涌水采區(qū)煤巷內(nèi)疏水系統(tǒng)的應(yīng)用研究

劉書杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

隨著開采深度、開采速度、開采規(guī)模的不斷擴大，煤礦巷道突水問題日益加劇。煤礦突水不僅造成煤礦企業(yè)的經(jīng)濟損失，同時對井下施工人員的安全生產(chǎn)具有很大的威脅。因此，應(yīng)該把煤礦巷道中的水害控制在局部范圍內(nèi)，再利用“疏導(dǎo)+利用”的綜合技術(shù)手段，降低巷道內(nèi)水害的不利影響，減少生命財產(chǎn)的損失。

本文以開灤(集團)有限責任公司林南倉礦2123工作面為背景，利用理論分析與解析計算的手段，針對突水采區(qū)巷道工作面的特點，研究應(yīng)用地下水疏水系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 工程背景

2123工作面位于林南倉礦二水平西一采區(qū)，主采煤層為煤12煤層。2123工作面回風巷施工57 m，前12.6 m巷道標高-478.8 m。當工作面回風巷施工到27 m位置時，上方頂板淋水逐步加大，時測涌水量為0.5 m3/min；工作面回風巷繼續(xù)掘進過程中，出水點涌水量增大到0.8 m3/min，出水點移至掘進頭上頂偏左位置，涌水量逐步增大，最終穩(wěn)定在2.0 m3/min。

2123工作面同層北部為西一采區(qū)1129工作面，距2123回風巷140 m左右，該工作面掘進中最大涌水量為0.35 m3/min，回采最大涌水量為0.2 m3/min，目前該工作面運輸巷老空區(qū)往外出水量為0.01 m3/min。1129工作面上層北部為西一采區(qū)1119工作面，該工作面掘進中最大涌水量為0.1 m3/min，回采中基本無水。2123工作面同層北部為2121工作面，目前該工作面運輸巷已有淋水現(xiàn)象，且水質(zhì)化驗結(jié)果與2123工作面回風巷出水相同。

在2123工作面巷道圍巖內(nèi)施工鉆孔進行探查，其中：1#鉆孔方位是N298°∠+1°，終孔深度為93.5 m，孔內(nèi)無水；2#鉆孔方位是N265°∠+6°，終孔深度為59.2 m，孔內(nèi)0～51.3 m為煤12煤層，51.3～59.2 m為煤12煤層頂板粉砂巖。2#鉆孔內(nèi)，在54.5 m位置見水，57.4 m位置涌水量變大，59.2 m位置水量增大到2.4 m3/min，同時發(fā)生頂鉆現(xiàn)象。目前，涌水量維持在1.5 m3/min。

2 涌水煤巷疏水系統(tǒng)分析

根據(jù)2123工作面回風巷涌水的水質(zhì)檢驗結(jié)果及出水層位分析，基本判定涌水水源為煤12煤層-煤14煤層砂巖含水層，該含水層水位標高約為-33.68～-63.39 m。巷道涌水由裂隙導(dǎo)通上部含水層造成，具有以下特點：

(1)涌水量很大，水量大小經(jīng)過初期的波動后，逐步穩(wěn)定在3.5 m3/min，裂隙導(dǎo)水通道對巷道形成了持續(xù)穩(wěn)定的水源補給。

(2)涌水的水壓較高，經(jīng)過現(xiàn)場實測，水壓達到3 MPa。

(3)涌水的水質(zhì)經(jīng)過化驗，水中不含重金屬及其他有害的稀有元素，水質(zhì)清澈且無異味，符合生產(chǎn)用水的標準。

鑒于以上巷道涌水的特點，考慮到地下水資源回收再利用的目的，通過“局部封閉+管路疏導(dǎo)”的設(shè)計思路，實現(xiàn)巷道涌水與礦山廢水分別管理，從而變害為寶。因此，把巷道涌水分為有壓水和無壓水兩種。有壓水是指鉆孔中涌出的地下水，水壓達到3 MPa，水量為1.5 m3/min，可以排泄到-400 m 水平的水倉；無壓水是指巷道圍巖中的突水點涌出的地下水積聚在巷道內(nèi)，對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生了危害，水量為2 m3/min，可以封閉巷道，把地下水疏導(dǎo)到排水系統(tǒng)。

2.1 有壓水疏導(dǎo)系統(tǒng)

2#鉆孔的水壓力測試值為3 MPa，涌水流量為1.5 m3/min，當按預(yù)定介質(zhì)流速來確定管徑時，采用以下公式選擇管徑：

D=18.81×V00.5×u-0.5

(1)

式中：D——管道內(nèi)徑，m；

V0——管內(nèi)介質(zhì)的體積流量，m3/s；

u——介質(zhì)在管內(nèi)的平均流速，m/s。

當水壓力P=3 MPa時，管內(nèi)水的體積流量V0=90 m3/s，管內(nèi)水的平均流速u=3 m/s，根據(jù)式(1)計算得出管道內(nèi)徑D=103 mm。從安全角度出發(fā)，實際輸水管內(nèi)徑應(yīng)該大于103 mm，管道內(nèi)徑取值108 mm，因此，設(shè)計選取?124 mm×8 mm無縫鋼管(20#鋼材)作為輸水管。

有壓水在管路中基本是滿管流動，沿著管路會產(chǎn)生沿程水頭損失hf。為了計算管路沿程水頭損失hf，必須先判斷管路內(nèi)水流的流動狀態(tài)，因此，采用雷諾系數(shù)Re進行判斷，見公式(2)。

(2)

式中：Re——雷諾系數(shù)；

q——流量，m3/min；

v——運動粘滯系數(shù)，m2/s。

輸水管內(nèi)徑D為108 mm，水流量q為1.5 m3/min，常溫下水的運動粘滯系數(shù)v為1×10-6m2/s，雷諾系數(shù)Re為2.9×105，遠大于2000，有壓水流在輸送管路中呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，因此，采用圓管液流沿程水頭損失的達西公式：

(3)

式中：L——管路長度，m。

輸水管內(nèi)徑D為108 mm，管路長度L為2000 m，水流量q為1.5 m3/min，常溫下水的運動粘滯系數(shù)v=1×10-6m2/s，管路的局部水頭損失很小，相對沿程水頭損失來說，可以忽略不計，按照公式(3)進行計算，管路沿程水頭損失hf為95 m，且水倉的相對高程為80 m，因此，水如果疏導(dǎo)到水倉需要的水頭高度應(yīng)大于175 m，即水力壓力應(yīng)大于1.75 MPa，鉆孔涌出地下水的水壓是3 MPa，完全滿足水流的動力要求。

(4)

式中：P——鋼管可承受的壓力，MPa；

σ——鋼管抗拉強度，MPa；

S——安全系數(shù)；

δ——鋼管壁厚，m；

D外——鋼管外徑，m。

根據(jù)上述公式驗算，材質(zhì)為20#鋼的124 mm×8 mm無縫鋼管的可承受最大水壓力為6.2 MPa，能夠滿足水壓力3 MPa的技術(shù)要求。

2.2 無壓水疏導(dǎo)系統(tǒng)

地下水從2123工作面回風巷圍巖中涌出后，會在巷道內(nèi)形成積水，如果涌水量達到2 m3/min，需要在回風巷入口處建造水閘墻進行局部封閉，且必須安裝泄水管。水閘墻根據(jù)以下公式進行設(shè)計：

式中：L密——混凝土密閉體一段長度，m；

B——背水端硐室最大凈寬，m；

n——密閉體段數(shù)；

R——混凝土設(shè)計軸心抗壓強度，MPa；

m——安全系數(shù)；

p——硐室設(shè)計抗水壓力，MPa；

α——密閉體斜面與巷道中心線夾角，(°)；

b——密閉體楔形體深度，m。

背水端硐室最大凈寬B=4.58 m，密閉體段數(shù)n=3，C25混凝土設(shè)計軸心抗壓強度R=11.9 MPa，安全系數(shù)1.2，硐室設(shè)計抗水壓力p=4 MPa，密閉體斜面與巷道中心線夾角α=5°，按照式(5)計算，水閘墻混凝土密閉體長度L密≥7.6 m?？紤]到水閘墻的經(jīng)濟性及施工難度，水閘墻混凝土密閉體長度L密取值7.6 m，按照式(6)計算，水閘墻墻體厚度嵌入圍巖深度b≥0.7 m。2123工作面回風巷兩幫的煤巖壁與水閘墻體容易密封，而回風巷頂?shù)装鍘r體與水閘墻的密封難度大。因此，墻體嵌入煤巖壁頂?shù)装迳疃?.7 m，嵌入煤巖壁兩幫深度1.0 m。

泄水管管徑d根據(jù)水管的最大流量確定，按照下述公式進行泄水管直徑選擇：

式中：Q′——通過硐室的最大計算流量，m3/s;

η——富裕系數(shù)，取1.2；

Q——通過硐室的最大實際流量，m3/s；

A——泄水管斷面積，m2；

V——流速，m/s；

C——流速系數(shù)；

y——指數(shù)；

n——水管粗糙度，取0.012；

R——水力半徑，m，本文取0.25d；

i——管路坡度，取0.01；

d——泄水管直徑，m。

根據(jù)上述公式，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，按照d取值由0.17～0.22 m按0.010 m的級差進行計算，結(jié)果如表1所示。

按照表1計算結(jié)果，泄水管管徑d≥0.19 m就能滿足技術(shù)要求。因此，泄水管應(yīng)選取內(nèi)徑?212 mm的無縫鋼管。

管壁厚度δ根據(jù)輸水管開啟時管路的排水能力及水壓力進行計算：

(13)

式中：dΔ——鋼管附加厚度，mm；

R2——鋼管許用壓力，MPa。

經(jīng)過計算得出管壁厚度δ≥6.7 mm。從安全方面考慮，本設(shè)計選用壁厚10 mm的無縫鋼管。根據(jù)無縫鋼管標準，擬選用的鋼管規(guī)格為?232 mm×10 mm，材質(zhì)為20#鋼材?，F(xiàn)根據(jù)輸水管承受的水壓力公式(4)進行驗算。根據(jù)公式(4)進行管路承壓驗算，材質(zhì)為20#鋼的?232 mm×10 mm無縫鋼管的可承受最大水壓力為4.42 MPa，能夠滿足水壓力3 MPa的技術(shù)要求。

因此，通過以上分析巷道內(nèi)的疏水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。2123工作面回風巷疏水系統(tǒng)由局部密閉和管路疏導(dǎo)兩部分組成，局部密閉以建造水閘墻為主，管路輸導(dǎo)以水源的回收利用為主。水閘墻位于2#鉆孔鉆窩處，水閘墻墻體厚度7.6 m，墻體嵌入煤巖壁頂?shù)装迳疃?.7 m，嵌入煤巖壁兩幫深度1.0 m，分為三段進行施工，一段擋墻與鉆窩整體澆筑，三段擋墻獨立澆筑，擋墻之間密實填充矸石及塊石，選用C25混凝土。2#鉆孔涌出的地下水水壓達到3 MPa，水量為1.5 m3/min，經(jīng)過研究分析，可以自壓排泄到-400 m水平的水倉；回風巷圍巖中的突水點涌出的地下水水量為2 m3/min，可以封閉在巷道中，把地下水疏導(dǎo)到排水系統(tǒng)。輸水管路選用?232 mm×10 mm無縫鋼管，材質(zhì)為20#鋼。

表1 泄水管直徑計算表

圖1 疏水系統(tǒng)平面布置圖

3 結(jié)論

(1)2123工作面巷道涌水分為兩種形式，一種是鉆孔涌出的有壓地下水，另一種是巷道圍巖涌出的無壓地下水，因此，兩種不同形式產(chǎn)生的巷道涌水需要采用不同方式進行疏導(dǎo)。為了確保工作面的安全生產(chǎn)，采取了“局部封閉+疏導(dǎo)利用”的綜合設(shè)計方案。

(2)鉆孔內(nèi)的有壓地下水壓力達到3 MPa，水流持續(xù)而穩(wěn)定，通過水力學(xué)的解析分析，管路的沿程水頭損失為95 m，高程差80 m，因此，利用有壓地下水的水力勢能，通過安設(shè)管路就能自流疏導(dǎo)到-400 m水倉，實現(xiàn)水資源的回收利用。

(3)2123工作面的局部封閉采用水閘墻的設(shè)計方式，水閘墻的迎水面設(shè)計水壓力3 MPa，水閘墻形成的封閉空間不能處于滿水狀態(tài)，水閘墻管路應(yīng)處于開啟狀態(tài)，避免水閘墻密閉空間地下水憋壓，確保巷道內(nèi)煤巖壁的穩(wěn)定性。

(4)2123工作面疏水系統(tǒng)設(shè)計主要從地下水源的特點出發(fā)，因地制宜地采取分類處理的方法，利用水力學(xué)的理論分析及解析計算，把高壓地下水和巷道分散涌水綜合考慮，合理優(yōu)化地選取密閉水閘墻及輸水管路的技術(shù)參數(shù)。

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