神東礦區(qū)采區(qū)式煤礦地下水庫系統(tǒng)設(shè)計研究

張 保，郝秀強，李會強

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.國家能源集團技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 102211)

神東礦區(qū)在我國能源保障供應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用[1，2]。神東礦區(qū)地處內(nèi)蒙古、陜西、山西接壤地帶，是典型的干旱缺水地區(qū)，水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。長期高強度的煤炭開發(fā)造成大量礦井水損失，外排的礦井水大量蒸發(fā)，且易造成土地鹽堿化，導(dǎo)致礦區(qū)及周邊土地有沙漠化、荒漠化傾向，進一步加劇了礦區(qū)及其周邊地區(qū)的水資源短缺，嚴重制約著礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展[3]。針對神東礦區(qū)水資源保護和利用的問題，顧大釗院士提出了“導(dǎo)儲用”為核心的煤礦地下水庫理論框架和技術(shù)體系，并在神東礦區(qū)進行了大量的工程實踐。截至2021年6月，神東礦區(qū)除錦界煤礦外的其他煤礦均布置有煤礦地下水庫，且長期安全穩(wěn)定運行，每年為礦區(qū)生產(chǎn)、生活和生態(tài)以及周邊產(chǎn)業(yè)供水超過7000萬m3，年創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益超過10億元，為礦區(qū)發(fā)展提供了可靠的水資源保障[4，5]。

1 煤礦地下水庫設(shè)計理念

目前神東礦區(qū)大部分礦井使用的是分布式地下水庫如圖1所示，即多個采空區(qū)為子水庫，子水庫之間用供水管道、排水管道、加壓泵和排水泵連接，并建設(shè)有泵房、井下水處理站、采區(qū)水倉、工作面水倉、管道鉆孔等附屬設(shè)施，上述子水庫、連接管道及附屬設(shè)施共同形成礦井水循環(huán)和水處理系統(tǒng)。

圖1 分布式地下水庫

子水庫分為采區(qū)式和工作面式。采區(qū)式子水庫是以兩個以上工作面形成的采空區(qū)為儲水空間的煤礦地下水庫。工作面式子水庫是以一至兩個工作面形成的采空區(qū)為儲水空間的煤礦地下水庫。

采區(qū)式子水庫：為了增大水庫庫容，并且增加礦井水的流水路徑和凈化效果，一般礦井會將整個采區(qū)或采區(qū)的一部分作為煤礦地下水庫儲水區(qū)域，工作面回采過程中保留采區(qū)邊界煤柱并施工人工壩體與其連接結(jié)構(gòu)，同時適時配套建設(shè)注、出水管路、泵房等其他設(shè)施，便形成了采區(qū)式子水庫，神東礦區(qū)大部分地下水庫都是該類型水庫。

工作面式子水庫：某些工作面地質(zhì)條件較為特殊，適合建設(shè)工作面式子水庫，最為典型的就是大柳塔煤礦52503工作面，該工作面布置在兩個斷層之間，52503工作面底板標高較兩側(cè)工作面平均低26m，有利于礦井水的匯集和存儲，是大柳塔煤礦下煤層工作面式子水庫選址的最佳區(qū)域[6]，如圖2所示。由此，大柳塔煤礦提前布局，在該工作面設(shè)計時已經(jīng)預(yù)留了子水庫相關(guān)管路和硐室，子水庫建設(shè)避免了重復(fù)建設(shè)，后期儲水用水非常便利[7]。

圖2 工作面式子水庫

采區(qū)式和工作面式子水庫主要區(qū)別是水庫邊界范圍和布局時間。工作面式子水庫的邊界為兩工作面間煤柱，需要在工作面回采前提前布局人工壩體、進出水管路、水泵等。采區(qū)式子水庫的邊界是采區(qū)邊界煤柱，工作面間煤柱不構(gòu)筑人工壩體，在采區(qū)邊界煤柱上構(gòu)筑人工壩體，首采工作面人工壩體和出水系統(tǒng)需提前布置，其他人工壩體和注水系統(tǒng)需根據(jù)采區(qū)內(nèi)儲水位置結(jié)合工作面回采順序等進行綜合考慮，逐步進行布局。

截至2021年6月，神東礦區(qū)13座煤礦共建有地下水庫17個，儲水面積共1729.4萬m2，儲水量共1835.6萬m3。其中，采區(qū)式子水庫12個，儲水量1650.9萬m3，占比89.9%；工作面式子水庫5個，儲水量184.7m3，占比10.1%，神東礦區(qū)煤礦地下水庫統(tǒng)計見表1。

采區(qū)式子水庫具有儲水量大、調(diào)節(jié)水量彈性強等優(yōu)勢，具備煤礦地下水庫建設(shè)條件的礦井大部分均可建設(shè)采區(qū)式子水庫見表1，神東礦區(qū)大部分子水庫為采區(qū)式子水庫，采區(qū)式子水庫是分布式煤礦地下水庫設(shè)計的核心。

采區(qū)式子水庫的選址原則：

1)在初步設(shè)計已確定的采區(qū)劃分方案中選擇煤層底板標高相對較低的采區(qū)，并確定為首采采區(qū)，兼顧礦井初期井巷工程量，該采區(qū)不宜離井筒過遠。

2)采區(qū)內(nèi)底板隔水層厚度較厚，底板滲透性較差。

3)采區(qū)內(nèi)無與底板含水層溝通的導(dǎo)水構(gòu)造，無不良地質(zhì)構(gòu)造。

4)煤層厚度較厚，且厚度變化不大，煤層底板傾角較小，最好為單斜構(gòu)造，最高點和最低點有一定高差。

在子水庫實際選址過程中很難有采區(qū)能滿足以上全部條件，視具體情況進行綜合評價后選址。

表1 神東礦區(qū)煤礦地下水庫統(tǒng)計

2 采區(qū)式煤礦地下水庫設(shè)計體系

采區(qū)式煤礦地下水庫設(shè)計體系由采區(qū)水庫及巷道布置、壩體設(shè)計、水庫庫容計算、管路設(shè)計、相關(guān)硐室及設(shè)備布置和安全監(jiān)控系統(tǒng)等方面組成，采區(qū)式煤礦地下水庫設(shè)計體系如圖3所示。

圖3 采區(qū)式煤礦地下水庫設(shè)計體系

3 采區(qū)式子水庫設(shè)計研究

在《煤礦地下水庫建設(shè)適應(yīng)性條件及其設(shè)計體系》中對煤礦地下水庫設(shè)計體系中的煤柱壩體寬度計算、人工壩體結(jié)構(gòu)形式及厚度確定、壩體連接處掏槽參數(shù)、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等進行了詳細地闡述[8]，本文中不再贅述，以下根據(jù)不同開采方法重點闡述采區(qū)式煤礦地下水庫工作面布置、聯(lián)絡(luò)巷其管路布置、庫容計算、相關(guān)設(shè)備及硐室等設(shè)計。

我國目前常用的采煤方法中走向長壁采煤法、傾斜長壁采煤法、大采高一次采全厚、放頂煤長壁采煤法、水平分層采煤法等可以形成面積較大且規(guī)整的采空區(qū)，有利于井下儲水，適宜建設(shè)采區(qū)式煤礦地下水庫，以走向長壁和傾斜長壁采煤法為例進行分析。

3.1 走向長壁開采(上山)

走向長壁開采(上山)采區(qū)的工作面由低向高逐個開采，水庫聯(lián)絡(luò)巷盡量采用工作面聯(lián)絡(luò)巷，所有工作面回采完畢后在聯(lián)絡(luò)巷中均構(gòu)筑人工壩體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)密閉墻，隔絕采空區(qū)礦井水和有害氣體。所有人工壩體上布置應(yīng)力、應(yīng)變、防災(zāi)監(jiān)測設(shè)備，在最低處和關(guān)鍵位置人工壩體上布置水位監(jiān)測設(shè)備[9，10]。水庫注水口布置在底板標高最高工作面上側(cè)回風(fēng)巷道中的人工壩體上，出水口布置在底板標高最低工作面下側(cè)運輸巷道中的人工壩體上[11]。注水和出水管路通過聯(lián)絡(luò)巷延伸至輔助運輸上山中，注水管路應(yīng)計算水壓，在適當(dāng)位置布置加壓硐室。出水根據(jù)水質(zhì)情況，如采空區(qū)凈化程度較好，出水達標，可直接通向采區(qū)/礦井井底水倉[12，13]。如采空區(qū)凈化程度較差，可直接通向水處理硐室。走向長壁開采(上山)采區(qū)水庫布置方式如圖4所示。

圖4 走向長壁開采(上山)采區(qū)水庫布置

水庫庫容主要影響因素有工作面走向長度、傾向長度、水位高度和儲水系數(shù)等。庫容計算可采用以下公式[14-16]：

式中，V為儲水量，m3；h為煤礦地下水庫內(nèi)礦井水的水位，m；θ為煤層傾角，(°)；l為工作面走向長度，m；d為工作面傾向積水寬度，m；R0為隨時間和水位變化的儲水系數(shù)。

在整個注、出水管路在合適的位置安裝閥門、測壓儀、流量計等，對水流速度進行控制和監(jiān)測。注、出水管路的管徑考慮備品備件可與礦井設(shè)計中給排水管路選取一致，但也需進一步校核。

注、出水管路管徑可采用以下公式校核：

式中，d為管路內(nèi)徑，m；Q為通過管子的額定流量，m3/h；v為管路經(jīng)濟流速，一般注水管路為1.5～2.2m/s，出水管路為0.8～1.5m/s。

注、出水管路管壁厚度可采用以下公式校核：

式中，δ為管壁計算厚度，cm；p為計算管段的最大工作壓力，MPa；DW為管路外徑，cm；[σ]為管材的許用應(yīng)力，MPa；φ為管路焊接系數(shù)。

其他采區(qū)布置方式也可用式(2)、式(3)計算和校核注、出水管路管徑。

3.2 走向長壁開采(下山)采區(qū)水庫設(shè)計

走向長壁開采(下山)采區(qū)的工作面開采順序、聯(lián)絡(luò)巷和管路布置、壩體設(shè)計、安全監(jiān)測設(shè)備等與上山采區(qū)原則一致。區(qū)別在于注、出水管路與采區(qū)水倉的結(jié)合。由于下山采區(qū)必須在采區(qū)最低點布置采區(qū)水倉和水泵房，水庫可不用建設(shè)專門與其他子水庫調(diào)水的排水泵，可利用采區(qū)水泵。將出水管路直接延伸至采區(qū)沉淀池，根據(jù)預(yù)計的采空區(qū)凈化程度選擇性地建設(shè)采區(qū)水處理硐室。走向長壁開采(下山)采區(qū)水庫布置方式如圖5所示。

圖5 走向長壁開采(下山)采區(qū)水庫布置

3.3 傾斜長壁開采(俯采)采區(qū)水庫設(shè)計

傾斜長壁開采不同走向長壁開采，俯采時工作面聯(lián)絡(luò)巷均處于采區(qū)較低處，無法滿足將礦井水從采區(qū)最高處注入水庫的原則[17]。工作面由低向高逐個開采，在采區(qū)回采完畢前，在最高工作面的外側(cè)布置一條注水管路巷道，布置注水管路，注水口布置在采區(qū)最高點，并延伸至采空區(qū)內(nèi)。出水口布置在底板標高最低工作面的人工壩體上。在采區(qū)巷道靠近注水管路側(cè)輔助運輸巷或聯(lián)絡(luò)巷中布置加壓硐室，滿足礦井水注入采空區(qū)的最低水壓。俯采采區(qū)儲水需要注意的是終采線的確定不僅考慮采區(qū)巷道的保護煤柱，還要考慮煤柱承壓水和防滲透等因素，理論上煤柱寬度越寬，裂隙發(fā)育越少，防滲透效果越好，但也需要考慮煤柱損失和經(jīng)濟性。由此，煤柱壩體寬度仍需要理論計算、物理實驗、現(xiàn)場經(jīng)驗相結(jié)合的方法確定。而且由于所有人工壩體及其連接處均處在采區(qū)較低處，所受水壓較大，在構(gòu)筑人工壩體是需加強防滲方面施工工藝，且應(yīng)力、應(yīng)變、防災(zāi)監(jiān)測是水庫安全的重點。傾斜長壁開采(俯采)采區(qū)水庫布置方式如圖6所示。

圖6 傾斜長壁開采(俯采)采區(qū)水庫布置

3.4 傾斜長壁開采(仰采)采區(qū)水庫設(shè)計

仰采時工作面聯(lián)絡(luò)巷均處于采區(qū)較高處，無法滿足將礦井水從采區(qū)最低處導(dǎo)出水庫的原則[18]。工作面由低向高逐個開采，在首采面外側(cè)布置一條出水管路巷道，布置出水管路，出水口布置在采區(qū)最低點。在出水口附近布置加壓硐室，將礦井水加壓排至水倉或水處理硐室。傾斜長壁開采(仰采)采區(qū)水庫布置方式如圖7所示。

圖7 傾斜長壁開采(仰采)采區(qū)水庫布置

4 不同采煤方法子水庫優(yōu)缺點

神東礦區(qū)17個煤礦共有采區(qū)式子水庫12個，涵蓋了采用以上不同采煤方法形成的子水庫，見表2。其中上山開采5個、下山開采2個、俯采2個、仰采3個。不同采煤方法形成的子水庫均有優(yōu)缺點，不同采煤方法子水庫特點見表3。

從子水庫建設(shè)的新增巷道、設(shè)備及硐室、礦井水凈化效果、礦井巷道安全性、煤柱壩體和人工壩體構(gòu)筑難度、安全監(jiān)測設(shè)備投入、災(zāi)變危害嚴重程度等方面分析不同開采方式的子水庫特點。從投資方面分析，俯采和仰采采區(qū)需要新增注、出水管路巷道，俯采采區(qū)壩體構(gòu)筑和監(jiān)測設(shè)備投入較大，仰采采區(qū)投入較小。從安全角度分析，下山開采(配強排泵)和仰采安全性較高，一般情況下子水庫水位低于大巷標高，發(fā)生災(zāi)變時不會波及大巷及其他采區(qū)。

表2 神東礦區(qū)煤礦地下水庫采煤方法統(tǒng)計

綜上所述，結(jié)合投資和安全性考慮，仰采采區(qū)布置子水庫最佳，下山采區(qū)次之，上山采區(qū)可布置子水庫，俯采采區(qū)需謹慎布置子水庫。

表3 不同采煤方法子水庫特點

5 結(jié) 語

基于顧大釗院士提出的以“導(dǎo)儲用”為核心的煤礦地下水庫理論框架和技術(shù)體系，煤礦地下水庫在神東礦區(qū)已實踐多年，取得了良好的應(yīng)用效果，但推廣難度較大，主要原因是目前煤礦地下水庫未形成完善的設(shè)計、標準、規(guī)范體系。在神東礦井建設(shè)煤礦地下水庫的過程中往往處于邊回采、邊規(guī)劃、邊施工的狀態(tài)，出現(xiàn)煤柱壩體寬度不足、人工壩體滲水、未施工注出水管路巷道、凈化水效果不佳等問題。不同的采區(qū)布置方式引起礦井水流通路徑不同，其礦井水凈化效果不同，礦井水的凈化效果與采空區(qū)壓實度、頂板巖性、巖體破碎程度等均有關(guān)系，有待進一步研究。

富煤貧水的礦區(qū)建設(shè)時如在礦井可行性研究、初步設(shè)計階段對分布式煤礦地下水庫進行宏觀規(guī)劃，在采區(qū)設(shè)計和施工圖階段進行子水庫詳細設(shè)計，并與礦井設(shè)計做到同時施工和驗收，能極大發(fā)揮煤礦地下水庫的作用，有效兼顧投資和安全性，減少外排帶來環(huán)保和礦井水蒸發(fā)損失的問題。

隨著煤礦地下水庫設(shè)計體系的完善，相關(guān)的標準和規(guī)范逐步發(fā)布及應(yīng)用，在富煤貧水的地區(qū)新建礦井前可先行分析分布式煤礦地下水庫建設(shè)的必要性，隨礦井設(shè)計同步開展其設(shè)計，能夠使更多礦井更加科學(xué)地建設(shè)分布式煤礦地下水庫，從而使其有更廣闊的應(yīng)用前景，為煤炭行業(yè)在綠色、環(huán)保、生態(tài)等方面發(fā)揮更大作用。