[发明专利]一种保水采煤中地下水位埋深上限阈值的确定方法

说明书

本发明属于采矿环境工程领域，公开了一种煤层开采中地下水位埋深上限阈值的确定方法，包括：求取土壤水分特征曲线的参数：通过砂性漏斗法测定土壤脱湿条件下的吸力‑含水率关系，利用RETC软件求取土壤水分特征曲线的参数，包括残余含水率θ_r、饱和含水率θ_s、进气值的倒数α、形状参数n；计算地下水毛细作用对应的两个极限基质吸力：即进气吸力值h_b和残余含水率对应的基质力值h_max；计算地下水与表土层之间液态水力联系断裂时的最小地下水位埋深L_G＝Δh_cap＝h_max‑h_b，L_G即为保水采煤中地下水位埋深上限阈值。本发明提供的方法事先仅需要在室内测定土壤的水力参数，即可确定矿区地下水位埋深上限阈值，无需开展大范围区域调查，显著降低了成本。

技术领域

本发明属于采矿环境工程领域，涉及一种保水采煤中地下水位埋深上限阈值的确定方法，是一种适用于干旱半干旱地区煤层开采中允许地下水位达到的最小埋深的计算方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：通过水文地质调查，查明区域上地下水位埋深分布及各地下水位对应的土壤表层含盐量，然后通过数理统计的方法确定发生土壤盐渍化的临界水位埋深。不但耗时耗力、花费巨大、分辨率较低，而且所得出的结论一般不能在其它区域推广使用。

陕北侏罗纪煤田位于毛乌素沙地与黄土高原接壤地带，年均降水量约400mm左右，而年均蒸发大于量2000mm，属于典型的资源型缺水区，有限的地下水资源对支撑区内工农业生产显得弥足珍贵，需要加以保护。同时，陕北侏罗纪煤田以良好的煤质和优越的开采条件而举世闻名。根据实测，采高为3-5m时导水裂隙带高度为煤层采高的26-27倍，即采高5m时导水裂隙带最大高度为135m。在榆神矿区西部，煤层埋深大于250m，隔水层厚度远大于导水裂隙带高度，因而煤层开采后水位下降幅度较小。由于开采区面积往往远小于流域汇水区面积，因而煤层开采后引起局部地区地表下沉值远大于整个流域内的地下水位下降幅度，这会导致地下水位埋深变浅，甚至在低凹处溢出地表形成“海子”。这无疑将增加地下水蒸发速率，大量盐分随之析出地表，加剧土地盐碱化程度。

鉴于这样的现状，研究者提出通过保水采煤技术对煤层开采过程中受损的水资源加以保护，寻求一个能够最大程度地减少地下水无效蒸发量的临界水位是保水采煤技术面临的重要问题。但是迄今为止，还没有建立一个通过理论计算来确定临界水位的通用方法，成为矿区生态环境保护的技术瓶颈。

综上所述，现有技术存在的问题是：通过水文地质调查确定出地下水位埋深最小阈值，只对调查区特有的土壤才有效，无法推广使用。本发明建立通过土壤质地参数确定毛细上升高度的方法进而确定矿区地下水位埋深上限阈值，物理过程清晰，计算简单，便于推广。

现有技术中，还没有建立一个通过土壤质地来确定水位埋深上限的简单通用的方法。这主要是限于对地下水蒸发过程及其与土壤质地的关系理解不深而造成的。从潜水蒸发过程中可以看出土壤蒸发一般会经历3个阶段，即阶段1、转化阶段和阶段2。在“阶段1”水分通过毛细管作用向地表传输，蒸发速率十分强烈。进入“阶段2”后，土壤表层形成干层，由于干层中水分只能以汽态水扩散形式传输，从而限制了整个剖面上的水分蒸发速率，使蒸发速率变得极小。干层的出现能够极大地减少地下水蒸发速率，从而成为本发明的切入点，本发明将干层出现时对应的地下水位定义为水位埋深上限，以减少地下水的无效蒸发量。

解决上述技术问题的意义：

现有技术中，通过区域调查结果的统计分析确定地下水位埋深上限阈值，工作量大，程序繁琐，结果不可靠。针对该不足，本发明提出的矿区地下水位埋深上限阈值的确定方法，简单实用，事先仅需要在室内测定土壤的水力参数，即可确定矿区地下水位埋深上限阈值，无需开展大范围区域调查。