(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司,山西 太原 030001)
目前山西省大部分礦井淺部煤層已基本開采殆盡,下部煤層一般均受上覆采空區(qū)積水或底板奧灰水影響。據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》,受采空區(qū)(老空區(qū))、奧灰水影響的礦井,一般其水文地質(zhì)類型為復(fù)雜類型或極復(fù)雜類型。按《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第三百零八條規(guī)定應(yīng)當(dāng)在井底車場周圍設(shè)置防水閘門或者在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上另外安設(shè)由地面直接供電控制,且排水能力不小于最大涌水量的潛水泵。
一般潛水泵布置方式有立式、平臥式和斜臥式三種方式。立式安裝工程量大,施工復(fù)雜,平臥式安裝易受水中雜質(zhì)影響而堵塞,因而,井下潛水泵多采用斜臥式安裝。將其放置在傾斜的泵坐上,或?qū)⑵浞胖迷谇謇硭畟}的傾斜巷道內(nèi),傾斜的角度應(yīng)按巷道標(biāo)高、涌水量大小、水倉有效容積綜合確定,傾角越大,越有利于潛水泵受力,延長潛水泵使用年限。
在礦井設(shè)計施工中,水倉入口一般均布置于開采區(qū)域的最低點。單獨構(gòu)建水倉時,在吸水井深度、泵房標(biāo)高確定的基礎(chǔ)上,為減少水倉掘進(jìn)工程量且保證水倉容量的最大利用率,一般情況下,水倉斷面(半圓拱形)墻高在500~1000 mm之間,水倉的最高儲水液面由水倉入口水溝底板標(biāo)高、泵房硐室電纜溝底板標(biāo)高確定,此時設(shè)計礦井涌水達(dá)到最高儲水液面高度時,水倉巷道為封閉巷道,有效容量滿足《煤礦安全規(guī)程》之規(guī)定。
如此時再考慮強排水倉與正常水倉聯(lián)合構(gòu)建時,其設(shè)計主要考慮程序、因素有:
(1)潛水泵上吸水口不應(yīng)高于離心泵房底板標(biāo)高。
(2)強排水倉與原有水倉相連,為盡量確保水質(zhì)相對較清;水倉與強排水倉連接處應(yīng)設(shè)置擋煤泥墻或過水閘們(鐵篦子),以防突水時,雜物匯入強排水倉,影響潛水泵正常工作。
(3)水倉與強排水倉連接處除設(shè)置擋煤泥墻或過水閘們外,應(yīng)保留一定過水高度。保證水害時有一定的過水?dāng)嗝妗?/p>
(4)強排水倉有效容積為“最高液面”和“最低液面”差值與巷道長度和寬度乘積。
①最高液面:水倉最高有效液面與巷道貫通處水溝底板。
②最低液面:潛水泵上吸口1m處(潛水泵布置傾斜巷道中的下部。與實際巷道布置情況綜合確定,以滿足“最小強排有效容量為依據(jù)”)。
據(jù)《山西朔州平魯區(qū)龍礦大恒煤業(yè)有限公司4號、9號煤層配采地質(zhì)報告》及《煤礦防治水細(xì)則》,礦井水文地質(zhì)類型劃分為中等類型。
據(jù)地質(zhì)報告資料,涌水量采用富水系數(shù)比擬法預(yù)測數(shù)據(jù)。
(1)配采時期
采用富水比擬法計算礦井在年產(chǎn)3.0 Mt/a時,即4(4-1、4-2)號煤層生產(chǎn)能力為1.0 Mt/a,正常涌水量為8.4m3/h,最大涌水量為13.9m3/h;9(9-1、9-2)號煤層生產(chǎn)能力為2.0 Mt/a,正常涌水量為83.3m3/h,最大涌水量為100m3/h;故礦井正常涌水量為91.7m3/h,最大涌水量為114.0m3/h。
(2)單獨開采9-1、9-2、11號煤層生產(chǎn)能力達(dá)到3.0 Mt/a 生產(chǎn)能力時,9-1、9-2號煤層礦井正常涌水量125m3/h,最大礦井涌水量150m3/h。
據(jù)煤層開采服務(wù)年限,礦井后期聯(lián)合開采9、11號煤層,同時考慮消防灑水、黃泥灌漿析出水量,預(yù)測礦井正常涌水量為180m3/h,最大涌水量為220m3/h。
(3)綜合考慮煤層帶壓開采、地質(zhì)構(gòu)造(煤層整體上為單斜,井田北部~重點開采區(qū)域,斷層較為發(fā)育)及4號煤層采空區(qū)積水問題,為提高礦井抗水害災(zāi)變能力,經(jīng)專家研究、會審確定增加強排系統(tǒng)。強排水量Q=300m3/h。
(1)采區(qū)水倉容量
據(jù)礦井開采4號煤層實際情況,4號煤層正常涌水量為35m3/h,最大涌水量為60m3/h;9號煤層正常涌水量為145m3/h,最大涌水量為160m3/h。
開采4號煤層的采區(qū)涌水自流至副斜井井底主排水泵房水倉;9號煤層采區(qū)涌水沿下組煤西翼回風(fēng)巷排至副斜井井底主排水泵房水倉。
故9號煤層采區(qū)水倉有效容量Q≥4×145=580m3。
(2)強排水倉有效容量
強排水倉有效容量與設(shè)計突水量、排水路線密切相關(guān)。本礦井強排水量Q=300m3/h,據(jù)《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50451-2017)的相關(guān)要求,若設(shè)置地面鉆孔安裝排水管路,則強排水倉有效容量應(yīng)為300m3,若沿巷道敷設(shè)排水管路,強排水倉有效容量約為700m3。
(3)聯(lián)合構(gòu)建方案
據(jù)地面是否適宜布置強排鉆孔、水倉有效容量大小而確定的施工方式和水倉的成型,可分為“V型”和“大開挖V型”+“一字型”的構(gòu)建方式。
①“V型”構(gòu)建方式
在布置有地面鉆孔、確保有效容量滿足要求的前提下。強排水倉宜采用“V型”構(gòu)建方式,即強排水倉巷道先以一定坡度向下掘進(jìn),掘至要求深度后布置一定長度的水平段后向上掘進(jìn)與水倉入口斜段巷道貫通,見圖1、圖2。
圖1 V字形強排水倉構(gòu)建方案剖面
圖2 一字形強排水倉構(gòu)建方案平面
該布置方式水泵呈斜臥式布置,強排水倉斷面共分兩部分,一部分為5.0×1.8(直墻高)的半圓拱斷面,另一部分為3.5×0.5(直墻高)的半圓拱斷面。經(jīng)計算,強排水倉實際有效容量即為圖1陰影部分體積45.85×5+24.38×3.5=314.58m3>300m3,滿足設(shè)計要求。
②“大開挖V型”+“一字型”構(gòu)建方式
假如強排管路沿巷道敷設(shè)至地面,則強排水倉宜采用“大開挖V型”+“一字型”構(gòu)建方式,即強排水倉巷道與水倉入口斜段巷道底部呈直角相連,其布置方式見圖3、圖4。
圖3 強排水倉構(gòu)建方案剖面
圖4 強排水倉構(gòu)建方案平面
經(jīng)計算,強排水倉實際有效容量即為圖c陰影部分體積45.85×5+148.83×3.5=750.555m3>700m3,滿足設(shè)計要求。
通過對比以上兩種構(gòu)建方式,“V”型方式施工相對簡單,儲水量較??;而“大開挖V型”+“一字型”施工相對復(fù)雜,但儲水量大。結(jié)合大恒煤業(yè)地面、井下巷道的布置情況,為簡化排水系統(tǒng),節(jié)省投資,設(shè)計在已有選煤廠變電所附近設(shè)置強排鉆孔(h=300m,φ=315 mm)直通井下采區(qū)水倉,強排水倉與采區(qū)水倉采用“V”型構(gòu)建方式。
從以上兩構(gòu)建方式來講,其主要的決定因素為強排管路的敷設(shè)路徑和強排水量。在強排水量一定的情況下,從施工難易程度、工期、工程量和投資角度分析,如適宜布置地面鉆孔則采用“V”型構(gòu)建方式;如地面不易布置鉆孔,則采用“大開挖V”十“一字型”的布置方式。