谷民帥

【摘 要】因三道溝煤礦地處陜北黃土高原北緣的干旱地帶，為降低用水成本，在礦井回采后的采空區(qū)內(nèi)對(duì)礦井涌水進(jìn)行過濾凈化、存儲(chǔ)、利用。為確保礦井儲(chǔ)水安全，根據(jù)國內(nèi)已有的分析校核方法，對(duì)防水密閉墻進(jìn)行理論承壓計(jì)算，并將理論計(jì)算分析結(jié)果、實(shí)際觀測(cè)、礦井涌水量和復(fù)用水系統(tǒng)運(yùn)行情況對(duì)比介紹，確定各采空區(qū)儲(chǔ)水安全水位，保證礦井安全生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】污水 采空區(qū) 復(fù)用 水位 涌水 密閉墻

三道溝煤礦位于陜西省榆林市府谷縣廟溝門鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力900萬噸/年。井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，瓦斯礦井，平硐單水平開拓。礦井采用綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板。

煤礦生產(chǎn)需要消耗大量的凈水，采空區(qū)內(nèi)部也將儲(chǔ)存大量的采空水，通過采空區(qū)儲(chǔ)水凈化復(fù)用、有效利用采空區(qū)空間、提高經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益的同時(shí)，合理控制水位可以減少安全隱患。目前本礦有35101（1700m水倉）、85201兩個(gè)復(fù)用水系統(tǒng)及大量采空區(qū)，通過國內(nèi)已經(jīng)比較成熟的密閉、煤柱承壓分析校核方法，對(duì)采空區(qū)的水位進(jìn)行計(jì)算分析，從而確定合理安全水位。

1 礦井采空儲(chǔ)水及用水現(xiàn)狀

1.1 礦井復(fù)用水系統(tǒng)

35101復(fù)用水倉 三盤區(qū)各用水點(diǎn)，供水能力為73.5m?/h。

八盤區(qū)復(fù)用水倉 四八盤區(qū)各用水點(diǎn)， 供水能力為165m?/h。

1.2 其它說明

井下復(fù)用水量不足時(shí)，從地面井下消防水池取水，向井下供水。復(fù)用量富余時(shí)，85201復(fù)用水進(jìn)入八盤區(qū)水倉排水系統(tǒng)或反供至地面井下消防水池。

1.3 近期礦井用水情況

對(duì)我礦2014年7月至2015年4月礦井用水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見表1。

2 礦井涌水量及礦井充水情況

三道溝煤礦礦床主要充水水源為地表水、基巖裂隙水和老空水，充水通道有采動(dòng)裂隙、風(fēng)化裂隙、燒變巖裂隙、斷層、裂隙密集帶、封閉不良鉆孔及小窯等。根據(jù)礦井歷年涌水量資料顯示，礦井正常涌水量64m3/h，最大涌水量106m3/h。

三道溝井田首采區(qū)范圍內(nèi)小窯老空積水量81.92萬m3，本礦采空區(qū)積水量8.48萬m3，積水情況清楚。

3 各儲(chǔ)水區(qū)最高水位計(jì)算分析

3.1 85201、85203采空區(qū)

參照國內(nèi)已經(jīng)成熟的分析、校核方法，從防水密閉墻結(jié)構(gòu)受力出發(fā)，通過對(duì)物理模型的簡化，參考材料力學(xué)、彈性力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，對(duì)防水密閉墻進(jìn)行安全性評(píng)估，確定安全水壓。

（1）根據(jù)防水密閉墻混凝土強(qiáng)度校核。

Ps=γh×fc×[（B+E1×2） ×（H+E2+E3）-S1]/（γ0×B×H） = 2.19MPa

式中：Ps—防水密閉墻承受的安全水壓，MPa；

B—巷道凈寬，m；取5.5m；

H—巷道凈高，m；取4.2m；

E1—幫槽深度，m；取0.5m；

E2—底槽深度，m；取0.2m；

E3—頂槽深度，m；取0.3m；

S1—墻體迎水端受水壓作用總面積，m2；取5.5×4.2=23.1；

fc—混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；C20強(qiáng)度取9.6；

γ0—結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.2；

γh—混凝土折減系數(shù)，取0.85；

計(jì)算得安全水頭高度h=219m。

（2）按防水密閉墻混凝土抗剪強(qiáng)度及本礦井實(shí)際施工的防水密閉墻主要承載結(jié)構(gòu)的長度，確定其承受的安全水壓。

Ps=γh×[2×（H+B）×L]×[τ]/ （γ0×B×H） =1.45MPa

式中： —防水密閉墻主要承載結(jié)構(gòu)墻體長度，m；取1m；

—混凝土允許抗剪強(qiáng)度，經(jīng)驗(yàn)公式 ；

—混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；

C20強(qiáng)度取9.6；

—混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；

C20強(qiáng)度取1.1；

其它參數(shù)同上。

計(jì)算得安全水頭高度145m。

（3）根據(jù)圍巖強(qiáng)度校核。根據(jù)上述公式，可以推得安全水壓公式：

Ps=[2×（H+B）×L]×τ/（γ0×γc×B×H） =0.074MPa

式中： —防水密閉墻主要承載結(jié)構(gòu)墻體長度，m；取1m；

γc—掏槽施工對(duì)圍巖影響系數(shù)，取1.6；

τ—巖體允許抗剪強(qiáng)度，巖體允許抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式τ=0.060～0.078R MPa；

R—巖體抗壓強(qiáng)度，MPa，R=ξa×Rc；

RC—巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；因密閉墻在煤體中，取煤體抗壓強(qiáng)度，取6.3MPa；

ξa—巖體裂隙系數(shù)，取0.45；

其它參數(shù)同上。

計(jì)算得安全水頭高度7.4m。

（4）根據(jù)密閉墻的抗?jié)B性驗(yàn)算。

L>L抗?jié)B=48KHF

上述公式的物理意義為密閉墻墻體長度應(yīng)大于依據(jù)水頭高度、墻體滲透系數(shù)確定的最小抗?jié)B長度的要求。

根據(jù)上述公式，可以推得安全水頭高度H=L/（48KF）=91；

式中：K—混凝土滲透系數(shù)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20對(duì)應(yīng)的K值為0.00001；

F—砌筑密閉墻處巷道掘進(jìn)斷面積，m2；

H—水頭高度值，m；

其它參數(shù)同上。

比較上述計(jì)算值，取最小值，安全水頭高度為7.4m。

儲(chǔ)水區(qū)應(yīng)留設(shè)的安全煤柱尺寸計(jì)算如下：

L=0.5KM =11.4m

式中：L—煤柱留設(shè)的寬度，m；

K—安全系數(shù)，一般取2～5，本礦井取5；

M—煤層厚度或采高，m；5-2煤取6.3m；

p—水頭壓力，0.074MPa，取7.4m安全水頭高度；

Kp—煤的抗拉強(qiáng)度，MPa，取0.42MPa。

現(xiàn)八盤區(qū)所有煤柱尺寸均在20米以上，大于11.4米，滿足計(jì)算要求。

3.2 35101采空區(qū)

同上述計(jì)算方法，35101采空區(qū)各參數(shù)取值如表2。

按墻體抗壓強(qiáng)度計(jì)算的安全水頭高度（m） 按墻體抗剪強(qiáng)度計(jì)算的安全水頭高度（m） 按煤層抗剪強(qiáng)度計(jì)算的安全水頭高度（m） 按墻體抗?jié)B性計(jì)算的安全水頭高度（m）

178 36 3.4 26

根據(jù)上述計(jì)算，取最小值，安全水頭高度為3.4米，1700米聯(lián)巷密閉處（非最低點(diǎn)）安全水頭高度為3m。

儲(chǔ)水區(qū)應(yīng)留設(shè)的安全煤柱尺寸計(jì)算如下：

L=2.25m；

現(xiàn)三盤區(qū)煤柱尺寸在20米以上，大于2.25米，滿足計(jì)算要求。

3.3 其它非復(fù)用水采空區(qū)

回采綜采面相鄰采空區(qū)聯(lián)巷間密閉采用磚墻+黃土+磚墻形式，其防水強(qiáng)度遠(yuǎn)低于砼墻，為安全起見，取砼墻強(qiáng)度一半值，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際觀測(cè)，得出八盤區(qū)回采工作面采空區(qū)安全水頭高度為3米，三盤區(qū)為1.4m，煤柱留設(shè)也滿足要求。

3.4 總述

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合神東公司井下復(fù)合結(jié)構(gòu)防水密閉墻建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，如表4。

參照井下復(fù)合結(jié)構(gòu)防水密閉墻建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，水頭高度應(yīng)在5-10m之間，但根據(jù)公司最新《采空區(qū)儲(chǔ)水管理辦法》，采空區(qū)儲(chǔ)水水頭高度不能超過6m，而目前85201機(jī)頭硐室密閉墻處水位控制在3.5m，復(fù)用系統(tǒng)最低點(diǎn)（85203回撤通道3#聯(lián)巷處）水位高已達(dá)6.616m。

所以確定八盤區(qū)儲(chǔ)水采空區(qū)最高水位6m，三盤區(qū)儲(chǔ)水采空區(qū)最高水位3.4m，八盤區(qū)其他非復(fù)用水采空區(qū)最高水位3m，三盤區(qū)其他非復(fù)用水采空區(qū)最高水位1.7m。

4 儲(chǔ)水采空區(qū)保持最高水位時(shí)的儲(chǔ)水量計(jì)算

4.1 85201、85203采空區(qū)

八盤區(qū)儲(chǔ)水采空區(qū)最高水位6m，目前控制85201機(jī)頭硐室密閉墻水位最高3.5m，最低點(diǎn)閉墻水位高6.616m（85203回撤通道3#聯(lián)巷處），則復(fù)用水倉內(nèi)最大儲(chǔ)水量約為47.8萬m3。計(jì)算過程如下：

Q=KMS/cosα

=0.27*6.3*305.75*570/cos0.7+0.27*6.3*305*350/cos0.66

=47.8萬m3

式中：K---充水系數(shù)，取0.27

M---煤層采高，取6.3m

S---采空區(qū)淹沒面積，m2，取305.75*570+305*350。

Q---采空區(qū)積水量，m3

八盤區(qū)儲(chǔ)水采空區(qū)出水孔高度距離底板1.3m，可計(jì)算出儲(chǔ)水采空區(qū)可放出復(fù)用水22.3萬m3，同理，向儲(chǔ)水采空區(qū)注入污水，在達(dá)到最高水位時(shí)，可注入22.3萬m3。

4.2 35101采空區(qū)

三盤區(qū)儲(chǔ)水采空區(qū)最高水位3.4m，則復(fù)用水倉內(nèi)最大儲(chǔ)水量約為8.7萬m3。計(jì)算過程如下：

Q=0.14*2.2*285*1000/cos1=8.7萬m3

三盤區(qū)儲(chǔ)水采空區(qū)出水孔高度距離底板0.3m，可計(jì)算出儲(chǔ)水采空區(qū)可放出復(fù)用水0.17萬m3，同理，向儲(chǔ)水采空區(qū)注入污水，在達(dá)到最高水位時(shí)，可注入0.17萬m3。

5 結(jié)語

通過上述礦井涌水介紹及對(duì)密閉規(guī)格驗(yàn)算可以得出如下結(jié)論：

（1）85201復(fù)用水倉安全水位為6m，85201機(jī)頭硐室密閉墻處水位目前控制在3.5m以下，根據(jù)井下現(xiàn)場觀測(cè)，儲(chǔ)水水位達(dá)到4米時(shí)，儲(chǔ)水區(qū)域各閉墻附近滲漏量可達(dá)到20m?/h；所以從經(jīng)濟(jì)、安全方面考慮，目前控制在3.5m水位處較為合理，此時(shí)最大儲(chǔ)水量約為47.8萬m3，可用水量22.3萬m3。

（2）35101復(fù)用水倉安全水位為3.4m，1700m處密閉墻水位必須控制在3m以下，最大儲(chǔ)水量約為8.7萬m3，可用水量0.17萬m3。

（3）八盤區(qū)其他非復(fù)用水采空區(qū)最高水位3m，三盤區(qū)其他非復(fù)用水采空區(qū)最高水位1.7m。

參考文獻(xiàn)：

[1]許家林，錢鳴高.綠色開采的理念與技術(shù)框架[J].科技導(dǎo)報(bào)，2007，25（7）：61-65.

[2]王宇，王大鵬，霍丙杰.煤礦區(qū)保水開采技術(shù)實(shí)踐[J].煤礦開采，2010，15（1）：44-46.

[3]付萬軍，于宏偉.舒蘭煤礦井下污水處理與利用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（5）：122-124.

[4]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：中國，02129397[P].2005-10-05.

[5]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.