本發明涉及一種保水方法，尤其是一種適用于煤炭開采與環境保護技術領域中的露天煤礦開采凍結含水層的保水方法。

背景技術：

我國西部大多是干旱半干旱的水資源匱乏地區，年均降水量低于400mm，但蒸發量卻達到2500mm左右。近年來，隨著該地區煤炭開采強度的不斷加大，導致該地區水域環境及生態系統遭到嚴重破壞。尤其是在露天開采的煤礦區，煤層上覆地層的剝離導致地下含水層直接被截斷，造成地下水大量外排，從而引起礦區周邊地下水位下降、天然植被枯死、土地沙化等，對區域自然生態系統造成嚴重影響。因此，如何能在露天煤礦開采過程中有效保護水資源、最大限度的防止生態環境遭到破壞，是我國西部煤炭開發過程中面臨的重大技術問題，也是保水采煤所需解決的關鍵科學問題。

目前，已有相關發明提出利用重構地層含水層的方式，在露天礦坑開采區域構建隔水層和蓄水空間，再將煤炭開采產生的疏排水注入地下蓄水空間內進行儲存和凈化，從而達到水資源保護的目的(CN201210473021.6，一種露天煤礦地下水庫，2014)；然而，這類方法不僅會對煤炭開采的各個工序產生嚴重干擾，而且由于露天礦坑內可利用進行地層重構的區域有限，導致蓄水空間不足以有效儲存煤炭開采產生的大量疏排水。同時，也有相關露天煤礦采用在排土場重新開挖蓄水池的方式直接進行蓄水與利用，但這種方式也存在蓄水量有限、以及對排土場土體結構穩定性有削弱影響等缺點。

技術實現要素：

本發明的目的是針對已有技術中存的問題，提供一種方法簡單，隔離效果好，施工方便，有效解決西部礦區煤炭開發過程中的保水采煤及生態環境保護問題的露天煤礦凍結含水層的保水方法。

為實現上述目的，本發明的露天煤礦開采凍結含水層的保水方法，包括以下步驟：

a.在露天煤礦采煤區域范圍內向下施工多個水文探測鉆孔，根據鉆孔內的涌水量情況判斷出露天煤礦井田范圍內地下含水層分布的區域邊界、含水層埋深等參數信息；

b.在露天煤礦礦坑開采區域周邊對應井田邊界位置建立多個冷凍站將露天煤礦礦坑開采區域包圍，對地下含水層實施凍結，從而在井田邊界對應地下含水層區域形成一道凍結圈，利用多個冷凍站形成的凍結圈將露天煤礦礦坑開采區域于地下含水層隔離開，阻止地下水向礦坑位置排泄徑流。

所述冷凍站包括制冷裝置，制冷管路與多個布置在露天煤礦礦坑開采區域的凍結孔，其中制冷裝置通過制冷管路分別與多個凍結孔聯通，并通過制冷管路由凍結孔在地下含水層擴散冷氣，從而使凍結孔周圍的地下水凍結形成冰墻。

所述冷凍站包括7～10個凍結孔，凍結孔布置間距為5～10m，孔底應深入至地下含水層底界面以下的隔水層內5m。

將露天煤礦礦坑開采區域包圍的多個冷凍站以露天礦坑中心為原點、以露天礦坑到井田邊界的距離為半徑呈圓形發散布置，布置范圍覆蓋井田內含水層分布區域。

當露天煤礦礦坑開采區域局部范圍分布有地下含水層時，即開采區域寬度超過周圍的地下含水層的寬度時，冷凍站的凍結孔僅需排布在地下含水層邊界位置，利用冷凍站的凍結孔形成的冰墻將露天煤礦礦坑兩側的地下水隔離開。

當露天煤礦礦坑開采區域全部范圍分布有地下含水層時，即開采區域寬度小于周圍的地下含水層的寬度時，則冷凍站的多個凍結孔以圓形排布包圍覆蓋整個井田，整個井田利用冷凍站的凍結孔形成的冰墻將冰墻外與冰墻內的地下水隔離開來。

有益效果：本方法基于露天煤礦井田的水文地質賦存條件，在井田邊界附近對地下含水層實施人工制冷凍結，不僅不會對露天礦坑的采煤、運輸等生產活動產生干擾，還能有效阻隔井田周邊的地下水體向露天礦坑排泄，維持了周邊區域的地下水位，有效保護了礦區周邊的生態環境。本發明尤其適用于西部酷寒地區露天煤礦的保水采煤，可充分利用酷寒冬季的自然冷凍，有效降低冷凍站的制冷消耗；也就是說，采用本發明時，可充分利用當地的氣候變化，合理調整冷凍站的制冷消耗，其使用方法可靠，實用性強。

與現有技術相比于具有以下優點：

(1)基于露天煤礦井田內的地下含水層賦存情況，在井田邊界附近對地下含水層實施人工制冷凍結，不僅不會對露天礦坑的采煤、運輸等生產活動產生干擾，還能有效阻隔井田周邊的地下水體向露天礦坑排泄，維持了周邊區域的地下水位，有效保護了礦區周邊的生態環境。其實施方法可靠，實用性強；

(2)尤其適用于西部酷寒露天開采礦區的保水采煤，可充分利用當地的氣候條件合理降低本發明實施帶來的能耗，經濟而環保。

附圖說明

圖1是本發明露天開采井田的含水層凍結布置剖面圖；

圖2是本發明露天開采井田內局部范圍分布有地下含水層時的凍結布置圖；

圖3是本發明露天開采井田內全部范圍分布有地下含水層時的凍結布置圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的的一個實施例作進行進一步說明：

如圖1所示，本發明的露天煤礦開采凍結含水層的保水方法，包括以下步驟：

a.在露天煤礦采煤區域范圍內向下施工多個水文探測鉆孔，根據鉆孔內的涌水量情況判斷出露天煤礦井田范圍內地下含水層分布的區域邊界、含水層埋深等參數信息；

b.在露天煤礦礦坑開采區域周邊對應井田邊界位置建立多個冷凍站將露天煤礦礦坑開采區域包圍：將露天煤礦礦坑開采區域包圍的多個冷凍站以露天礦坑中心為原點、以露天礦坑到井田邊界的距離為半徑呈圓形發散布置，布置范圍覆蓋井田內含水層分布區域；

所述冷凍站包括制冷裝置，制冷管路與多個布置在露天煤礦礦坑開采區域的凍結孔，每個冷凍站包括7～10個凍結孔，凍結孔布置間距為5～10m，孔底應深入至地下含水層底界面以下的隔水層內5m，其中制冷裝置通過制冷管路分別與多個凍結孔聯通，并通過制冷管路由凍結孔在地下含水層擴散冷氣，從而使凍結孔周圍的地下水凍結形成冰墻；

對地下含水層實施凍結，從而在井田邊界對應地下含水層區域形成一道凍結圈，利用多個冷凍站形成的凍結圈將露天煤礦礦坑開采區域于地下含水層隔離開，阻止地下水向礦坑位置排泄徑流。

如圖2所示，當露天煤礦礦坑開采區域局部范圍分布有地下含水層時，即開采區域寬度超過周圍的地下含水層的寬度時，冷凍站的凍結孔僅需排布在地下含水層邊界位置，利用冷凍站的凍結孔形成的冰墻將露天煤礦礦坑兩側的地下水隔離開。

如圖3所示，當露天煤礦礦坑開采區域全部范圍分布有地下含水層時，即開采區域寬度小于周圍的地下含水層的寬度時，則冷凍站的多個凍結孔以圓形排布包圍覆蓋整個井田，整個井田利用冷凍站的凍結孔形成的冰墻將冰墻外與冰墻內的地下水隔離開來。

本發明根據露天煤礦開采的具體水文地質條件，通過水文地質鉆孔探明區域地下含水層分布情況，利用人工制冷的方式對井田范圍內的地下含水層實施凍結圈攔截，阻止井田開采范圍以外的地下水向露天礦坑排泄。所述凍結圈由凍結孔及其配套的凍結管路和冷凍站對地下含水層中的水體人工制冷而形成。凍結孔布置時以露天礦坑中心為原點、以露天礦坑到井田邊界的距離為半徑呈圓形發散布置，布置范圍覆蓋井田內含水層分布區域，布置深度以深入至地下含水層底界面以下的隔水層內5m為宜。

所述冷凍站的制冷工藝與凍結鑿井法中的凍結工藝相同(煤炭科學研究院北京研究生建井室，《煤礦凍結法鑿井》，1975)。