煤礦地下水庫建設(shè)需注意的關(guān)鍵技術(shù)問題

陳蘇社

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

大柳塔煤礦是國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司的特大型骨干礦井，建設(shè)和發(fā)展30多年來，十分重視礦井開采過程中的生態(tài)保護(hù)，尤其是在綠色開采方面，樹立建設(shè)“煤水共采型礦井”的思想，始終堅(jiān)持“黑色烏金，綠色開發(fā)”的理念，在觀念上實(shí)現(xiàn)了從“節(jié)能減排”向“低碳微排”轉(zhuǎn)變，從“礦井水害”向“礦井水利”轉(zhuǎn)變。大柳塔煤礦高度重視煤炭開采過程中對礦井水資源的保護(hù)，充分發(fā)揮利用“水往低處流”的自然規(guī)律，首次在井下大膽建設(shè)了地下水庫，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)施工了安全可靠的地下水庫“丁”字型人工壩體，并將井下污水全部回灌到采空區(qū)進(jìn)行自然凈化儲存利用，實(shí)現(xiàn)污水近零升井；同時(shí)，首次成功施工了155 m的大垂深垂直鉆孔，并利用“連通器”原理，盡可能地實(shí)現(xiàn)“自然壓差供水”，合理高效循環(huán)利用，節(jié)省了能源，保護(hù)了水資源，保護(hù)了環(huán)境，保證了礦井安全，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前該技術(shù)已在國家能源集團(tuán)內(nèi)部礦井全面推廣，在國內(nèi)其它礦井也在逐步推廣。煤礦地下水庫在建設(shè)過程中有一些需要特別注意的關(guān)鍵技術(shù)問題，如果這些技術(shù)問題處理不好，就可能影響地下水庫的建設(shè)質(zhì)量，甚至導(dǎo)致地下水庫建設(shè)失敗，根據(jù)井下現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文就對煤礦地下水庫建設(shè)過程中需要注意的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討和介紹。

1 煤礦地下水庫建設(shè)條件及規(guī)劃

1.1 煤礦地下水庫建設(shè)條件

煤炭開采后，在不同開采水平形成了大量的采空區(qū)，隨著開采對上覆巖層擾動(dòng)的結(jié)束，采空區(qū)趨于穩(wěn)定，形成了較大的空隙空間，由于地板的不透水性，為礦井水存儲提供了空間條件。煤礦地下水庫是對開采形成的采空區(qū)加以改造形成地下儲水空間，將同一水平、不同水平，甚至礦區(qū)的多個(gè)煤礦地下水庫通過人工通道進(jìn)行連通，根據(jù)采煤生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃，對礦井水進(jìn)行分時(shí)分地儲存，在地面建設(shè)相應(yīng)的抽采與回灌工程，實(shí)現(xiàn)礦井水的抽采利用與回灌儲存，形成煤礦地下水庫，建設(shè)煤礦地下水庫關(guān)鍵要考慮兩個(gè)方面的因素，一是需要有足夠的地下儲水空間；二是需要有充足的水源。除此之外，還要考慮礦井所在地區(qū)的生態(tài)條件和水庫的可持續(xù)應(yīng)用條件等。

水資源保護(hù)：礦井位于水資源比較缺乏或者嚴(yán)重缺乏的地區(qū)，運(yùn)用地下水庫技術(shù)對于水資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的意義重大。

采煤方法：礦井采用全部垮落法管理頂板[1]。由于地下水庫的核心原理是利用采空區(qū)矸石對礦井水進(jìn)行過濾和利用采空區(qū)矸石縫隙對礦井水進(jìn)行儲存，因此工作面頂板必須采用全部垮落法進(jìn)行管理，采用房柱式開采或者頂板不是采用全部垮落法管理的礦井不適合建設(shè)地下水庫。

煤層傾角：煤層傾角不宜過大，最適宜建設(shè)地下水庫的煤層傾角為2°～8°，傾角越小越有利于建設(shè)地下水庫。近水平煤層建設(shè)水庫儲水能力較大，傾斜煤層也可建設(shè)地下水庫，但其儲水能力相對較小，如要提高儲水能力，則需建設(shè)階梯水庫。

煤的硬度：煤的硬度比較大的煤層。一般普氏系數(shù)大于2比較好，煤層硬度越大壩體強(qiáng)度越高，水庫安全性越好。

水文地質(zhì)條件：礦井水文地質(zhì)條件一般為中等及中等以下，但礦井涌水量不能太小，更不能為零。涌水量太大的礦井，水庫容易很快注滿，滿了就注不進(jìn)去了，就無法實(shí)現(xiàn)水循環(huán)利用。同時(shí)如果礦井涌水量太小或者為零，就沒有水源，就不能形成地下水庫。比如錦界煤礦水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型礦井，礦井涌水量為3 000～5 000 m3/h，地下水庫難以全部存下礦井涌水，但可以采用小部分利用、大部分外排的方式[2]。

無壓茬問題：規(guī)劃建設(shè)地下水庫的采空區(qū)區(qū)域按照礦井采掘接續(xù)計(jì)劃在一定時(shí)間之內(nèi)與下部未采煤層不得存在壓茬問題，不得影響下部煤層的安全開采。既要保證地下水庫具有一定的服務(wù)年限，又要保證下部煤層的安全開采。在開采水庫下方煤層之前，必須將上部全部水體提前轉(zhuǎn)移到下層煤水庫[3]。

人工壩體：人工壩體的施工質(zhì)量要有保證，要能滿足地下水庫的安全需要，安全系數(shù)一般要大于3。

1.2 煤礦地下水庫的規(guī)劃和準(zhǔn)備

煤礦建設(shè)地下水庫不是想建就能立即建成的，需要提前進(jìn)行系統(tǒng)性地規(guī)劃，充分結(jié)合煤層賦存特點(diǎn)和礦井中長期采掘接續(xù)計(jì)劃，做大量的準(zhǔn)備工作[4]。

水庫位置：建設(shè)地下水庫前，首先要仔細(xì)研究井田內(nèi)煤層的賦存特點(diǎn)，弄清煤層的起伏和底板高程情況，找出適合建設(shè)地下水庫的相對低凹區(qū)域，選擇地下水庫的合理位置。

規(guī)劃設(shè)計(jì)：編制盤區(qū)接續(xù)時(shí)，要提前總體規(guī)劃、總體設(shè)計(jì)，首采區(qū)盡可能選在低凹區(qū)域，以便于能早日形成水庫，早日投入使用，盤區(qū)各工作面開采順序應(yīng)由低向高逐漸開采。

煤層群開采：煤層群開采時(shí)水庫選址要結(jié)合中長期采掘接續(xù)計(jì)劃，合理進(jìn)行規(guī)劃選址，水庫下方煤炭資源盡可能安排在后期開采，能夠盡可能延長水庫服務(wù)期限。

實(shí)施步驟：地下水庫的設(shè)計(jì)建設(shè)應(yīng)與采掘活動(dòng)同步進(jìn)行，提前研究，提前規(guī)劃，提前設(shè)計(jì)，分步、分階段實(shí)施。采煤的過程就是建設(shè)地下水庫的過程。

聯(lián)巷密閉：在擬建水庫的區(qū)域，綜采面回采期間封閉采空區(qū)施工順槽聯(lián)巷密閉時(shí)，應(yīng)在所有低凹處的聯(lián)巷密閉底部增加返水管，以保證未來水庫水源暢通，避免形成階梯水庫，不利于水資源的合理高效利用，故回采的過程也就是建庫的過程。

工程實(shí)例：以大柳塔礦井地下水庫建設(shè)為例，該礦井共有兩個(gè)開采水平，分別為一水平2-2煤和二水平5-2煤，地下水庫就建設(shè)在一水平2-2煤層，如圖1所示。為了盡量延長地下水庫的服務(wù)期限，在開采5-2煤時(shí)將一水平地下水庫對應(yīng)的四盤區(qū)規(guī)劃在各盤區(qū)的最后開采，二水平5-2煤盤區(qū)開采順序?yàn)椋喝P區(qū)→五盤區(qū)→六盤區(qū)→一盤區(qū)→二盤區(qū)→四盤區(qū)。

圖1 大柳塔井一水平2-2煤地下水庫與二水平5-2煤各盤區(qū)位置關(guān)系

為了建設(shè)地下水庫水循環(huán)利用系統(tǒng)，在施工5-2煤3條大巷時(shí)，就同步施工了地下水庫的水循環(huán)利用硐室，如圖2所示。

圖2 大柳塔井5-2煤1號水循環(huán)利用硐室示意圖

大柳塔礦井目前正在建設(shè)的5-2煤地下水庫也是提前10年就進(jìn)行了規(guī)劃，將地下水庫選址在兩條落差約為26 m的地塹位置，即52503綜采面采空區(qū)區(qū)域，如圖3所示。該地下水庫用到的取水泵房和取水硐室在掘進(jìn)施工52503工作面順槽時(shí)就一并掘出來，等52503綜采面采完后，這些硐室就可以直接投入地下水庫建設(shè)使用。如果建設(shè)地下水庫需要的硐室不在工作面掘進(jìn)時(shí)一并施工出來，等到后期再調(diào)隊(duì)伍掘進(jìn)，就十分困難，要做大量的重復(fù)性的工作，甚至有可能根本不再具備施工條件。

圖3 大柳塔井5-2煤地下水庫規(guī)劃圖

2 地下水庫位置與施工技術(shù)

2.1 地下水庫位置的確定

在考慮地下水庫的選址時(shí)既要考慮其安全性，又要考慮礦井水有足夠的凈化距離，保證凈化效果。

空間區(qū)域：在礦井地下空間勘察基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)等，確定分布式地下水庫的空間位置。地下水庫應(yīng)建設(shè)在地質(zhì)條件好、安全性高、工程費(fèi)用低的區(qū)域。選取的原則是：首先根據(jù)構(gòu)造分布，選取構(gòu)造較少的區(qū)域；其次根據(jù)地層，選取地層標(biāo)高較低的區(qū)域[5-7]。

自流特性：充分研究利用“水往低處流”的自然規(guī)律，盡可能發(fā)揮自然壓差的優(yōu)勢，自流能夠滿足要求的地方，堅(jiān)決不用泵排，泵排既不可靠，又不節(jié)能[8-9]。

凈化距離：采空區(qū)注水要選擇水庫底板地勢較高的地方注入，要有一定的凈化距離，一般在1 000 m以上，最少不低于500 m，凈化距離越大越好，以防污染清水水質(zhì)。

自動(dòng)排水：注水盡量采用自動(dòng)排水泵，這樣沒有水時(shí)就能自動(dòng)停泵，既保護(hù)了水泵，又節(jié)省了電能和費(fèi)用。

預(yù)留管路：現(xiàn)場注水條件凈化距離不能滿足水質(zhì)凈化的要求時(shí)，可考慮采用在回采時(shí)預(yù)留注水管路、增加凈化距離的方法。

盤區(qū)布局：在礦井分布式地下水庫空間位置選取的基礎(chǔ)上，考慮開采條件，確定開采盤區(qū)布局，需確保上述選取的地下水庫包含于同一盤區(qū)。針對已確定的開采盤區(qū)進(jìn)行工作面布置，根據(jù)地層高低由低向高布置工作面，使開采后地勢較低工作面首先形成地下水庫，以利于通過自然滲流快速形成儲水空間。

采煤工藝：離大巷較近的房柱式采空區(qū)和旺采采空區(qū)不適合建設(shè)地下水庫，綜采面采空區(qū)可用于建設(shè)地下水庫。

2.2 地下水庫壩體施工技術(shù)

地下水庫的儲水空間是由煤柱壩體和人工壩體圍成的，其中煤柱壩體是在回采過程中留設(shè)形成的，人工壩體需要在后期建設(shè)地下水庫時(shí)施工，兩種壩體的強(qiáng)度必須滿足礦井的安全要求[10]。

煤柱壩體設(shè)計(jì)要求：煤柱壩體要有足夠的寬度，以保證足夠的強(qiáng)度，一般在煤層硬度較大的條件下，煤柱寬度一般在30 m以上，最小不應(yīng)小于20 m。

人工壩體施工技術(shù)：人工壩體用來封堵煤柱壩體之間的空間，人工壩體的穩(wěn)定性是保證地下水庫安全的關(guān)鍵，為了保證人工壩體的穩(wěn)定性，大柳塔煤礦創(chuàng)新發(fā)明了“丁”字形人工壩體。人工壩體主要材料為砼、工字鋼、錨桿和鋼筋網(wǎng)片，施工前在巷道頂?shù)讕鸵筒?，頂槽深度一般不小?00 mm，幫槽和底槽深度一般不小于300 mm，如圖4所示[11]。

圖4 “丁”字形人工壩體施工設(shè)計(jì)示意圖

如圖4所示，壩墻內(nèi)工字鋼布置方式為里豎五、中橫三、外豎一，壩墻外丁字形支撐墻內(nèi)工字鋼布置方式為橫三、豎一，工字鋼之間采用電氣焊焊接，頂幫均施工φ18 mm×2 100 mm全錨螺紋鋼錨桿，并在工字鋼前后鋪設(shè)兩層φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)，并用10#鉛絲將錨桿、工字鋼、網(wǎng)片綁扎在一起。壩墻采用C30混凝土澆筑為一個(gè)整體，澆筑完成后采用噴砼的方式封頂及堵漏。經(jīng)清華大學(xué)水利專家論證該墻體結(jié)構(gòu)安全可靠、穩(wěn)定，當(dāng)安全系數(shù)為3.0時(shí)，最大承載水位為60 m。

注意事項(xiàng)：①人工壩體質(zhì)量一次到位，砼振動(dòng)密實(shí)，接頂嚴(yán)實(shí)不漏水，接頂很關(guān)鍵；在澆筑壩墻封頂之前，整個(gè)壩墻的澆筑都采用振動(dòng)棒充分振動(dòng)保證強(qiáng)度及密實(shí)性，尤其是幫槽和底槽的周邊區(qū)域，更要反復(fù)振動(dòng)，保證密實(shí)性；當(dāng)壩墻澆筑至距離頂板一定高度(根據(jù)壩墻的寬度不同，一般選取200～1 000 mm)時(shí)停止?jié)仓?，采用多次噴砼的方式進(jìn)行封頂，砼標(biāo)號不小于C30；噴砼封頂分層進(jìn)行，即每噴一層混凝土后等其凝固后再繼續(xù)噴一層，直至封頂嚴(yán)密；②人工壩體盡可能提前研究設(shè)計(jì)規(guī)劃，并按地下水庫要求強(qiáng)度一次施工到位，避免重復(fù)加固施工；③人工壩體附近管路盡可能使用不銹鋼鋼管和不銹鋼閥門，并且管壁要厚一點(diǎn)，閥門應(yīng)安裝兩道，先使用最外面一道，與人工壩體最近的一道閥門作為備用；④人工壩體外清水自流管路加裝水位壓力表和透明管，以便準(zhǔn)確直觀掌握地下水庫水位情況，可以及時(shí)對水位進(jìn)行調(diào)整，保證水庫安全，如圖5所示；⑤人工壩體設(shè)計(jì)位置應(yīng)該在巷道口或聯(lián)巷口留設(shè)5～6 m的距離，不能在巷道口或聯(lián)巷口不留余地、齊頭施工，一旦人工壩體需要加固時(shí)，還有加固的空間；⑥地下水庫所在煤層生產(chǎn)采用加壓泵供水時(shí)，加壓泵距水庫人工壩體不能太近，盡量保持一段距離比較好，最好在50 m以外的合適位置安裝加壓泵，以防加壓泵長期振動(dòng)對人工壩體造成緩慢破壞而漏水；⑦人工壩體施工完畢并且水庫儲水后，如果人工壩體上方頂板和兩幫裂隙有漏水現(xiàn)象，可以采取注馬麗散(高分子材料)的措施消除漏水問題；⑧在擬建水庫的區(qū)域施工人工壩體時(shí)，不能增加黃土墻，避免黃土對水質(zhì)的污染。

圖5 地下水庫水壓表、透明管監(jiān)測水位示意圖

3 地下水庫的安全設(shè)施和安全管理

3.1 地下水庫的安全設(shè)施

為了保證地下水庫的安全，需要建設(shè)配套的安全設(shè)施并加強(qiáng)水庫的安全管理，主要做好以下幾個(gè)方面的工作[5，12-13]。

防災(zāi)排水泵：在地下水庫關(guān)鍵部位的水倉要安設(shè)防災(zāi)大泵，并且水泵和開關(guān)設(shè)施要盡可能安設(shè)高一些，一般為1 m以上，如圖6所示。

圖6 防災(zāi)大泵示意圖

保護(hù)墻：人工壩體上的所有引水管路閥門都要施工保護(hù)設(shè)施(保護(hù)墻)，以防車輛撞壞時(shí)，水管無法關(guān)閉而造成水災(zāi)。

壩體加固：位于地下水庫最高水位標(biāo)高以下的各個(gè)人工壩體必須加固可靠，強(qiáng)度足夠，預(yù)防水災(zāi)。

3.2 安全管理

圖紙資料：與地下水庫相聯(lián)通的所有巷道要全部掌握清楚，全部上圖，不能有遺漏。

防止小窯越界：在已存水的采空區(qū)周圍附近，如果有相鄰礦井或者有正在生產(chǎn)的小煤窯，要強(qiáng)調(diào)告訴小煤窯不能越界開采，預(yù)防水淹小窯。

定期巡檢：定期對井下采空區(qū)水位、人工壩體和煤柱壩體進(jìn)行巡檢，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理。

水位調(diào)節(jié)：根據(jù)各水庫的水位情況進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，水庫間通過自流管路進(jìn)行水位調(diào)節(jié)，也可通過自流系統(tǒng)向地面自流供水來調(diào)節(jié)水位。還有通過控制各水庫注水量也可調(diào)節(jié)水庫水位，確保水庫的安全。通過減小向高水位水庫的注水量，增大向低水位水庫的注水量的方法，也是水庫水位調(diào)節(jié)的另一種手段。

清潔生產(chǎn)：盡量在井下生產(chǎn)過程中做到清潔生產(chǎn)，不亂丟垃圾，廢舊油脂不亂倒，及時(shí)回收到地面，從而盡量減少對井下水的污染。

提高保護(hù)意識：煤礦企業(yè)主要領(lǐng)導(dǎo)要提高礦井水資源保護(hù)利用意識，提高對地下水庫重要性的認(rèn)識，要樹立變“水害”為“水利”的觀念，是做好煤礦地下水庫技術(shù)推廣應(yīng)用工作的前提和保證。

4 結(jié)語

大柳塔煤礦經(jīng)過多年的實(shí)踐與研究，形成了一套高效建設(shè)與安全運(yùn)行地下水庫的關(guān)鍵技術(shù)，包括水庫選址、壩體建設(shè)、污水回灌和清水取用管網(wǎng)布置等，該系統(tǒng)具有“循環(huán)型、環(huán)保型、節(jié)能型、效益型”4大特點(diǎn)和“井下供水、井下排水、礦井水處理、水災(zāi)防治、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排”6大功能，使礦井水資源得到安全高效利用，取得了非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。未來也可研究在煤層群開采且層間距很大的條件下儲水蓄能發(fā)電的可行性；也可研究在礦井煤炭資源全部開采結(jié)束以后，考慮將整個(gè)礦井全部規(guī)劃為地下水庫，儲存大量的水資源，建設(shè)大型水廠，由開采煤炭資源轉(zhuǎn)化為開采水資源，向社會(huì)供水，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。