本發(fā)明涉及水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境工程領(lǐng)域與采礦工程有一定的交叉，尤其涉及一種潛水含水層水位水量協(xié)同控制的保水采煤方法。

背景技術(shù)：

我國西北地區(qū)煤炭儲(chǔ)量豐富、埋藏淺、煤質(zhì)優(yōu)越，但水資源整體匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱，煤炭開采造成水資源流失，生態(tài)環(huán)境退化，因此需要合理開采煤炭資源的同時(shí)保障生態(tài)環(huán)境不受顯著的影響。目前，保水采煤的方法有多種，總的說來有保水位和保水量兩大類，保水位的典型方法有：基于采動(dòng)上行裂隙(導(dǎo)水裂隙帶)和下行裂隙發(fā)育規(guī)律的潛水位控制的保水采煤方法；保水量的典型方法有：地下水水庫儲(chǔ)水供水的保水采煤方法。保水量是不論采煤是否造成地下水進(jìn)入采煤礦井，合理復(fù)用進(jìn)入礦井水灌溉采煤影響區(qū)使得整個(gè)區(qū)域的水資源量減少有限甚至增加，來達(dá)到保水采煤的目的。保水位是以保護(hù)生態(tài)適生潛水位為目的，犧牲煤炭資源開發(fā)效率和回收率，采用降低煤炭開采高度或特殊的采煤方法來控制采煤引起的導(dǎo)水裂隙帶不發(fā)育到潛水含水層。

目前，保水采煤方法存在以下主要問題：

1)保水量的保水采煤方法，雖然灌溉會(huì)提高淺部土壤含水量，可以使得草本類植被生長不受根本性的影響，但喬木類等水量需求比較大，即時(shí)灌溉也會(huì)造成植被不可逆退化，該方法生態(tài)環(huán)境保護(hù)效果有限。

2)保水量的保水采煤方法，是先污染后治理的方法，雖然地下水進(jìn)入礦井后經(jīng)過處理水質(zhì)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但是水質(zhì)還是有明顯的變化，如礦化度、pH值等，長期、大規(guī)模的使用處理后的礦井水來灌溉、綠化會(huì)造成土壤質(zhì)地變化、造成區(qū)域水環(huán)境變化，對(duì)生態(tài)長期影響不可忽略。

3)保水位的保水采煤方法，目前只關(guān)注煤炭開采造成的導(dǎo)水裂隙帶是否發(fā)育到潛水含水層，若溝通則認(rèn)為潛水位消失，反之認(rèn)為保水位成功。但實(shí)際上，造成潛水含水層水位變化的不僅僅是采煤伴生的裂隙場(chǎng)，還有采煤伴生的巖土層沉降、潛水層越流及區(qū)域地下水的水均衡變化，因此目前的保水位的保水采煤方法是不準(zhǔn)確的。

4)保水位的保水采煤方法，雖然保住了水位，但有時(shí)候會(huì)造成區(qū)域可利用水資源量的下降，如采用保水位的保水采煤方法沒有大量潛水進(jìn)入礦井，但潛水層下面的隔水層整體向下沉降，造成潛水埋深降低，潛水的蒸發(fā)量增加，變成無效的水資源，進(jìn)而對(duì)區(qū)域的人類活動(dòng)和生態(tài)旱季灌溉有所限制。

5)保水位的保水采煤方法，為了保住水位會(huì)對(duì)每個(gè)區(qū)域的煤炭開采厚度和方法進(jìn)行大量的限定，這使得很多煤炭資源無法充分開采或開采成本提高，雖然保護(hù)了水資源和環(huán)境，但煤炭資源犧牲太大。

6)現(xiàn)有保水位的保水采煤方法中，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè)只使用煤炭采厚一個(gè)影響因素(這是由于該方法為了通過保護(hù)層厚度留設(shè)來抵消越流產(chǎn)生的影響，進(jìn)而方便計(jì)算才等效導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度只與主要影響因素煤炭采厚一個(gè)因素相關(guān))，但實(shí)際上導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度影響因素較多，不能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度使得現(xiàn)有的保水采煤分區(qū)保水時(shí)有模糊區(qū)或者過渡區(qū)存在，用該類保水位的保水采煤方法只能偏于保守而犧牲水資源或者煤炭資源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種潛水含水層水位水量協(xié)同控制的保水采煤方法，該方法簡單易實(shí)施、對(duì)潛水位埋深的預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確、使得煤炭開采與生態(tài)保護(hù)相匹配，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，最大可能開發(fā)煤炭資源，防止煤炭資源無法開采造成的浪費(fèi)

一種潛水含水層水位水量協(xié)同控制的保水采煤方法，包括如下步驟：

步驟一，煤層全厚綜采時(shí)，預(yù)測(cè)裂隙場(chǎng)對(duì)礦區(qū)潛水位埋深的影響分區(qū)，預(yù)測(cè)出潛水位消失區(qū)和潛水位埋深變化區(qū)的位置；

步驟二，再對(duì)步驟一預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)依據(jù)植被類型選擇保水方法；

步驟三，再預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)的潛水位埋深變化區(qū)煤層全厚綜采沉降對(duì)潛水位埋深的影響△h₁；

步驟四，再預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)的潛水位埋深變化區(qū)煤層全厚綜采越流對(duì)潛水位埋深的影響△h₂；

步驟五，再預(yù)測(cè)煤層全厚綜采區(qū)域潛水含水層水均衡對(duì)潛水位埋深的影響△h₃；

步驟六，再測(cè)煤層全厚綜采區(qū)域水均衡對(duì)潛水位埋深的影響總量△h，△h＝△h₁+△h₂+△h₃；

步驟七，再對(duì)潛水位埋深變化區(qū)域依據(jù)植被適生水位和變化后的潛水位埋深關(guān)系進(jìn)行分類，具體分為適生類、高水位類和低水位類；

步驟八，再對(duì)潛水位埋深變化區(qū)域不同的分類采取不同的保水采煤方法；

步驟九，煤炭每開采一年，重復(fù)步驟五到八。

所述步驟一中，預(yù)測(cè)裂隙場(chǎng)對(duì)礦區(qū)潛水位埋深的影響分區(qū)時(shí)，首先，建立煤層開采裂隙場(chǎng)發(fā)育高度預(yù)測(cè)模型Hd＝f(M，a，c)；

式中，Hd為裂隙場(chǎng)發(fā)育高度；M為煤層開采厚度；a為煤層上覆松散層厚度；c為煤層上覆基巖厚度；Hd、M、a、c的單位均為米；

然后，利用煤層開采裂隙場(chǎng)發(fā)育高度預(yù)測(cè)模型對(duì)礦區(qū)所有鉆孔進(jìn)行煤層全厚綜采時(shí)的裂隙場(chǎng)發(fā)育高度Hd進(jìn)行預(yù)測(cè)；

最后，判斷裂隙場(chǎng)發(fā)育高度Hd是否大于煤層到潛水含水層的距離z，若Hd≥z則為潛水位消失區(qū)，否則為潛水位埋深變化區(qū)。

所述煤層開采厚度M、煤層上覆松散層厚度a和煤層上覆基巖厚度c均通過鉆孔探測(cè)獲取，煤層開采裂隙場(chǎng)發(fā)育高度預(yù)測(cè)模型Hd＝f(M，a，c)通過實(shí)測(cè)及模擬數(shù)據(jù)采用多元統(tǒng)計(jì)分析獲得。

所述步驟三中，預(yù)測(cè)的潛水位埋深變化區(qū)煤層全厚綜采沉降對(duì)潛水位埋深的影響△h₁＝M×η，其中，M為煤層開采厚度，η為最大下沉系數(shù)，無量綱，取0.5～0.8。

所述步驟四中，所述越流由上至下依次分為潛水層、弱透水層和下伏含水層，預(yù)測(cè)的潛水位埋深變化區(qū)煤層全厚綜采越流對(duì)潛水位埋深的影響其中，R＝r_w+R₀，r_w＝l/2π，

式中，△h₂單位為m；Q₁是下伏含水層的礦井涌水量，單位為m³/d；Q₀為已經(jīng)開采下伏含水層的礦井涌水量，單位為m³/d；F₀、S₀分別為產(chǎn)生該涌水量對(duì)應(yīng)煤炭開采面積和含水層水位降深，單位分別為m²和m；F₁和S₁分別是對(duì)應(yīng)的要預(yù)測(cè)的礦井涌水量Q₁的煤炭開采面積和含水層水位降深，單位分別為m²和m；T₁是潛水層的導(dǎo)水系數(shù)；T₃是下伏含水層的導(dǎo)水系數(shù)，T₁和T₃的單位均為m²/d；R為潛水層的開采引用影響半徑，單位為m；l為采煤工作面周長，單位為m；R₀為潛水的抽水試驗(yàn)影響半徑，單位為m；K₀(x)為零階第二類虛宗量Bessel函數(shù)；B為越流因素，單位為m；K₂是弱透水層的滲透系數(shù)，單位為m/d；M₂是弱透水層的厚度，單位為m；r為距離抽水井距離，單位為m，r取工作面走向長的一半。

所述步驟五中，所述水均衡區(qū)域?yàn)闈撍宦裆钭兓瘏^(qū)，煤層全厚綜采區(qū)域潛水含水層水均衡對(duì)潛水位埋深的影響其中，ΔW＝W₁+W₂+W₃-W₄-W₅-W₆+N，W₁＝αFh，W₂＝v×X，W₃＝Y(jié)×F，W₅＝E_gb×F，

式中，△h₃單位為m；μ為潛水含水層的給水度，無量綱，取0.1～0.3；△W為1年水均衡值，單位為m³；W₁為均衡區(qū)大氣降水1年入滲補(bǔ)給量，單位為m³；α為該地區(qū)大氣降水入滲系數(shù)，無量綱，取0.1～0.3；F為水均衡區(qū)面積，單位為m²；h為1年降雨量，單位為m；W₂為水均衡區(qū)域接受鄰區(qū)地下水年補(bǔ)給量，單位為m³；v為潛水的一年徑流長度，單位為m；X為過水?dāng)嗝妫瑔挝粸閙²；W₃為水均衡區(qū)凝結(jié)水年補(bǔ)給量，單位為m³；Y為單位面積凝結(jié)水一年補(bǔ)給強(qiáng)度，單位為m³/m²；W₄為水均衡區(qū)域地下水一年產(chǎn)流量，m³；W₅為水均衡區(qū)域地下水年蒸發(fā)量，單位為m³；E_gb為潛水一年蒸發(fā)水頭高度，單位為m；其中E₀為該地區(qū)氣象條件下地表一年水面蒸發(fā)水頭高度，單位為m；H為潛水位現(xiàn)在的埋深，單位為m；H₀為潛水極限蒸發(fā)埋深，單位為m；b為系數(shù)，無量綱，取1～3；W₆為水均衡區(qū)域地下水一年采礦涌水量，單位為m³；N為其他不可忽略的補(bǔ)給或排泄項(xiàng)，包括人類活動(dòng)或植被蒸騰量。

所述步驟七中，所述對(duì)潛水位埋深變化區(qū)域依據(jù)植被適生水位和變化后的潛水位埋深關(guān)系進(jìn)行分類的具體過程如下：

首先，依據(jù)植被在不同潛水位埋深的生長態(tài)勢(shì)確定該植被的適生的潛水位埋深范圍H_S1～H_S2，H_S1和H_S2的單位為m；

然后將有潛水位埋深變化區(qū)域的3個(gè)分類，分別為適生類、高水位類和低水位類，其中適生類為H_S1≤H-△h≤H_S2，高水位類為H-△h＜H_S1，低水位類為H-△h＞H_S2。

所述步驟八中，所述對(duì)潛水位埋深變化區(qū)域不同的分類采取不同的保水采煤方法的過程具體如下：

對(duì)適生類直接進(jìn)行煤炭全厚綜采；

對(duì)高水位類設(shè)置井上抽水井或井下排水井，并通過輸水管道對(duì)低水位類的潛水進(jìn)行注水回灌。

所述對(duì)高水位類設(shè)置井上抽水井或井下排水井，并通過輸水管道對(duì)低水位類的潛水進(jìn)行注水回灌時(shí)，若△h₃≥0，則高水位類同時(shí)通過輸水管道，將一部分水資源對(duì)步驟二中潛水位消失區(qū)煤炭全厚綜采形成的塌陷區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給灌溉，該部分1年的補(bǔ)給量應(yīng)不大于△W；若△h₃＜0，則將步驟二中潛水位消失區(qū)煤炭全厚綜采的井下集水孔群的水一部分輸送至低水位類地下潛水進(jìn)行注水回灌；以上各區(qū)之間的水量調(diào)度后，應(yīng)保持高水位類區(qū)域潛水位埋深不大于H_S2，低水位類區(qū)域潛水位埋深不小于H_S1。

所述步驟二中，所述對(duì)預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)依據(jù)植被類型選擇保水方法包括如下步驟：

首先，根據(jù)預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)地表植被類型對(duì)潛水位消失區(qū)分類，分為靠凝結(jié)水、大氣降水和人工灌溉基本可正常生長的植被和其他植被；

再對(duì)預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)進(jìn)行保水，具體如下：

對(duì)靠凝結(jié)水和大氣降水可正常生長的植被區(qū)域采用的保水方法是：在煤礦井下煤炭開采前，采煤工作面兩巷形成時(shí)，在礦井下以潛水含水層為目標(biāo)層，實(shí)施集水孔群，集水孔群對(duì)該采煤工作面上方潛水的疏放使得原始潛水位下降三分之二以上，在該區(qū)域煤炭全厚綜采后，集水孔群收集到的潔凈礦井水對(duì)潛水位消失區(qū)的采煤塌陷區(qū)上方植被進(jìn)行灌溉；

對(duì)其他植被區(qū)域采用限高開采或者特殊開采方法開采煤層全厚，該區(qū)域潛水位埋深埋煤炭開采前后變化小于5％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明的潛水含水層水位水量協(xié)同控制的保水采煤方法考慮煤炭開采塌陷沉降對(duì)潛水位埋深的影響、考慮潛水含水層越流對(duì)潛水位埋深的影響、考慮區(qū)域潛水含水層水均衡對(duì)潛水位埋深的影響，因此，對(duì)潛水位埋深的預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確；本發(fā)明還依據(jù)采區(qū)的植被類型，有針對(duì)性的給出植被的潛水位埋深適宜范圍，使得煤炭開采與生態(tài)保護(hù)相匹配；本發(fā)明在保護(hù)生態(tài)水位的同時(shí)對(duì)水資源進(jìn)行管理，一方面將潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈區(qū)域水資源加以利用，另一方面對(duì)潛水不足區(qū)域進(jìn)行水資源保護(hù)，基于生態(tài)水位預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)區(qū)域水資源；在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，最大可能開發(fā)煤炭資源，防止煤炭資源無法開采造成的浪費(fèi)；本發(fā)明還簡單易實(shí)施。

【附圖說明】

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是三層越流模型示意圖。

其中，1為潛水層，2為弱透水層，3為下伏含水層。

【具體實(shí)施方式】

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的潛水含水層水位水量協(xié)同控制的保水采煤方法，包括下述步驟：

步驟一：煤層全厚綜采時(shí)，預(yù)測(cè)裂隙場(chǎng)對(duì)礦區(qū)潛水位埋深的影響分區(qū)；

首先，建立煤層開采裂隙場(chǎng)發(fā)育高度預(yù)測(cè)模型，即Hd＝f(M，a，c)，式中Hd為裂隙場(chǎng)發(fā)育高度，單位為m；M為煤層開采厚度，單位為m；a為煤層上覆松散層厚度，單位為m；c為煤層上覆基巖厚度，單位為m；其中，M、a、c均可通過鉆孔探測(cè)獲取，而預(yù)測(cè)的模型函數(shù)Hd＝f(M，a，c)則通過大量實(shí)測(cè)及模擬數(shù)據(jù)采用多元統(tǒng)計(jì)分析獲得；

然后，利用預(yù)測(cè)模型對(duì)礦區(qū)所有鉆孔進(jìn)行煤層全厚綜采時(shí)的裂隙場(chǎng)發(fā)育高度Hd；

最后，判斷裂隙場(chǎng)發(fā)育高度Hd是否大于煤層到潛水含水層的距離z，若Hd≥z，則為潛水位消失區(qū)，否則為潛水位埋深變化區(qū)；

步驟二：預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)依據(jù)植被類型選擇保水方法，具體過程如下：

首先，對(duì)預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)進(jìn)行地表植被類型調(diào)查，分為靠凝結(jié)水、大氣降水和人工灌溉基本可正常生長的植被(潛水位消失后該植被覆蓋下降小于30％)和其他植被，對(duì)靠凝結(jié)水和大氣降水可正常生長的植被區(qū)域采用的保水方法是：在煤礦井下煤炭開采前，采煤工作面兩巷形成時(shí)，在礦井下以潛水含水層為目標(biāo)層，實(shí)施集水孔群，集水孔群對(duì)該采煤工作面上方潛水的疏放使得原始潛水位下降三分之二以上，在該區(qū)域煤炭全厚綜采后，集水孔群收集到的潔凈礦井水對(duì)潛水位消失區(qū)的采煤塌陷區(qū)上方植被進(jìn)行灌溉；

對(duì)其他植被區(qū)域采用限高開采或者特殊開采方法開采煤層全厚，該區(qū)域潛水位埋深埋煤炭開采前后變化應(yīng)小于5％；

步驟三：預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)的潛水位埋深變化區(qū)煤層全厚綜采沉降對(duì)潛水位埋深的影響△h₁，△h₁＝M×η，單位為m；其中η為最大下沉系數(shù)，無量綱，取0.5～0.8；

步驟四：預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)的潛水位埋深變化區(qū)煤層全厚綜采越流對(duì)潛水位埋深的影響△h₂，單位為m；如圖2，公式表達(dá)的由上到下為第1層到第3層，圖2中，1是模型第1層，為潛水層，3是第3層，為下伏含水層，2是第2層，為位于第1層和第3層兩者中間的弱透水層；

式中，Q₁是第3層的礦井涌水量，單位為m³/d；采用水文地質(zhì)類比法計(jì)算Q₀為已經(jīng)開采第3層的礦井涌水量，單位為m³/d；F₀、S₀為產(chǎn)生該涌水量對(duì)應(yīng)煤炭開采面積和含水層水位降深，單位為分別為m²和m；F₁和S₁是對(duì)應(yīng)的要預(yù)測(cè)的礦井涌水量Q₁的煤炭開采面積和含水層水位降深，單位分別為m²和m，F(xiàn)₁和S₁通過采礦設(shè)計(jì)和水文地質(zhì)探測(cè)獲取；T₁和T₃分別是潛水含水層(第1層)和下伏含水層(第3層)的導(dǎo)水系數(shù)，單位均為m²/d，可通過抽水試驗(yàn)獲取；R為潛水含水層的開采引用影響半徑，單位為m，可通過R＝r_w+R₀計(jì)算，其中r_w＝l/2π，l為采煤工作面周長，單位為m，R₀為潛水的抽水試驗(yàn)影響半徑，單位為m，可通過抽水試驗(yàn)獲取；K₀(x)為零階第二類虛宗量Bessel函數(shù)，可查表計(jì)算；B為越流因素，單位為m，式中K₂、M₂分別是弱透水層的滲透系數(shù)和厚度，單位分別為m/d和m，通過鉆探和抽水試驗(yàn)獲取；r為距離抽水井距離，單位為m，取工作面走向長的一半；

步驟五：預(yù)測(cè)煤層全厚綜采區(qū)域潛水含水層水均衡對(duì)潛水位埋深的影響△h₃，單位為m；水均衡區(qū)域?yàn)闈撍宦裆钭兓瘏^(qū)；

式中μ為潛水含水層的給水度，無量綱，取0.1～0.3；△W為1年水均衡值，單位為m³，ΔW＝W₁+W₂+W₃-W₄-W₅-W₆+N，W₁為均衡區(qū)大氣降水1年入滲補(bǔ)給量，單位為m³，W₁＝αFh，α為該地區(qū)大氣降水入滲系數(shù)，無量綱，可通過地中滲透儀測(cè)定，取0.1～0.3；F為水均衡區(qū)面積，單位為m²；h為1年降雨量，單位為m；W₂為水均衡區(qū)域接受鄰區(qū)地下水年補(bǔ)給量，單位為m³，W₂＝v×X，其中v為潛水的一年徑流長度，單位為m，可通過地下水流速流向儀測(cè)定流速后換算1年徑流長度；X為過水?dāng)嗝妫瑔挝粸閙²，可通過地質(zhì)探測(cè)獲取；W₃為水均衡區(qū)凝結(jié)水年補(bǔ)給量，單位為m³，W₃＝Y(jié)×F，其中Y為單位面積凝結(jié)水一年補(bǔ)給強(qiáng)度，單位為m³/m²，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得；W₄為水均衡區(qū)域地下水一年產(chǎn)流量，單位為m³，可通過野外地質(zhì)調(diào)查獲取；W₅為水均衡區(qū)域地下水年蒸發(fā)量，單位為m³，W₅＝E_gb×F，式中為潛水一年蒸發(fā)水頭高度，單位為m；其中E₀為該地區(qū)氣象條件下地表一年水面蒸發(fā)水頭高度，單位為m，可通過氣象觀測(cè)獲取；H為潛水位現(xiàn)在的埋深，單位為m，可通過鉆探水位觀測(cè)獲取；H₀為潛水極限蒸發(fā)埋深，單位為m，一般取8m；b為系數(shù)，無量綱，取1～3；W₆為水均衡區(qū)域地下水一年采礦涌水量，單位為m³，可通過步驟三所述的水文地質(zhì)比擬法計(jì)算；N為其他不可忽略的補(bǔ)給或排泄項(xiàng)，包括人類活動(dòng)或植被蒸騰量，可通過相應(yīng)的既定觀測(cè)或理論計(jì)算獲取；

步驟六：預(yù)測(cè)煤層全厚綜采區(qū)域水均衡對(duì)潛水位埋深的影響總量△h，Δh＝Δh₁+Δh₂+Δh₃，單位為m。

步驟七：對(duì)潛水位埋深變化區(qū)域依據(jù)植被適生水位和變化后的潛水位埋深關(guān)系進(jìn)行分類，據(jù)圖過程如下：

首先，對(duì)潛水位埋深變化區(qū)的植被進(jìn)行調(diào)查，依據(jù)植被在不同潛水位埋深的生長態(tài)勢(shì)確定該植被的適生的潛水位埋深范圍H_S1～H_S2；

然后有潛水位埋深變化區(qū)域的3個(gè)分類，分別為適生類、高水位類和低水位類，其中適生類為H_S1≤H-△h≤H_S2，高水位類為H-△h＜H_S1，低水位類為H-△h＞H_S2；

步驟八：對(duì)潛水位埋深變化區(qū)域不同的綜合分類采取不同的保水采煤方法，具體過程如下：

適生類直接進(jìn)行煤炭全厚綜采；高水位類則設(shè)置井上抽水井或井下排水井，并通過輸水管道對(duì)低水位類的潛水進(jìn)行注水回灌；

此外，若△h₃≥0，則高水位類同時(shí)通過輸水管道，將一部分水資源對(duì)步驟二中潛水位消失區(qū)煤炭全厚綜采形成的塌陷區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給灌溉，該部分1年的補(bǔ)給量應(yīng)不大于△W；

若△h₃＜0，則將步驟二中潛水位消失區(qū)煤炭全厚綜采的井下集水孔群的水一部分輸送至低水位類地下潛水進(jìn)行注水回灌；

以上各區(qū)之間的水量調(diào)度后，應(yīng)保持高水位類區(qū)域潛水位埋深不大于H_S2，低水位類區(qū)域潛水位埋深不小于H_S1；

步驟九：煤炭每開采一年，重復(fù)步驟五到八，最大限度的開采煤炭資源的同時(shí)，潛水含水層水位水量協(xié)同控制完成保水采煤。

本發(fā)明的運(yùn)行原理：

保水采煤有兩層含義，一層含義是在煤炭高產(chǎn)高效開采的同時(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境不出現(xiàn)大規(guī)模退化，另一層含義是在煤炭高產(chǎn)高效開采的同時(shí)可利用的潔凈水資源量不出現(xiàn)大規(guī)模減少。

對(duì)于煤炭高產(chǎn)高效開采的同時(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境這一層含義，本發(fā)明對(duì)裂隙場(chǎng)發(fā)育高度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)(步驟一種裂隙場(chǎng)發(fā)育高度受多個(gè)影響因素影響，在開采工藝變化不大的條件下，地質(zhì)因素起到主要作用，從關(guān)鍵層理論出發(fā)，基巖對(duì)采場(chǎng)有控制作用，松散層則表現(xiàn)出荷載作用和抑制作用，煤層采厚M、煤層上覆松散層厚度a和煤層上覆基巖層厚度c對(duì)其影響較大，可以通過這3個(gè)因素更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，此時(shí)每一個(gè)預(yù)測(cè)是一個(gè)數(shù)而不是一個(gè)范圍，避免了利用這個(gè)參數(shù)分區(qū)時(shí)出現(xiàn)大范圍的過渡區(qū)或模糊區(qū))，進(jìn)而將煤炭開采對(duì)潛水位影響分為潛水位消失區(qū)和潛水位埋深變化區(qū)；對(duì)潛水位消失區(qū)不在是全部犧牲煤炭開采的速度、回收率和資源總量采用特殊的開采工藝或限制煤炭開采高度，而是依據(jù)植被類型分別對(duì)待，依靠凝結(jié)水、大氣降水和人工灌溉不會(huì)大規(guī)模退化的植被分布區(qū)可以高產(chǎn)高效的開采煤炭資源，但生態(tài)多樣性和優(yōu)勢(shì)區(qū)多是靠凝結(jié)水、大氣降水和人工灌溉不能存在的，因此這些區(qū)域應(yīng)該犧牲煤炭資源開采的效率或總量，來保護(hù)環(huán)境；對(duì)煤炭開采潛水位埋深變化區(qū)受煤炭開采整體塌陷影響潛水位埋深會(huì)受周圍補(bǔ)給而抬升，也會(huì)受下伏含水層被疏放而越流產(chǎn)生潛水位降深(這一部分可以通過地下水動(dòng)力學(xué)的三層越流模型計(jì)算得到)，此外還會(huì)受到潛水含水層區(qū)域水均衡的影響(這一部分可以通過每年的水均衡法計(jì)算得到，但每年的水均衡由于潛水蒸發(fā)等方面的差異有所不同，因此每年需要重新計(jì)算)，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)潛水位埋深可以選擇不同的開采方法來完成這一區(qū)域的煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

對(duì)于另外一層含義，煤炭高產(chǎn)高效開采的同時(shí)可利用的潔凈水資源量不出現(xiàn)大規(guī)模減少。在滿足生態(tài)需求的基礎(chǔ)上，合理的匯集、分配、轉(zhuǎn)移地下水資源，來滿足可利用水資源量最大化的目的。包括步驟二中潛水含水層水資源的匯集：充分利用高產(chǎn)高效的采煤工作面形成的巷道施工集水孔群，集水孔群在煤炭開采前形成，只需要達(dá)到一定的疏放量(可疏放潛水含水層三分之二以上的水位)，在煤炭開采后一方面裂隙場(chǎng)會(huì)優(yōu)先發(fā)育在結(jié)構(gòu)面較弱的區(qū)域，即預(yù)留的孔群處，同時(shí)會(huì)沿孔群向外有一定的擴(kuò)展，這里就形成了優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)水通道，可以有效收集高潔凈度的水資源(進(jìn)入采空區(qū)的水再收集會(huì)混合煤巖粉，且采空區(qū)條件復(fù)雜多變，會(huì)存在零散的積水無法利用)；同時(shí)，包括步驟八中的水資源的分配和轉(zhuǎn)移：在高水位類區(qū)域由于水位埋藏淺地下水蒸發(fā)量大，因此向低水位類區(qū)域分配和轉(zhuǎn)移水資源，同時(shí)根據(jù)水均衡狀態(tài)來判斷水位變化區(qū)的水資源量是在減少與否，若減少則從潛水位消失區(qū)獲取水資源來平衡該區(qū)域水資源，若不減少則不僅從高水位類區(qū)域向低水位區(qū)域內(nèi)部轉(zhuǎn)移，還向采煤塌陷區(qū)的包氣帶進(jìn)行補(bǔ)水(即灌溉)，這會(huì)促進(jìn)植被更加旺盛。

兩層含義不僅僅有保護(hù)生態(tài)和保護(hù)可利用水資源的單一方面的意義，還有協(xié)同的含義。如在潛水位消失區(qū)，可犧牲水位的區(qū)域則有效的利用進(jìn)入礦井的水資源；又如潛水位埋深變化區(qū)不同的類型通過水資源量的轉(zhuǎn)移來使得水位更加合理，同時(shí)又合理保護(hù)和利用水資源量，即在水資源的分配和轉(zhuǎn)移的過程中，應(yīng)該注意轉(zhuǎn)移和分配量的控制，不能讓高水位類區(qū)域下降超過生態(tài)適生水位最低線，也不能讓低水位類區(qū)域上升超過生態(tài)適生水位最高線。

實(shí)施例：

某礦區(qū)煤炭資源豐富，但地表生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源整體匱乏，保水采煤工作按照以下步驟開展：

步驟一：煤層全厚綜采時(shí)，預(yù)測(cè)裂隙場(chǎng)對(duì)礦區(qū)潛水位埋深的影響分區(qū)：首先，建立煤層開采裂隙場(chǎng)發(fā)育高度預(yù)測(cè)模型，通過大量實(shí)測(cè)及模擬數(shù)據(jù)(38組數(shù)據(jù))采用多元統(tǒng)計(jì)分析法擬合獲得以下符合本區(qū)開采實(shí)際的多因素?cái)M合公式：Hd＝24.73M+0.135a+0.149c+1.946，公式的擬合優(yōu)度達(dá)0.837，相比較Hd關(guān)于單因素M的擬合結(jié)果(其擬合優(yōu)度0.774)有明顯的提高；

然后，利于預(yù)測(cè)模型對(duì)礦區(qū)所有鉆孔進(jìn)行煤層全厚綜采時(shí)的裂隙場(chǎng)發(fā)育高度Hd；

最后，判斷裂隙場(chǎng)發(fā)育高度是否達(dá)到潛水含水層，達(dá)到則為潛水位消失區(qū)(經(jīng)計(jì)算該區(qū)域面積達(dá)700km²)，否則為潛水位埋深變化區(qū)(該區(qū)域面積達(dá)4500km²)；

步驟二：對(duì)預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)依據(jù)植被類型選擇保水方法：

首先，對(duì)預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)進(jìn)行地表植被類型調(diào)查，經(jīng)調(diào)查預(yù)測(cè)的潛水位消失區(qū)有646km²覆蓋的植被靠凝結(jié)水、大氣降水和人工灌溉基本可正常生長，多為沙蒿等耐旱沙漠植物(通過采煤前后的地表植被覆蓋發(fā)現(xiàn)植被覆蓋率下降22％)；

對(duì)該區(qū)域?qū)嵤┘兹海云渲幸粋€(gè)2^-2煤開采的工作面為例說明：在煤炭開采前在采煤工作面兩巷均勻?qū)嵤┘?6組，共計(jì)48個(gè)鉆孔，鉆孔實(shí)施的終孔層位為潛水含水層，在總疏放量達(dá)55m³/h時(shí)，潛水位下降77％，煤炭開采后該水量進(jìn)一步增大達(dá)95m³/h，集水孔群將收集到的潔凈礦井水對(duì)潛水位消失區(qū)的采煤塌陷區(qū)上方植被進(jìn)行灌溉；

此外，潛水位消失區(qū)還有54km²覆蓋的植被為喬木類，該植被在凝結(jié)水、大氣降水和灌溉條件下不能存活，對(duì)于這些區(qū)域采用降低開采高度或房柱式開采等特殊開采方法，該區(qū)域潛水位埋深煤炭開采前后變化僅3.3％，小于5％；

步驟三：預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)的潛水位埋深變化區(qū)煤層全厚綜采沉降對(duì)潛水位埋深的影響△h₁，2^-2煤層M依據(jù)鉆孔柱狀圖可知為5m，η依據(jù)觀測(cè)為0.6，因此△h₁＝M×η＝5×0.6＝3m；

步驟四：預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)的潛水位埋深變化區(qū)煤層全厚綜采越流對(duì)潛水位埋深的影響△h₂，三層模型如圖2所示，模型由上到下，1為潛水層，為第1層，2為土層弱透水層，為第2層，3為下伏含水層風(fēng)化基巖含水層，為第3層，依據(jù)步驟一中的計(jì)算煤層開采后第3層水位消失，但第1層水位不會(huì)消失，兩者存在水頭差，通過第2層發(fā)生地下水越流，按照地下水動(dòng)力學(xué)原理的相關(guān)公式有其中Q₁＝424.8m³/d，T₁＝38.8m²/d，T₃＝2.51m²/d,可以計(jì)算越流后的水位變化量△h₂＝－0.93m；

步驟五：預(yù)測(cè)煤層全厚綜采區(qū)域水均衡對(duì)潛水位埋深的影響△h₃，單位m；這里水均衡區(qū)域選為潛水位埋深變化區(qū)(水均衡面積F＝4500×10⁶m²)，式中μ為潛水含水層的給水度，取0.27；ΔW＝W₁+W₂+W₃-W₄-W₅-W₆+N＝4.7×10⁸+0.26×10⁸+2.0×10⁸-0.88×10⁸-3.8×10⁸-0.17×10⁸+0＝2.11×10⁸m3；則有

步驟六：預(yù)測(cè)煤層全厚綜采區(qū)域水均衡對(duì)潛水位埋深的影響總量△h，Δh＝Δh₁+Δh₂+Δh₃＝3-0.93+0.17＝2.24m；

步驟七：潛水位埋深變化區(qū)域依據(jù)植被適生水位和變化后的潛水位埋深關(guān)系進(jìn)行分類，具體過程如下：

首先，對(duì)潛水位埋深變化區(qū)的植被進(jìn)行調(diào)查，依據(jù)植被在不同深度的生長態(tài)勢(shì)確定該植被的適生的潛水位埋深范圍為1.6m～3.6m；

然后有潛水位埋深變化區(qū)域的3個(gè)分類，分別為適生類、高水位類和低水位類，其中適生類為1.6≤H-△h≤3.6，高水位類為H-△h＜1.6，低水位類為H-△h＞3.6；

步驟八：潛水位埋深變化區(qū)域不同的綜合分類采取不同的保水采煤方法，其中，適生類直接進(jìn)行煤炭全厚綜采；高水位類則設(shè)置井上抽水井和井下排水井，并通過輸水管道對(duì)低水位類的潛水進(jìn)行注水回灌；

此時(shí)，△h₃≥0，高水位類區(qū)域同時(shí)通過輸水管道將一部分水資源對(duì)步驟二中潛水位消失區(qū)煤炭全厚綜采形成的塌陷區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給灌溉，其1年輸送量為2×10⁸m³，小于2.11×10⁸m³，高水位類區(qū)域潛水埋深水位埋深仍小于3.6m，低水位類潛水位埋深仍大于1.6m；

步驟九：所有區(qū)域煤炭每開采一年，重復(fù)步驟五到八，其中當(dāng)?shù)?2年時(shí)(重復(fù)12次后)，步驟五計(jì)算的則第八步在分類的基礎(chǔ)上，適生類直接進(jìn)行煤炭全厚綜采；

高水位類設(shè)置井上抽水井或井下排水井，并通過輸水管道對(duì)低水位類的潛水進(jìn)行注水回灌，同時(shí)，將步驟二中潛水位消失區(qū)煤炭全厚綜采的井下集水孔群的水一部分輸送至低水位類地下潛水進(jìn)行注水回灌，高水位類區(qū)域潛水埋深水位埋深仍小于3.6m，低水位類潛水位埋深仍大于1.6m；

最終，該礦區(qū)每年最大限度的開采煤炭資源的同時(shí)，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可利用水資源量安全供給得到了保障。