斜溝煤礦單斜構(gòu)造地下儲(chǔ)水庫技術(shù)研究

張建軍，田淵輝

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦（下簡(jiǎn)稱“斜溝煤礦”）分兩個(gè)水平開采，一水平開采8#煤層，二水平開采13#煤層，隨著不斷進(jìn)行的規(guī)?；_采，礦井水循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。每年6月至9月區(qū)域正值豐水期，礦井涌水量增加，使礦井現(xiàn)有配套的地面污水處理站超負(fù)荷運(yùn)行，礦井水經(jīng)地面污水處理站處理后回收利用，供井下生產(chǎn)，剩余部分礦井水外排；每年12月至次年2月區(qū)域正值枯水期，礦井涌水量減少，礦井生產(chǎn)用水除處理后的礦井水外，還需開采地下水進(jìn)行補(bǔ)充。斜溝煤礦為實(shí)現(xiàn)綠色開采與可持續(xù)發(fā)展特開展單斜構(gòu)造地下儲(chǔ)水庫技術(shù)研究。

1 礦井地質(zhì)概況

斜溝井田及周邊地表大部分被新近系上新統(tǒng)（N2b）和第四系上更新統(tǒng)（Q3m）、全新統(tǒng)（Q4）所覆蓋，基巖僅在溝谷中出露，自東向西依次出露奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組和三疊系下統(tǒng)劉家溝組。井田內(nèi)主要含水層自下而上依次為：奧陶系巖溶含水巖組、石炭系太原組碎屑巖類裂隙含水巖組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組與山西組砂巖裂隙含水巖組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組和三疊系下統(tǒng)劉家溝組碎屑巖類裂隙含水巖組及第四系、新近系松散巖類孔隙含水巖組。斜溝煤礦井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體上為一走向近南北、傾向西的單斜構(gòu)造，地層傾角小于15°，一般為9～12°，在井田勘探和礦井開拓、掘進(jìn)、回采過程中未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入、陷落柱現(xiàn)象，揭露斷層118條，斷層最大落差12.4 m。

2 采空區(qū)儲(chǔ)水庫的位置選擇

斜溝煤礦18205采空區(qū)位于一水平主要開拓巷道下山區(qū)域12 采區(qū)中部位置，四周均為實(shí)煤區(qū)，2015 年11月開始回采，采用走向長(zhǎng)壁式大采高一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板，2019 年1 月回采結(jié)束。18205 采空區(qū)隨著時(shí)間推移垮落狀態(tài)已基本穩(wěn)定，有利于建設(shè)地下儲(chǔ)水庫進(jìn)行儲(chǔ)水；12采區(qū)下伏的22采區(qū)受奧灰水影響未來十年內(nèi)不計(jì)劃進(jìn)行回采作業(yè)，為采空區(qū)儲(chǔ)水庫位置選擇創(chuàng)造了有利條件；斜溝煤礦礦井水采用接力式排水方式，一水平布置采空區(qū)儲(chǔ)水庫，既可接受一水平、二水平采掘工作面產(chǎn)生的礦井廢水，又可接受采空區(qū)上覆巖層中的裂隙水，能充分收集礦井水，可提高礦井水利用率；18205采空區(qū)材料巷側(cè)較皮帶巷側(cè)高約40 m，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，具有良好隔水性，向上距二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層約50 m，空間高度越高，儲(chǔ)水量越大；18205 采空區(qū)周邊工作面均未回采，防隔水煤柱寬度約300 m，可確保采空區(qū)儲(chǔ)水庫安全運(yùn)行。綜合18205采空區(qū)采掘資料和礦井采掘計(jì)劃，選定在18205采空區(qū)建設(shè)地下儲(chǔ)水庫，利用采空區(qū)與防水閘墻形成的封閉空間進(jìn)行儲(chǔ)水［1］。

3 采空區(qū)儲(chǔ)水庫的凈水原理

煤礦采空區(qū)儲(chǔ)水庫的凈水原理主要是通過垮落區(qū)巖石過濾作用和采空區(qū)沉淀作用實(shí)現(xiàn)礦井水凈化。從采空區(qū)地勢(shì)較高的材料巷注入礦井水，礦井水在向地勢(shì)較低處流動(dòng)過程中與垮落巖石充分接觸過濾，同時(shí)礦井水在采空區(qū)沉淀一段時(shí)間后實(shí)現(xiàn)污水凈化的功能，如圖1所示。采空區(qū)作為礦井水的儲(chǔ)存場(chǎng)所，具有容積大、范圍廣、平流速度小、停留時(shí)間長(zhǎng)、沉淀效果好的優(yōu)點(diǎn)；采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石多為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖等，在垮落過程中裂隙發(fā)育，泥巖易泥化充填空隙，泥巖中含有的黏土礦物，吸附能力強(qiáng)，有利于礦井水懸浮物的凈化；采空區(qū)巖石中存在煤灰及砂巖顆粒，粒度較小，孔隙率大，具有較大的納污能力，也能有效去除礦井水中的懸浮物。

圖1 煤礦采空區(qū)儲(chǔ)水庫凈化示意圖

采空區(qū)儲(chǔ)水庫除具有過濾和沉淀凈化作用外，生化作用也是去除污染物和有機(jī)物成分的重要環(huán)節(jié)，采空區(qū)煤粉與水中污染物反應(yīng)生成化學(xué)沉淀物，垮落區(qū)煤矸石中的黏土礦物對(duì)水中陽離子的吸附作用使采空區(qū)微生物可以氧化、分解、吸附水體中的有機(jī)物，從而使礦井水得到凈化［2］。

4 采空區(qū)儲(chǔ)水庫的庫容計(jì)算

采空區(qū)儲(chǔ)水庫的儲(chǔ)水空間主要由采空區(qū)、垮落帶和裂隙帶組成，礦井水主要賦存于采空區(qū)、垮落帶與裂隙帶巖石組成的空隙和巖石本身孔隙中［3］。采空區(qū)儲(chǔ)水庫是利用優(yōu)先開采的煤層形成一個(gè)相對(duì)密閉空間進(jìn)行儲(chǔ)水，且儲(chǔ)水空間一般位于采空區(qū)垮落帶，礦井水主要儲(chǔ)存于垮落帶巖石空隙中［4］。

針對(duì)斜溝煤礦18205采空區(qū)單斜地質(zhì)構(gòu)造及頂板垮落特點(diǎn)，采用頂板垮落法估算采空區(qū)儲(chǔ)水庫的容積，同時(shí)采用采空區(qū)儲(chǔ)水系數(shù)對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行合理性驗(yàn)證［5］?；诓煽諈^(qū)垮落帶的孔隙率變化規(guī)律，采空區(qū)儲(chǔ)水能力大小取決于垮落巖體與采空區(qū)形成的儲(chǔ)水空間大小，主要與垮落帶巖體碎脹系數(shù)和采煤高度相關(guān)。

采空區(qū)垮落帶高度計(jì)算公式如下：

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為煤層采高，取值4.7 m；C1、C2、C3為垮落帶高度系數(shù)，根據(jù)表1 中硬巖參數(shù)取值。經(jīng)計(jì)算，垮落帶高度為20.7 m。

表1 垮落帶高度計(jì)算系數(shù)

采空區(qū)垮落帶的孔隙率采用如下公式計(jì)算：

式中：φ為垮落帶孔隙率；b為垮落巖體碎脹系數(shù)，巖體碎脹系數(shù)1.0～1.5，取1.2。經(jīng)計(jì)算，采空區(qū)垮落帶孔隙率為0.244 m。

式中：V1為采空區(qū)儲(chǔ)水容積，萬m3；V0為采空區(qū)體積，萬m3（僅為工作面采出煤炭體積，工作面長(zhǎng)度280.4 m，推進(jìn)長(zhǎng)度有效儲(chǔ)水段2 575 m，采高4.7 m，采出煤體體積339.35萬m3）；φ為垮落帶孔隙率。經(jīng)計(jì)算:

式中：K為采空區(qū)儲(chǔ)水系數(shù)；V2為采空區(qū)垮落后總體積，含采出煤炭體積和垮落后巖體體積，為1 833.96萬m3；V3為垮落后巖體體積，為1 494.6 萬m3，故K=18.5%。

斜溝煤礦18205 工作面為單斜地質(zhì)構(gòu)造，走向南北，傾向西，煤層底板等高線近等距分布，工作面傾斜長(zhǎng)度為280.4 m，采煤厚度平均為4.7 m，采煤工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為2 849 m，后端約有274 m高程較高無法注入礦井水，故采空區(qū)有效儲(chǔ)水長(zhǎng)度為2 575 m?？迓鋷е饕獮槟鄮r，碎脹系數(shù)取1.2。公式（1）計(jì)算可得到工作面垮落帶高度為20.7 m。公式（2）計(jì)算可得到垮落帶巖石孔隙率0.244。公式（3）計(jì)算可得到采空區(qū)儲(chǔ)水庫容積為82.8 萬m3，公式（4）計(jì)算可得到采空區(qū)調(diào)節(jié)水庫儲(chǔ)水系數(shù)為18.5%。據(jù)眾多專家與學(xué)者研究成果可知，采空區(qū)儲(chǔ)水系數(shù)為12.80%～33.80%（平均為22.30%），故計(jì)算結(jié)果采用的方法科學(xué)合理。

5 采空區(qū)儲(chǔ)水庫的水量調(diào)節(jié)

斜溝煤礦日常用水量約195～213 m3/h，鑒于斜溝煤礦豐水期礦井水須外排、枯水期需開采地下水進(jìn)行補(bǔ)充的情況，為進(jìn)一步提高礦井水資源利用率，通過在18205 采空區(qū)建設(shè)地下儲(chǔ)水庫來平衡豐、枯水期礦井水水量。每年6月至9月豐水期，將礦井水多余部分約7～20萬m3暫時(shí)儲(chǔ)存至儲(chǔ)水庫中，待每年12月至次年2月枯水期，將采空區(qū)儲(chǔ)水庫中的水通過出水口放出，經(jīng)礦井排水系統(tǒng)排至地面污水處理站處理后再回用，替代枯水期開采的地下水水量［6］。采空區(qū)儲(chǔ)水庫注水時(shí)間主要集中在每年豐水期，排水時(shí)間在每年枯水期，間隔時(shí)間約為60 天，其余時(shí)間段為平水期，礦井水循環(huán)系統(tǒng)可基本保持平衡狀態(tài)，不需要排放廢水和額外開采地下水。

6 結(jié)語

采空區(qū)地下儲(chǔ)水庫建設(shè)的技術(shù)研究不是一蹴而就，需要不斷在實(shí)踐中檢驗(yàn)和總結(jié)分析［7］。在后續(xù)的運(yùn)行過程中將結(jié)合底板等高線情況，進(jìn)一步分析18205工作面不同區(qū)域（包括采空區(qū)、塌陷區(qū)、裂隙區(qū)）的儲(chǔ)水特征和庫容量，分析枯水期和豐水期18205 采空區(qū)的儲(chǔ)水特征，構(gòu)建適用于斜溝煤礦單斜地質(zhì)構(gòu)造的地下采空區(qū)儲(chǔ)水庫水循環(huán)利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水資源進(jìn)行“轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存、凈化和利用”的地下儲(chǔ)水庫技術(shù)，為我國(guó)煤炭的安全、高效、綠色開采提供借鑒。