниже значения, указанного в соответствующих национальных стандартах, указанная вода транспортируется напрямую для повторного использования через трубопровод в другие подземные области добычи или на поверхность земли.
Предпочтительно, положение низа сооруженной под землей скважины достигает примерно 5 м выше нижней поверхности раздела водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, горизонтальное расстояние от положения низа скважины до границы добычи составляет 10-20 м от внутренней стороны границы добычи. Корпус выполнен с возможностью защиты скважины для повторного заполнения в секции, которая не повреждена трещинами, вызванными добычей, а перфорированный корпус выполнен с возможностью защиты скважины для повторного заполнения в области трещиноватой зоны пролива воды.
3
В настоящем изобретении на основе характеристик развития и распространения трещин пролива воды в вышележащих пластах, покрывающих выработку, флокулированный осадок Fe(OH), образованный реакцией окисления желещного компонента в железосодержащей отработанной воде, полностью используется для закупорки трещин пролива воды, таким образом, что изолируются каналы потери воды в водоносном слое пласта, содержание железного компонента в железосодержащей отработанной воде эффективно уменьшается, и, тем самым, обеспечиваются результаты в виде естественной защиты водоносного слоя в пласте в области добычи угля, удаления железа, очищения железосодержащей отработанной воды, и защиты и эффективного использования водных ресурсов в области добычи в процессе добычи угля. Дополнительно, способ согласно настоящему изобретению является надежным и высокопрактичным. В сравнении с уровнем техники настоящее изобретение имеет следующие преимущества:
(1) Использование осадка, образованного в процессе удаления железа и очистки железосодержащей отработанной воды, для закупорки трещин пролива воды в вышележащих пластах является не только техничным и надежным и имеет малую инженерную нагрузку, но может эффективно сократить уровень потерь воды в водоносном слое, а также обеспечивает низкую стоимость очищения железосодержащей отработанной воды;
(2) Настоящее изобретение может быть применено для определения способов защиты и очистки воды для повторного заполнения железосодержащей отработанной водой пластов, поврежденных добычей угля, в различных условиях добычи, и может обеспечить возможность координированного развития добычи угля и защиты водных ресурсов в областях, где много железосодержащей отработанной воды и мало водных ресурсов в Китае. Дополнительно, способ согласно настоящему изобретению прост для использования и высокопрактичен.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан профиль слоя скважин для повторного заполнения по настоящему изобретению;
На фиг. 2 показан разрез А-А слоя скважин для повторного заполнения по настоящему изобретению;
На фиг. 3 показан разрез В-В слоя скважин для повторного заполнения по настоящему изобретению;
На фиг. 4 показан разрез скважин для повторного заполнения по настоящему изобретению;
На фиг. 5 показана схематическая диаграмма ствола Z1 бурения и развитие высоты трещиноватой зоны пролива воды очистного забоя 22301 в конкретной угольной шахте в процессе реального применения настоящего изобретения.
На фиг. 6 показан профиль слоя скважин для повторного заполнения очистного забоя 22301 в конкретной угольной шахте в процессе реального применения настоящего изобретения.
3
На фигурах: 1 - скважина для повторного заполнения железосодержащей отработанной водой; 2 - скважина для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой; 3 сооруженная под землей скважина для повторного заполнения; 4 - корпус; 5 - перфорированный корпус; 6 - активная фильтрующая Fe(OH) мембрана.
Описание изобретения
Здесь и далее настоящее изобретение будет подробно описано посредством вариантов реализации со ссылками на сопроводительные чертежи. Необходимо отметить, что эти варианты реализации приводятся только для описания настоящего изобретения и не должны расцениваться как представляющие собой какие-либо ограничения объема охраны настоящего изобретения. После прочтения настоящего изобретения, различные эквивалентные модификации настоящего изобретения, выполненные специалистами в области техники, должны быть расценены как подпадающие под область охраны, определяемую приложенной формулой изобретения.
3
3
Как показано на фиг. 1-4 в способе защиты/очищения воды посредством повторного заполнения пластов, поврежденных добычей угля, железосодержащей отработанной водой по настоящему изобретению, скважины 1 для повторного заполнения железосодержащей отработанной водой и скважины 2 для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой сооружены на поверхности земли, соответствующей границе и центральной части области добычи в соответствии с характеристиками развития и масштабом распределения трещин пролива воды в вышележащих пластах, покрывающих выработку; трещины, вызванные добычей, эффективно закупориваются флокулированным осадком Fe(OH), образованным реакцией окисления между железным компонентом в железосодержащей отработанной воде и кислородсодержащей водой/слабощелочной водой; образованный флокулянт Fe(OH) может постепенно осаждаться в пределах определенного масштаба вблизи нижних частей отверстий скважин для повторного заполнения с образованием активной фильтрующей железо мембраны 6, в окислительной реакции ионов трехвалентного (или двухвалентного) железа достигается каталитический эффект и эффективно обеспечивается удаление железа; в тоже время потоки водных ресурсов в нижележащей области породы подземного выработанного пространства подвергаются тестированию на содержание железного компонента, если железный компонент все еще превышает стандарт, то подземные потоки воды транспортируются в относительно более высокую область породы через трубопровод и повторно заполняют водоносный слой, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, через подземную скважину 3 для повторного заполнения, сооруженную наклонно вверх, для последующей реакции окисления и удаления железа; если железный компонент в подземном потоке воды не превышает стандарт, то подземные потоки воды транспортируются напрямую в другие области добычи или на поверхность земли для повторного использования. Более конкретно, способ содержит следующие этапы:
a. определение области добычи угля, в которой водоносный слой в пласте поврежден добычей в соответствии с высотой трещиноватой зоны пролива воды в вышележащих пластах и стволе геологической скважины; если в пределах масштаба высоты трещиноватой зоны пролива воды присутствует водоносный слой, то трещиноватая зона пролива воды в соответствующей области сообщается с водоносным слоем, и необходимо расположить соответствующие скважины для повторного заполнения; если в пределах масштаба высоты трещиноватой зоны пролива воды отсутствует водоносный слой, то сооружения скважины для повторного заполнения не требуется;
Высота трещиноватой зоны пролива воды может быть определена способом полевых измерений, таким как способ утечки бурового раствора, или может быть оценена способом теоретических вычислений, таким как «способ прогнозирования высоты трещиноватой зоны пролива воды на основе расположений маркирующего горизонта»
b. сооружение скважин для повторного заполнения железосодержащей водой и скважин для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой на поверхности земли, соответствующей области добычи, в которой трещиноватая зона пролива воды сообщается с водоносным слоем в пласте.
Скважины для повторного заполнения железосодержащей водой располагают вблизи внешней стороны границы области добычи и в центральной части области добычи, причем необходимо, чтобы скважины, расположенные вблизи внешней стороны границы области добычи, находились за пределами боковой границы развития трещиноватой зоны пролива воды, на расстоянии 30-40 м от границы области добычи.
Скважины для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой располагают вблизи внутренней стороны границы области добычи, на расстоянии 10-20 м от границы области добычи.
Когда размер простирания и глубины области добычи больше, чем 1000 м, скважины для повторного заполнения железосодержащей водой и скважины для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой могут быть расположены группами вдоль простирания или глубины с интервалом 1000 м.
Способ сооружения скважин для повторного заполнения железосодержащей водой и скважин для повторного заполнения кислородсодержащей водой/слабощелочной водой на поверхности земли состоит в следующем: при бурении скважина бурится с диаметром 120-140 мм и бурится на определенную глубину ниже верхней поверхности раздела водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, расстояние между низом скважины и верхней поверхностью раздела водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, составляет не менее 0,3-0,5 толщины водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды. Корпус 4 выполнен с возможностью защиты скважины на расстоянии от поверхности земли до 10 м ниже верхней поверхности раздела водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, и перфорированный корпус 5 выполнен с возможностью защиты скважины в водоносном слое, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды. После того как скважина сооружена, замкнутая покрывающая пластина, связанная с водяным трубопроводом, покрывает отверстие скважины.
с. расположение сливного трубопровода в нижележащей области породы, соответствующей подземному выработанному пространству, проверку наличия железного компонента в воде, сливаемой из выработанного пространства, и определение того заполнять ли повторно воду, сливаемую из выработанного пространства или повторно использовать воду, сливаемую из выработанного пространства, в соответствии с содержанием железного компонента в воде, сливаемой из выработанного пространства. Конкретные этапы состоят в следующем:
Если железный компонент в воде, сливаемой из выработанного пространства, превышает значения, указанные в соответствующих национальных стандартах, то вода, сливаемая из выработанного пространства, транспортируется в относительно более высокую область породы области добычи через трубопровод и повторно заполняет водоносный слой, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, через скважины для повторного заполнения, сооруженные выше в ближайшей магистрали для дальнейшего удаления железа и очистки.
Если железный компонент в воде, сливаемой из выработанного пространства, ниже значения, указанного в соответствующих национальных стандартах, указанная вода транспортируется напрямую для повторного использования через трубопровод в другие подземные области добычи или поверхность земли.
Положение низа сооруженной под землей скважины достигает примерно 5 м выше нижней поверхности раздела водоносного слоя, который сообщается с трещиноватой зоной пролива воды, горизонтальное расстояние от положения низа скважины до границы добычи составляет 10-20 м от внутренней стороны границы добычи. Корпус выполнен с возможностью защиты скважины для повторного заполнения в секции, которая не повреждена трещинами, вызванными добычей, а перфорированный корпус выполнен с возможностью защиты скважины для повторного заполнения в области трещиноватой зоны пролива воды.
См. фиг. 5, представляющую собой схематическую диаграмму ствола Z1 бурения и развития высоты трещиноватой зоны пролива воды области добычи очистного забоя 22301 в конкретной угольной шахте в процессе реального применения настоящего изобретения. Из фигуры может быть видно, что трещиноватая зона пролива воды в вышележащих пластах, появившиеся в результате добычи на очистном забое 22301, сообщаются с водоносным слоем в пласте. Таким образом, необходимо сооружать скважину на поверхности земли в области добычи очистного забоя для повторного заполнения железосодержащей водой и кислородсодержащей водой/слабощелочной водой.
Как показано на фиг. 6, в виде, в котором длина прохождения очистного забоя 22301 в простирании относительно больше (около 4000 м), таким образом, скважины для повторного заполнения расположены с интервалом 1000 м вдоль направления прощения в простирании вблизи границы добычи с двух сторон очистного забоя; кроме того, скважины для повторного заполнения железосодержащей водой тоже расположены соответственно в центральной части очистного забоя вдоль глубины, между двумя группами скважин для повторного заполнения. В соответствии с наличием горной породы, вскрытой скважиной Z1, глубина нижнего отверстия скважины для повторного заполнения составляет 60 м, и входит в водоносный слой на 41,54 м (0,3-0,5 толщины водоносного слоя).
3
На основе характеристик развития и распространения трещин пролива воды в вышележащих пластах, покрывающих выработку, настоящее изобретение в полной мере использует флокуляционный осадок Fe(OH), образованный реакцией окисления железного компонента железосодержащей отработанной водя для закупорки трещин пролива воды таким образом, чтобы каналы потери воды в водоносном слое пласте были изолированы и железный компонент в железосодержащей отработанной воде был эффективно удален, и, тем самым, обеспечивается достижение результатов в виде естественной защиты водоносного слоя в пласте в области добычи угля, удаления железа, очищения железосодержащей отработанной воды, и могут быть обеспечены защита и эффективное использование водных ресурсов при добычи в области добычи.
Хотя настоящее изобретение описано выше в некоторых предпочтительных вариантах реализации, следует отметить, что специалисты в данной области техники могут вносить различные улучшения и модификации, не отступая от принципа настоящего изобретения, и эти улучшения и модификации следует рассматривать как подпадающие под объем защиты настоящего изобретения.