[发明专利]基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法

说明书

本发明公开基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，利用硬岩层(关键层)离层发育、闭合存在一定的滞缓时间，依据关键层理论及岩层力学强度，找到离地表最近且有一定发育滞缓时间的一层或多层关键层，预先在关键层布置钻孔，并在孔内设置监测系统；当离层发育至该关键层下方时，监测系统自动识别，启动注浆泵，进行快速注浆，在该关键层破断、弯曲前对离层空间注满浆，以阻隔向上传导的开采空间，以阻止采动对浅部岩层和浅地表水体的损伤，同时增加岩体结构强度，对浅地表岩层形成“保护圈”，预防浅地表水漏失和地表沉陷，保护地表生态水位，有利于西部生态脆弱区生态保护。

技术领域

本发明涉及浅层生态水保护技术领域。具体地说是基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法。

背景技术

近年来，伴随着煤炭资源的长期持续高强度开采以及东部地区煤炭资源的日渐枯竭，西部地区逐渐成为我国煤炭资源的主产区，西部5省(自治区)内蒙古、山西、陕西、新疆、宁夏的煤炭资源总量占全国煤炭总量的78％。然而，西部地区气候干旱，植被覆盖度低，同时该区域也是水资源严重匮乏区域，水资源量仅占全国约3.9％。浅表水(地表水和第四系潜水)作为该地区植被的重要水源，易因煤炭开采而渗漏和水位下降，使当地脆弱的生态环境进一步恶化。例如，对陕北煤炭基地榆神府矿区2015年的统计结果表明，2015年区内泉数量相对1994年由2580个减少至376个；总流量从4997.0597L/s下降到996.392L/s，衰减了76％；水位降深＞15m和8～15m的区域面积分别超过300km2和350km2，其中70％以上的水位明显下降区是由高强度开采直接导致的。由于高强度开采会造成地表出现大裂缝或台阶状裂缝，导致地下水大量漏失，水位骤降，土壤持水保墒能力降低，引起区域性植被退化，尤其是依赖地下水的植被影响最为明显。据统计榆神府矿区在2000～2014年间植被覆盖度变差区域有383.1km2，其中有61.5％的变差区域是由煤层开采导致的。可见，西部资源开发与环境保护矛盾十分突出，解决开采保水(尤其是浅表水保护)问题是保障西部矿区长远可持续发展的基础。因此，在最大限度地提高煤炭资源采出率的同时，减少开采造成的地表水或地下潜水的漏失，即生态水位的保护开采问题，已成为我国西部生态脆弱地区亟待解决的典型难题。

生态水位是指维持生态系统结构、功能和生态过程所需的潜水水位埋深。生态水位的保护性开采理念是保护浅地表岩层结构，促进浅地表岩层结构的稳定性和生态水位埋深的稳定性。鉴于西北地区脆弱的生态环境和地表植被系统对地下水埋深的敏感性，在采煤条件下，控制地下水位的合理埋深，某种意义上就保护了生态系统，促进了矿区植被的正常发育生长。为了实现矿区水资源的保护性开采，国内外学者围绕岩层采动裂隙发育演化机理与规律、有效隔水层厚度的量化与评价、岩层控制技术与采动裂隙修复技术开展了大量的科学研究和现场实践工作。针对采动损伤和防护的方法，可以总结为源头的消减-传播路径的阻隔-受护对象的防护，如表1所示：

表1

但是，受研究对象复杂性、技术手段有限性等因素的影响，现阶段对岩层结构损伤机理、采动岩层时空演化规律与机制等理论研究还不够深入、细致；保水技术也存在技术成本过高、资源浪费严重、技术实效不佳等各种问题，导致实施的保水技术措施难于推广和应用，造成矿区水资源破坏常有发生，西部矿区生态环境破坏形势依然很严峻。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种从切断采动损伤的传播途径入手的基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，利用覆岩采动传导过程中硬岩层离层空间发育、闭合的滞缓时间的关键层理论，有效阻隔开采对浅地表岩(土)层结构的损伤，预防浅地表水漏失和地表沉陷，最大限度地降低煤炭开采对地表生态环境的扰动和破坏。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，包括如下步骤：