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        三道溝煤礦礦井水復(fù)用及采空區(qū)儲(chǔ)水安全分析

        2015-11-01 11:25:52谷民帥
        中國科技縱橫 2015年18期
        關(guān)鍵詞:儲(chǔ)水水頭采空區(qū)

        谷民帥

        (神華神東煤炭集團(tuán)三道溝煤礦管理處,陜西府谷 719407)

        三道溝煤礦礦井水復(fù)用及采空區(qū)儲(chǔ)水安全分析

        谷民帥

        (神華神東煤炭集團(tuán)三道溝煤礦管理處,陜西府谷719407)

        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、礦井涌水量和復(fù)用水系統(tǒng)運(yùn)行情況對比介紹,確定各采空區(qū)儲(chǔ)水安全水位,保證礦井安全生產(chǎn)。

        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73.5m2/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165m2/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

        3.185201、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),對防水密閉墻進(jìn)行安全性評估,確定安全水壓。

        (1)根據(jù)防水密閉墻混凝土強(qiáng)度校核。=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。

        式中:L—防水密閉墻主要承載結(jié)構(gòu)墻體長度,m;取1m;

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

        C20強(qiáng)度取9.6;

        ft—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:

        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=0.060~0.078RMPa;

        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;

        表1 2014年7月至2015年4月礦井用水量統(tǒng)計(jì)表

        表2 35101采空區(qū)各參數(shù)值

        表3 安全水頭高度計(jì)算結(jié)果表

        表4 

        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:

        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。

        3.235101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。

        計(jì)算結(jié)果如表3。

        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,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

        4.185201、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。

        4.235101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,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20m3/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。

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