[发明专利]矿区多层位水资源协同保护性开采方法

权利要求书

1.一种矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、研究不同开采方式下采动覆岩整体协同运移规律，分析覆岩协同变形对裂隙发育的控制作用，计算覆岩贯通裂隙带(1)、非贯通裂隙带(2)及连续变形结构(3)的层位及高度，得到采动覆岩结构分层/分区特性；

步骤二、针对不同开采方式，分析采空区与覆岩的应力传递关系，研究采动覆岩应力卸载与采空区应力恢复特性，得到各结构分层内采动应力路径；

步骤三、分析采动应力路径下采动覆岩各结构分层内应力及应变与渗透率演化特征，研究应力-渗透率与应变-渗透率的耦合关系，并建立覆岩各岩层渗透率劣化表征方法，计算覆岩渗漏带(8)、渗流带(7)及微渗流带(6)的层位及高度，得到采动覆岩渗透分层/分区特征；

步骤四、分析煤系地层空间结构与生态含水层(4)水循环特征，研究采动影响下生态含水层(4)与微渗流带(6)之间岩层的阻隔水性能演化规律，并据此确定能有效阻断生态含水层(4)水资源流失的阻隔水岩层为渗流隔离层(5)；

步骤五、针对不同开采方式的开采特征，研究主要开采参数对渗流隔离层(5)之上生态含水层(4)水位和水循环运移的采隔控制效应；在采空区内建立储水区域，研究开采布置方式对渗流隔离层(5)之上生态含水层(4)渗漏水资源的导流调控效应；形成渗流隔离层(5)阻水、渗流带(7)与覆岩渗漏带(8)导流、采空区汇集储水的多层位水资源协同保护体系。

2.根据权利要求1所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤一中，覆岩结构分层以岩层内裂隙贯通率为依据，判定覆岩贯通裂隙带(1)、非贯通裂隙带(2)及连续变形结构(3)的层位及高度，裂隙贯通率按下式计算：

式中，η为裂隙贯通率；I为岩层惯性矩，m⁴；[σ_t]为临界抗拉强度，MPa；h岩层厚度，m；M为岩层承受的最大弯矩，N·m。

3.根据权利要求1所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤一中，不同的开采方式包括垮落式开采和充填开采；若采用充填开采，在分析采动覆岩结构分层/分区特性之前，应先研究充填采场结构稳定性：首先，分析充填体(11)与煤柱(12)对覆岩的协同支撑作用，建立相应的充填采场矿压模型、力学模型及系统稳定性数学模型，计算充填体(11)压缩量；其次，分析采场结构失稳的临界条件，研究充填体(11)变形与采场结构失稳的关联性；最后，确定维持采场结构稳定性的主要开采参数阈值。

4.根据权利要求3所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤二中，采空区与覆岩的应力传递关系分析：若采用垮落式开采，则分析采空区垮落岩石的堆积与压实特征；若采用充填开采，则分析充填体(11)压缩与承载特征。

5.根据权利要求1所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤三中，首先，通过岩石三轴渗透性测试，分析覆岩各岩层应力、应变与渗透性演化特征；其次，采用数值计算的方法，分析采动应力路径下覆岩各岩层损伤演化过程中岩石的体应变变化规律，拟合出岩石塑性应变损伤变量-应力曲线，确定岩石损伤判据；最后，建立各岩层损伤变量与渗透率的对应关系，提出覆岩渗透率劣化表征方法，并以渗透劣化率为阈值，阐述覆岩渗漏带(8)、渗流带(7)及微渗流带(6)的分层分区特征。

6.根据权利要求1所述的矿区多层位水资源协同保护性开采方法，其特征在于，步骤五中，首先，计算得到采动应力路径下覆岩变形与渗流隔离层(5)渗透性的耦合关系及时空特性；其次，以渗流隔离层(5)阻隔水性能作为评判标准，系统分析垮落式开采中煤柱(12)尺寸、工作面推进距离开采参数或充填开采中充实率、充填采场尺寸开采参数对生态含水层(4)水位与水循环的采隔控制效应；最后，提出工作面采隔交替、工作面全采全充(9)及工作面全采局充(10)的开采布置方式，研究隔离煤柱或充填体(11)对覆岩渗漏带(8)、渗流带(7)水资源的横向隔离和垂向导流规律，确定出导流调控边界(13)，得到隔离煤柱尺寸或充填体(11)充实率参数对渗流隔离层(5)之上生态含水层(4)渗漏水的导流调控作用。