防水密閉墻安全性的研究及應(yīng)用

陳團(tuán)團(tuán)

(中煤科工集團(tuán) 武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

目前，傳統(tǒng)的礦井水處理方法是將礦井水由井下水倉排至地表，通過設(shè)置在地面的調(diào)節(jié)池以及礦井水處理站進(jìn)行處理，達(dá)到水質(zhì)復(fù)用要求后，一部分在地面利用，另一部分返回到井下再利用。該種模式存在基建投資大、礦井水提升運(yùn)行費(fèi)用高、占地面積大等缺點(diǎn)。

為解決傳統(tǒng)模式礦井水復(fù)用存在的諸多弊端，西部某大型礦區(qū)某礦井，通過設(shè)置防水密閉墻，將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井水注入采空區(qū)進(jìn)行沉淀、過濾、儲(chǔ)存，在充分利用地下開采空間的條件下，有效挖掘礦井內(nèi)水處理的潛能，實(shí)現(xiàn)礦井水的凈化、過濾、吸附、存儲(chǔ)，使礦井水可作為礦區(qū)生產(chǎn)、生活水源。該方法在有效解決礦區(qū)供水和污水外排問題的同時(shí)，要確保不對(duì)采區(qū)正常生產(chǎn)造成影響。因此，墻體的可靠性及承壓能力對(duì)礦井采區(qū)的安全開采、儲(chǔ)水采空區(qū)的穩(wěn)定儲(chǔ)水起到了重要的作用。

1 防水密閉墻安全性研究

1.1 模型的建立

1)采空區(qū)側(cè)儲(chǔ)水將水壓力作用在防水密閉墻主體受力結(jié)構(gòu)上，主體受力結(jié)構(gòu)通過墻體將作用力傳遞給嵌入圍巖的墻體及圍巖，該作用區(qū)域沿巷道軸線方向主要承受的作用力為壓應(yīng)力，主體受力結(jié)構(gòu)墻體強(qiáng)度應(yīng)大于采空區(qū)水壓力。

2)當(dāng)密閉墻四周被圍巖固定時(shí)，沿巷道軸線方向，作用在密閉墻主體受力結(jié)構(gòu)上的作用力主要為剪切應(yīng)力，密閉墻主體受力結(jié)構(gòu)或圍巖抗剪強(qiáng)度應(yīng)大于采空區(qū)水壓力。防水密閉墻受力結(jié)構(gòu)圖見圖1.

圖1 防水密閉墻受力結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 影響因素分析

影響井下采空區(qū)儲(chǔ)水復(fù)用區(qū)礦井水處理安全性的因素很多，包括防水密閉墻墻體結(jié)構(gòu)、圍巖條件、煤柱留設(shè)、水頭高度、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等，通過對(duì)各因素進(jìn)行分析，確定其影響程度。

1)防水密閉墻結(jié)構(gòu)。

防水密閉墻硐室結(jié)構(gòu)主要指墻體形式、墻體與圍巖之間的有機(jī)組合，包括墻體的尺寸、嵌入圍巖的深度、材料、預(yù)埋管路、圍巖強(qiáng)度等。常用的井下防水密閉墻結(jié)構(gòu)見圖2，3.

圖2 平板式防水密閉墻平面圖

圖3 平板式防水密閉墻剖面圖

防水密閉墻主要用于礦井水復(fù)用，設(shè)置在采空區(qū)儲(chǔ)水復(fù)用區(qū)與正常生產(chǎn)采區(qū)之間的相關(guān)巷道內(nèi)。其主要承受的是緩慢注入采空區(qū)的靜水壓力，對(duì)于采空區(qū)內(nèi)儲(chǔ)水高度達(dá)到50 m 水頭，墻體承受的水壓為0.5 MPa，單結(jié)構(gòu)素混凝土防水密閉墻本身強(qiáng)度較大，采空區(qū)水體作用在整個(gè)防水密閉墻上的抗壓及抗剪強(qiáng)度將在墻體主體受力結(jié)構(gòu)的承受范圍內(nèi)，在水壓較小的條件下能夠滿足安全條件的要求。

影響井下密閉墻及硐室可靠性的主要因素除了墻體自身的強(qiáng)度外，還與墻體周邊圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)、水體性質(zhì)及壓力大小、防水煤(巖)柱留設(shè)尺寸、墻體施工質(zhì)量及維護(hù)情況等因素有關(guān)。

2)圍巖條件。

井下防水密閉墻硐室作為一個(gè)由密閉墻及圍巖形成的整體，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性取決于兩者的有機(jī)統(tǒng)一體。防水密閉墻一般設(shè)置在采空區(qū)煤層巷道中，由于煤層強(qiáng)度較低、裂隙發(fā)育，它是整個(gè)系統(tǒng)的薄弱因素，應(yīng)根據(jù)其強(qiáng)度、完整性及裂隙發(fā)育程度確定墻體的相關(guān)參數(shù)。

參照防水閘墻計(jì)算公式，計(jì)算防水密閉墻尺寸參數(shù)，計(jì)算公式如下:

a)按圍巖抗壓條件計(jì)算硐室嵌入圍巖的砌體所需深度E:

式中:

P—防水密閉墻承受的安全水壓，MPa;

γ0—結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);

γc—掏槽施工對(duì)圍巖的影響系數(shù);

S1—墻體迎水端受水壓作用總面積，m2;

S2—墻體與圍巖作用的承壓面積，m2;

R—巖體抗壓強(qiáng)度，MPa.

式中:

Rc—巖石抗壓強(qiáng)度，MPa;

ξa—巖體裂隙系數(shù)，取值見表1.

表1 巖體裂隙系數(shù)表

b)按圍巖抗剪條件計(jì)算硐室墻體主體受力結(jié)構(gòu)厚度L:

式中:

τ—巖體允許抗剪強(qiáng)度，MPa;

S3—巖體承受剪切面積，m2;

其它公式及參數(shù)同式(1).

根據(jù)墻體圍巖強(qiáng)度確定的防水密閉墻尺寸參數(shù)，其與圍巖形成有機(jī)整體，共同抵抗采空區(qū)內(nèi)水壓作用，若墻體布置在節(jié)理、裂隙、巖溶較發(fā)育的巖層和斷層破碎帶時(shí)，應(yīng)對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固。

3)儲(chǔ)水區(qū)煤柱留設(shè)。

墻體所布置的巷道兩側(cè)應(yīng)留設(shè)符合要求的安全煤柱，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》關(guān)于防水煤柱尺寸的內(nèi)容中“關(guān)于含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲?巖)柱的留設(shè)”計(jì)算煤柱寬度，儲(chǔ)水區(qū)防水煤柱物理模型近似為煤層直接與含水層相接觸，可參照下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中:

L—煤柱留設(shè)的寬度，m;

K—安全系數(shù)，一般取2 ～5，建議取5;

M—煤層厚度或采高，m;

p—水壓，MPa;

Kp—煤的抗拉強(qiáng)度。

4)儲(chǔ)水區(qū)水頭高度。

防水密閉墻及硐室能承受的安全水頭高度，應(yīng)結(jié)合礦井水及生產(chǎn)生活需水量要求，根據(jù)圍巖的強(qiáng)度確定，只有水頭在圍巖強(qiáng)度能夠承受的安全水頭高度范圍內(nèi)，才能確保采空區(qū)儲(chǔ)水復(fù)用區(qū)的安全可靠進(jìn)行，不對(duì)生產(chǎn)采區(qū)造成不利影響。

5)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

為確保采空區(qū)儲(chǔ)水復(fù)用區(qū)內(nèi)的水頭高度處于墻體圍巖強(qiáng)度所能承受的安全水頭高度范圍之內(nèi)，同時(shí)對(duì)采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體進(jìn)行監(jiān)控，應(yīng)在墻體上增加氣體檢測(cè)管、排水管、注水管及壓力表等設(shè)備設(shè)施，時(shí)刻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采空區(qū)水體的水位、水壓及氣體狀態(tài)，嚴(yán)格控制水位，合理控制注排量，嚴(yán)禁井下水位超限。

a)氣體檢測(cè)管設(shè)備設(shè)施。

氣體檢測(cè)管路用于檢測(cè)采空區(qū)內(nèi)部的氣體成分與壓力，宜采用d34 mm ×3.0 mm 無縫鋼管，每趟配備DN25 PN1.0 MPa 閘閥1 個(gè)。

b)排水管設(shè)備設(shè)施。

采空區(qū)儲(chǔ)水區(qū)排水管路宜采用d168 mm ×5.0 mm、d219 mm×7.0 mm、d273 mm×8.0 mm 無縫鋼管或復(fù)合鋼管，管路數(shù)量及直徑根據(jù)采區(qū)排水量確定，排水管路上配備1 個(gè)與管路相匹配的壓力等級(jí)為PN1.0 MPa 閘閥。

同一排水系統(tǒng)的排水管路中，在其中1 趟管路配備壓力、流量?jī)x器儀表，壓力及流量表配備見表2.

表2 壓力、流量?jī)x器儀表配備表

c)注水管設(shè)備設(shè)施。

井下采空區(qū)儲(chǔ)水區(qū)注水管宜采用d168 mm ×5.0 mm、d219 mm×7.0 mm、d273 mm×8.0 mm 的無縫鋼管或復(fù)合鋼管，管路數(shù)量及直徑根據(jù)采區(qū)注水量確定，各趟注水管路上配備1 個(gè)與管路直徑及注水壓力等級(jí)相匹配的止回閥。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及應(yīng)用前景

某西部礦井水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，在工作面已回采穩(wěn)定的2－2煤采空區(qū)最低處，選擇3 個(gè)工作面進(jìn)行礦井水井下再處理，最大積水深度9.0 m，積水總面積81.0 萬m2，積水量約76.3 萬m3，墻體承受的最大水壓0.065 MPa.

各防水密閉墻設(shè)置在回采巷道及大巷聯(lián)巷中，各密閉墻結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3，具體設(shè)置位置見圖4. 圖4 中陰影部分為儲(chǔ)存在采空區(qū)內(nèi)的礦井水，由于各工作面采空區(qū)為單獨(dú)設(shè)置的礦井水復(fù)用區(qū)，在各工作面采空區(qū)周邊均設(shè)置有防水安全煤柱，根據(jù)墻體及煤層參數(shù)，計(jì)算確定各工作面可承受的安全水頭高度見表4.由于各工作面采空區(qū)水位線只在采空區(qū)沿“三帶”高度方向分布，在相關(guān)墻體上設(shè)置監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)采空區(qū)水位及氣體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制各采空區(qū)的積水高度，確保墻體及圍巖安全，在保證礦井安全生產(chǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)礦井水供排結(jié)合。

圖4 礦井水井下再利用具體設(shè)置位置平面圖

根據(jù)實(shí)際，每年該礦通過井下礦井水再利用，節(jié)約污水處理費(fèi)208.3 萬元，節(jié)約水費(fèi)627.0 萬元，節(jié)約排污費(fèi)10.0 萬元，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)845.3 萬元。在解決礦井水資源再利用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了一定的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

表3 墻體參數(shù)表

表4 安全水頭高度計(jì)算表

該項(xiàng)技術(shù)在西部某大型礦區(qū)多對(duì)礦井得到成功應(yīng)用，對(duì)其他存在礦井水供排矛盾的煤炭基地及礦區(qū)具有良好的示范作用。

3 結(jié) 論

1)防水密閉墻主要用于礦井水復(fù)用，其主要承受的是緩慢注入采空區(qū)的靜水壓力，而非瞬間突水造成的集中水壓，作用在整個(gè)防水密閉墻的抗壓及抗剪強(qiáng)度將在其主體受力結(jié)構(gòu)的承受范圍內(nèi)。

2)井下防水密閉墻硐室作為一個(gè)由密閉墻及圍巖形成的整體，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性將取決于兩者的有機(jī)統(tǒng)一體，圍巖強(qiáng)度、完整性及裂縫發(fā)育程度是影響墻體儲(chǔ)水復(fù)用安全進(jìn)行的關(guān)鍵因素，也是確定墻體參數(shù)及安全儲(chǔ)水水頭高度的重要參數(shù)。

3)防水密閉墻可結(jié)合礦井一通三防的功能要求，在單結(jié)構(gòu)防水密閉墻基礎(chǔ)上，建成復(fù)合多層結(jié)構(gòu)墻體。

［1］ 李福勤，何緒文，呂曉龍，等.煤礦礦井水井下處理新技術(shù)及工程應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(1):117－120.

［2］ 陳蘇社，鞠金峰.大柳塔煤礦礦井水資源化利用技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(2):125－128.

［3］ 神華集團(tuán)有限責(zé)任公司.煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法:02129397［P］.2005－10－05.