特大型礦井地面防治水工程中雨水收集排放系統(tǒng)設(shè)計

朱澤民

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

礦井水害是煤礦主要災(zāi)害之一，礦井在建設(shè)和生產(chǎn)過程中，地面水和地下水通過各種通道涌入礦井，當(dāng)?shù)V井涌水超過正常排水能力時，就造成礦井水災(zāi)[1～6]。礦井工業(yè)場地的大氣降水、場地周邊輸移過來的各類地表水，如果不及時排除，將對整個工業(yè)場地造成洪澇災(zāi)害，倘若大量的降水和輸移水在很短的時間內(nèi)通過滲漏區(qū)或井口進(jìn)入井下，還將嚴(yán)重威脅井下巷道、人員、生產(chǎn)設(shè)施等。地面防治水是預(yù)防礦井水災(zāi)的第一道防線，對于以大氣降水和地表水為主要涌水水源的礦井來說尤為重要[7]。當(dāng)內(nèi)澇或洼地積水有可能浸入井下時，應(yīng)采取攔截疏導(dǎo)、壓實防滲、填矸造田或設(shè)泵站排出等消除礦井水害措施[8]。地面防治水工程中，當(dāng)完全依靠重力自流排水確有困難時，在礦井工業(yè)場地設(shè)置排水泵站是必不可少的，在我國很多礦井中也較為常見，如唐莊礦在屯頭河大堤北側(cè)建設(shè)了一座排水能力為1500m3/h的排洪站，將塌陷區(qū)積水排入屯頭河[9]；樂平礦務(wù)局沿溝煤礦在王家橋和深坑建設(shè)了排水能力為720m3/h的轉(zhuǎn)排站，將低洼區(qū)匯水轉(zhuǎn)排至總排水溝后引入涌山河[10]。本文以布爾臺煤礦為例，介紹了該礦工業(yè)場地地面防治水工程中雨水收集系統(tǒng)、雨水強(qiáng)排泵站和雨水壓力排放管道的設(shè)計和建設(shè)情況，以期為特大型礦井地面防治水工程中的雨水收集排放系統(tǒng)提供工程示范和技術(shù)參考。

1 工程概況

中國神華布爾臺煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力20.0Mt/a，是世界上一次設(shè)計、連續(xù)施工，單井設(shè)計生產(chǎn)能力最大的井工煤礦；配套地面同步設(shè)計的群礦型選煤廠設(shè)計規(guī)模達(dá)31.0Mt/a，也是目前世界上最大的選煤廠[11]。布爾臺井田位于東勝煤田南部，井田面積約為193km2，充水水源主要為延安組砂巖水和直羅組、志丹群砂礫巖水，附近無小煤礦，不受小窯水影響[12]。布爾臺工業(yè)場地東側(cè)緊臨烏蘭木倫河，西側(cè)臨山，整個工業(yè)場地建在烏蘭木倫河二級河灘地上[13]，雨水完全依靠重力自流排放條件有限。因此，鑒于布爾臺煤礦和群礦選煤廠在國內(nèi)乃至國際首屈一指的地位，以及該工業(yè)場地特殊的地勢條件，為了保障礦井安全，避免井下和地面工業(yè)場地免受洪水和內(nèi)澇的危害，加強(qiáng)地面防治水工程尤為重要。

布爾臺煤礦及選煤廠工業(yè)場地東臨烏蘭木倫河，西南側(cè)為山坡，整個場地占地面積非常大，地面防治水工程中雨水收集排放系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容主要有雨水管網(wǎng)及防洪溝、雨水強(qiáng)排泵站、雨水壓力排放管道等，雨水收集排放系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 雨水收集排放系統(tǒng)總布置圖

2 雨水管網(wǎng)及防洪溝

2.1 下墊面情況及降雨參數(shù)

布爾臺煤礦及選煤廠工業(yè)場地占地面積62.215hm2(含選煤廠占地17.5hm2及公司輔助化區(qū)占地10.5hm2)，其中場內(nèi)道路29160m2，硬化場地97000m2，鋪砌場地18000m2，場內(nèi)綠化8.0hm2，其余為工業(yè)建筑、福利設(shè)施等建構(gòu)筑物。

采用包頭市暴雨強(qiáng)度公式：

i=9.96(1+0.985lgP)/(t+5.40)0.85

式中，i為設(shè)計暴雨強(qiáng)度，mm/min；P為設(shè)計重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

2.2 雨水管網(wǎng)

工業(yè)場地雨水經(jīng)雨水口收集，通過雨水管進(jìn)入強(qiáng)排泵站的集水池，最終排入烏蘭木倫河。工業(yè)場地暴雨設(shè)計重現(xiàn)期按2a考慮，地面集水時間按10min考慮，沿道路一側(cè)布置雨水管，管材采用Ⅱ級鋼筋混凝土排水管，整個場地共布置d800雨水管871m，d600雨水管1424m，d400雨水管2363m，d200雨水管62m。按40m左右間距布置雨水口，共布置偏溝式單箅雨水口125座，雨水口深度控制為設(shè)計地面下-1.0m。檢查井采用圓形磚砌雨水檢查井，共布置Φ1250mm 井64座、Φ1000mm井72座。

2.3 防洪溝

場地西南側(cè)山坡匯水面積為2.0km2，暴雨期洪水設(shè)計流量為45.9m3/s。為滿足場地西南側(cè)山坡洪水及場地內(nèi)雨水的順利排放，在場地北側(cè)與金烽寸草塔場地交界處，設(shè)置防洪溝。防洪溝全長750.0m，寬4.0m，深2.5m，縱坡0.92%，M7.5漿砌塊石護(hù)砌，溝頂設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土圓孔板蓋板。在場地東側(cè)鐵路裝車站站場路基中設(shè)置排洪涵，并設(shè)置閘門。正常情況下山坡洪水及場地內(nèi)雨水可通過排洪涵順利排入烏蘭木倫河。當(dāng)烏蘭木倫河洪水位在該段(東南角)標(biāo)高高于+1170.7m時，關(guān)閉排洪涵閘門，防止洪水倒灌入工業(yè)場地。由于工業(yè)場地東南標(biāo)高均低于工業(yè)場地平場標(biāo)高，而且裝車站過烏蘭木倫河大橋處最高洪水位標(biāo)高低于井口標(biāo)高，當(dāng)排洪涵閘門關(guān)閉后，場地西南側(cè)山坡洪水及場地內(nèi)雨水可沿鐵路裝車站西南側(cè)邊溝排入烏蘭木倫河。因此，設(shè)計考慮從鐵路裝車站終點往東南至烏蘭木倫河大橋處，鐵路裝車站西南側(cè)設(shè)置與場內(nèi)防洪溝行洪能力相應(yīng)的邊溝。

3 雨水強(qiáng)排泵站

根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》，礦井工業(yè)場地防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為重現(xiàn)期100a[14]。由于整個工業(yè)場地建在二級河灘上，工業(yè)場地東南角為整個場地最低點，標(biāo)高為+1170.7m，而與之緊鄰的烏蘭木倫河此處的百年一遇的最高洪水位為+1175.0m，考慮到壅水和風(fēng)浪襲擊高度0.5m及安全高度0.5m，相應(yīng)防洪設(shè)計標(biāo)高為+1176.0m，因此，為保護(hù)礦井工業(yè)場地免受洪水和內(nèi)澇威脅，在工業(yè)場地東南角靠近火車裝車站處設(shè)計一座雨水強(qiáng)排泵站。當(dāng)緊鄰東南角的烏蘭木倫河的水位標(biāo)高低于+1170.7m時，場地雨水可通過設(shè)置于火車裝車站處路基中的排水涵重力自流排放，當(dāng)烏蘭木倫河水位高于+1170.7m時，為了防止河水倒灌，排水涵上的閘門關(guān)閉，啟動雨水強(qiáng)排泵站進(jìn)行排水。

3.1 平面布置

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》，排水泵站宜設(shè)計為單獨的建筑物，雨水泵站應(yīng)采用自灌式泵站[15]，因此設(shè)計一座獨立的半地下式雨水泵站，泵站平面布置如圖2所示。集水池容積為500m3，有效容積為250m3。

圖2 雨水強(qiáng)排泵站平面圖

3.2 設(shè)備選型

采用包頭市暴雨強(qiáng)度公式推算一場歷時2h的典型降雨，重現(xiàn)期采用100a，綜合徑流系數(shù)根據(jù)整個工業(yè)場地下墊面情況加權(quán)平均得出，經(jīng)模擬計算，徑流峰值約為3.0m3/s。由于雨水泵站的集水池只考慮吸水功能，不考慮調(diào)節(jié)功能，因此水泵配置與徑流峰值匹配，設(shè)計5臺水泵，單臺水泵額定流量2000m3/h，總流量10000m3/h。設(shè)備配置表見表1。為了降低啟動電流，水泵采用階梯啟動模式，排水開始時，根據(jù)集水池水位，逐臺自動啟動排水泵，徑流峰值時5臺泵全部啟動。排水即將結(jié)束時，根據(jù)集水池水位，逐臺自動關(guān)閉排水泵，以實現(xiàn)最大程度節(jié)能。集水池定期清理沉積的泥沙、雜物，以保障水泵正常運行，延長水泵壽命。

表1 雨水強(qiáng)排泵站主要設(shè)備配置表

4 雨水壓力排放管道

雨水壓力排放管采用單泵單管的形式，共設(shè)置5趟DN700壓力排放管。由于泵房與烏蘭木倫河之間有3股道的運煤鐵路，運煤鐵路軌面標(biāo)高1180m，路基寬度32m，雨水壓力排放管如何穿越鐵路是本工程的難點，如果采用從上方跨越穿過，由于軌面較寬，須建設(shè)一座管橋，對安全行車有一定影響，而且由于管位抬高勢必要增大排水泵的揚程，不利于節(jié)能。經(jīng)與內(nèi)蒙古鐵道勘測設(shè)計事務(wù)所有限公司協(xié)商，最終采用設(shè)計套涵形式從鐵路下方穿越，套涵為1～4m鋼筋混凝土框架涵，凈高2.5m，管道在套涵內(nèi)布置，如圖3所示。

圖3 套涵內(nèi)管道布置斷面圖

為了防止對烏蘭木倫河床的沖刷破壞，在位于壓力排放管末端處的河床上設(shè)消能池，采用混凝土水池，尺寸4000mm×1000mm×1000mm，壁厚200mm，底板300mm，強(qiáng)度等級C30，基礎(chǔ)為M7.5漿砌毛石。施工完畢后將下游側(cè)涵口用漿砌片石封死，以防烏蘭木倫河水倒灌進(jìn)涵洞。

5 結(jié) 語

針對布爾臺煤礦及選煤廠場地的地面防治水工程的難點，對雨水壓力排放管如何穿越鐵路進(jìn)行了分析論證，最終采用設(shè)計套涵形式從鐵路下方穿越。在排水泵選型時，根據(jù)下墊面情況及降雨參數(shù)等，通過SWMM模型軟件對典型降雨進(jìn)行了模擬，得出了重現(xiàn)期為100a、歷時2h的典型降雨的徑流峰值，為水泵選型提供了科學(xué)可靠的依據(jù)。布爾臺煤礦作為特大型礦井的代表，其地面防治水工程中雨水收集排放系統(tǒng)的設(shè)計具有典型意義，能為其他礦井及類似工程在進(jìn)行地面防治水工程設(shè)計時提供工程示范和參考借鑒。