張 保，郝秀強(qiáng)，李會(huì)強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)家能源集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 102211)

神東礦區(qū)在我國(guó)能源保障供應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用[1，2]。神東礦區(qū)地處內(nèi)蒙古、陜西、山西接壤地帶，是典型的干旱缺水地區(qū)，水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。長(zhǎng)期高強(qiáng)度的煤炭開(kāi)發(fā)造成大量礦井水損失，外排的礦井水大量蒸發(fā)，且易造成土地鹽堿化，導(dǎo)致礦區(qū)及周邊土地有沙漠化、荒漠化傾向，進(jìn)一步加劇了礦區(qū)及其周邊地區(qū)的水資源短缺，嚴(yán)重制約著礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展[3]。針對(duì)神東礦區(qū)水資源保護(hù)和利用的問(wèn)題，顧大釗院士提出了“導(dǎo)儲(chǔ)用”為核心的煤礦地下水庫(kù)理論框架和技術(shù)體系，并在神東礦區(qū)進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐。截至2021年6月，神東礦區(qū)除錦界煤礦外的其他煤礦均布置有煤礦地下水庫(kù)，且長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，每年為礦區(qū)生產(chǎn)、生活和生態(tài)以及周邊產(chǎn)業(yè)供水超過(guò)7000萬(wàn)m3，年創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)10億元，為礦區(qū)發(fā)展提供了可靠的水資源保障[4，5]。

1 煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)理念

目前神東礦區(qū)大部分礦井使用的是分布式地下水庫(kù)如圖1所示，即多個(gè)采空區(qū)為子水庫(kù)，子水庫(kù)之間用供水管道、排水管道、加壓泵和排水泵連接，并建設(shè)有泵房、井下水處理站、采區(qū)水倉(cāng)、工作面水倉(cāng)、管道鉆孔等附屬設(shè)施，上述子水庫(kù)、連接管道及附屬設(shè)施共同形成礦井水循環(huán)和水處理系統(tǒng)。

圖1 分布式地下水庫(kù)

子水庫(kù)分為采區(qū)式和工作面式。采區(qū)式子水庫(kù)是以?xún)蓚€(gè)以上工作面形成的采空區(qū)為儲(chǔ)水空間的煤礦地下水庫(kù)。工作面式子水庫(kù)是以一至兩個(gè)工作面形成的采空區(qū)為儲(chǔ)水空間的煤礦地下水庫(kù)。

采區(qū)式子水庫(kù)：為了增大水庫(kù)庫(kù)容，并且增加礦井水的流水路徑和凈化效果，一般礦井會(huì)將整個(gè)采區(qū)或采區(qū)的一部分作為煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水區(qū)域，工作面回采過(guò)程中保留采區(qū)邊界煤柱并施工人工壩體與其連接結(jié)構(gòu)，同時(shí)適時(shí)配套建設(shè)注、出水管路、泵房等其他設(shè)施，便形成了采區(qū)式子水庫(kù)，神東礦區(qū)大部分地下水庫(kù)都是該類(lèi)型水庫(kù)。

工作面式子水庫(kù)：某些工作面地質(zhì)條件較為特殊，適合建設(shè)工作面式子水庫(kù)，最為典型的就是大柳塔煤礦52503工作面，該工作面布置在兩個(gè)斷層之間，52503工作面底板標(biāo)高較兩側(cè)工作面平均低26m，有利于礦井水的匯集和存儲(chǔ)，是大柳塔煤礦下煤層工作面式子水庫(kù)選址的最佳區(qū)域[6]，如圖2所示。由此，大柳塔煤礦提前布局，在該工作面設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)預(yù)留了子水庫(kù)相關(guān)管路和硐室，子水庫(kù)建設(shè)避免了重復(fù)建設(shè)，后期儲(chǔ)水用水非常便利[7]。

圖2 工作面式子水庫(kù)

采區(qū)式和工作面式子水庫(kù)主要區(qū)別是水庫(kù)邊界范圍和布局時(shí)間。工作面式子水庫(kù)的邊界為兩工作面間煤柱，需要在工作面回采前提前布局人工壩體、進(jìn)出水管路、水泵等。采區(qū)式子水庫(kù)的邊界是采區(qū)邊界煤柱，工作面間煤柱不構(gòu)筑人工壩體，在采區(qū)邊界煤柱上構(gòu)筑人工壩體，首采工作面人工壩體和出水系統(tǒng)需提前布置，其他人工壩體和注水系統(tǒng)需根據(jù)采區(qū)內(nèi)儲(chǔ)水位置結(jié)合工作面回采順序等進(jìn)行綜合考慮，逐步進(jìn)行布局。

截至2021年6月，神東礦區(qū)13座煤礦共建有地下水庫(kù)17個(gè)，儲(chǔ)水面積共1729.4萬(wàn)m2，儲(chǔ)水量共1835.6萬(wàn)m3。其中，采區(qū)式子水庫(kù)12個(gè)，儲(chǔ)水量1650.9萬(wàn)m3，占比89.9%；工作面式子水庫(kù)5個(gè)，儲(chǔ)水量184.7m3，占比10.1%，神東礦區(qū)煤礦地下水庫(kù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

采區(qū)式子水庫(kù)具有儲(chǔ)水量大、調(diào)節(jié)水量彈性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，具備煤礦地下水庫(kù)建設(shè)條件的礦井大部分均可建設(shè)采區(qū)式子水庫(kù)見(jiàn)表1，神東礦區(qū)大部分子水庫(kù)為采區(qū)式子水庫(kù)，采區(qū)式子水庫(kù)是分布式煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)的核心。

采區(qū)式子水庫(kù)的選址原則：

1)在初步設(shè)計(jì)已確定的采區(qū)劃分方案中選擇煤層底板標(biāo)高相對(duì)較低的采區(qū)，并確定為首采采區(qū)，兼顧礦井初期井巷工程量，該采區(qū)不宜離井筒過(guò)遠(yuǎn)。

2)采區(qū)內(nèi)底板隔水層厚度較厚，底板滲透性較差。

3)采區(qū)內(nèi)無(wú)與底板含水層溝通的導(dǎo)水構(gòu)造，無(wú)不良地質(zhì)構(gòu)造。

4)煤層厚度較厚，且厚度變化不大，煤層底板傾角較小，最好為單斜構(gòu)造，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)有一定高差。

在子水庫(kù)實(shí)際選址過(guò)程中很難有采區(qū)能滿足以上全部條件，視具體情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后選址。

表1 神東礦區(qū)煤礦地下水庫(kù)統(tǒng)計(jì)

2 采區(qū)式煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)體系

采區(qū)式煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)體系由采區(qū)水庫(kù)及巷道布置、壩體設(shè)計(jì)、水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算、管路設(shè)計(jì)、相關(guān)硐室及設(shè)備布置和安全監(jiān)控系統(tǒng)等方面組成，采區(qū)式煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)體系如圖3所示。

圖3 采區(qū)式煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)體系

3 采區(qū)式子水庫(kù)設(shè)計(jì)研究

在《煤礦地下水庫(kù)建設(shè)適應(yīng)性條件及其設(shè)計(jì)體系》中對(duì)煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)體系中的煤柱壩體寬度計(jì)算、人工壩體結(jié)構(gòu)形式及厚度確定、壩體連接處掏槽參數(shù)、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)地闡述[8]，本文中不再贅述，以下根據(jù)不同開(kāi)采方法重點(diǎn)闡述采區(qū)式煤礦地下水庫(kù)工作面布置、聯(lián)絡(luò)巷其管路布置、庫(kù)容計(jì)算、相關(guān)設(shè)備及硐室等設(shè)計(jì)。

我國(guó)目前常用的采煤方法中走向長(zhǎng)壁采煤法、傾斜長(zhǎng)壁采煤法、大采高一次采全厚、放頂煤長(zhǎng)壁采煤法、水平分層采煤法等可以形成面積較大且規(guī)整的采空區(qū)，有利于井下儲(chǔ)水，適宜建設(shè)采區(qū)式煤礦地下水庫(kù)，以走向長(zhǎng)壁和傾斜長(zhǎng)壁采煤法為例進(jìn)行分析。

3.1 走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(上山)

走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(上山)采區(qū)的工作面由低向高逐個(gè)開(kāi)采，水庫(kù)聯(lián)絡(luò)巷盡量采用工作面聯(lián)絡(luò)巷，所有工作面回采完畢后在聯(lián)絡(luò)巷中均構(gòu)筑人工壩體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)密閉墻，隔絕采空區(qū)礦井水和有害氣體。所有人工壩體上布置應(yīng)力、應(yīng)變、防災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)備，在最低處和關(guān)鍵位置人工壩體上布置水位監(jiān)測(cè)設(shè)備[9，10]。水庫(kù)注水口布置在底板標(biāo)高最高工作面上側(cè)回風(fēng)巷道中的人工壩體上，出水口布置在底板標(biāo)高最低工作面下側(cè)運(yùn)輸巷道中的人工壩體上[11]。注水和出水管路通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷延伸至輔助運(yùn)輸上山中，注水管路應(yīng)計(jì)算水壓，在適當(dāng)位置布置加壓硐室。出水根據(jù)水質(zhì)情況，如采空區(qū)凈化程度較好，出水達(dá)標(biāo)，可直接通向采區(qū)/礦井井底水倉(cāng)[12，13]。如采空區(qū)凈化程度較差，可直接通向水處理硐室。走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(上山)采區(qū)水庫(kù)布置方式如圖4所示。

圖4 走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(上山)采區(qū)水庫(kù)布置

水庫(kù)庫(kù)容主要影響因素有工作面走向長(zhǎng)度、傾向長(zhǎng)度、水位高度和儲(chǔ)水系數(shù)等。庫(kù)容計(jì)算可采用以下公式[14-16]：

式中，V為儲(chǔ)水量，m3；h為煤礦地下水庫(kù)內(nèi)礦井水的水位，m；θ為煤層傾角，(°)；l為工作面走向長(zhǎng)度，m；d為工作面傾向積水寬度，m；R0為隨時(shí)間和水位變化的儲(chǔ)水系數(shù)。

在整個(gè)注、出水管路在合適的位置安裝閥門(mén)、測(cè)壓儀、流量計(jì)等，對(duì)水流速度進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。注、出水管路的管徑考慮備品備件可與礦井設(shè)計(jì)中給排水管路選取一致，但也需進(jìn)一步校核。

注、出水管路管徑可采用以下公式校核：

式中，d為管路內(nèi)徑，m；Q為通過(guò)管子的額定流量，m3/h；v為管路經(jīng)濟(jì)流速，一般注水管路為1.5～2.2m/s，出水管路為0.8～1.5m/s。

注、出水管路管壁厚度可采用以下公式校核：

式中，δ為管壁計(jì)算厚度，cm；p為計(jì)算管段的最大工作壓力，MPa；DW為管路外徑，cm；[σ]為管材的許用應(yīng)力，MPa；φ為管路焊接系數(shù)。

其他采區(qū)布置方式也可用式(2)、式(3)計(jì)算和校核注、出水管路管徑。

3.2 走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(下山)采區(qū)水庫(kù)設(shè)計(jì)

走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(下山)采區(qū)的工作面開(kāi)采順序、聯(lián)絡(luò)巷和管路布置、壩體設(shè)計(jì)、安全監(jiān)測(cè)設(shè)備等與上山采區(qū)原則一致。區(qū)別在于注、出水管路與采區(qū)水倉(cāng)的結(jié)合。由于下山采區(qū)必須在采區(qū)最低點(diǎn)布置采區(qū)水倉(cāng)和水泵房，水庫(kù)可不用建設(shè)專(zhuān)門(mén)與其他子水庫(kù)調(diào)水的排水泵，可利用采區(qū)水泵。將出水管路直接延伸至采區(qū)沉淀池，根據(jù)預(yù)計(jì)的采空區(qū)凈化程度選擇性地建設(shè)采區(qū)水處理硐室。走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(下山)采區(qū)水庫(kù)布置方式如圖5所示。

圖5 走向長(zhǎng)壁開(kāi)采(下山)采區(qū)水庫(kù)布置

3.3 傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采(俯采)采區(qū)水庫(kù)設(shè)計(jì)

傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采不同走向長(zhǎng)壁開(kāi)采，俯采時(shí)工作面聯(lián)絡(luò)巷均處于采區(qū)較低處，無(wú)法滿足將礦井水從采區(qū)最高處注入水庫(kù)的原則[17]。工作面由低向高逐個(gè)開(kāi)采，在采區(qū)回采完畢前，在最高工作面的外側(cè)布置一條注水管路巷道，布置注水管路，注水口布置在采區(qū)最高點(diǎn)，并延伸至采空區(qū)內(nèi)。出水口布置在底板標(biāo)高最低工作面的人工壩體上。在采區(qū)巷道靠近注水管路側(cè)輔助運(yùn)輸巷或聯(lián)絡(luò)巷中布置加壓硐室，滿足礦井水注入采空區(qū)的最低水壓。俯采采區(qū)儲(chǔ)水需要注意的是終采線的確定不僅考慮采區(qū)巷道的保護(hù)煤柱，還要考慮煤柱承壓水和防滲透等因素，理論上煤柱寬度越寬，裂隙發(fā)育越少，防滲透效果越好，但也需要考慮煤柱損失和經(jīng)濟(jì)性。由此，煤柱壩體寬度仍需要理論計(jì)算、物理實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定。而且由于所有人工壩體及其連接處均處在采區(qū)較低處，所受水壓較大，在構(gòu)筑人工壩體是需加強(qiáng)防滲方面施工工藝，且應(yīng)力、應(yīng)變、防災(zāi)監(jiān)測(cè)是水庫(kù)安全的重點(diǎn)。傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采(俯采)采區(qū)水庫(kù)布置方式如圖6所示。

圖6 傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采(俯采)采區(qū)水庫(kù)布置

3.4 傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采(仰采)采區(qū)水庫(kù)設(shè)計(jì)

仰采時(shí)工作面聯(lián)絡(luò)巷均處于采區(qū)較高處，無(wú)法滿足將礦井水從采區(qū)最低處導(dǎo)出水庫(kù)的原則[18]。工作面由低向高逐個(gè)開(kāi)采，在首采面外側(cè)布置一條出水管路巷道，布置出水管路，出水口布置在采區(qū)最低點(diǎn)。在出水口附近布置加壓硐室，將礦井水加壓排至水倉(cāng)或水處理硐室。傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采(仰采)采區(qū)水庫(kù)布置方式如圖7所示。

圖7 傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采(仰采)采區(qū)水庫(kù)布置

4 不同采煤方法子水庫(kù)優(yōu)缺點(diǎn)

神東礦區(qū)17個(gè)煤礦共有采區(qū)式子水庫(kù)12個(gè)，涵蓋了采用以上不同采煤方法形成的子水庫(kù)，見(jiàn)表2。其中上山開(kāi)采5個(gè)、下山開(kāi)采2個(gè)、俯采2個(gè)、仰采3個(gè)。不同采煤方法形成的子水庫(kù)均有優(yōu)缺點(diǎn)，不同采煤方法子水庫(kù)特點(diǎn)見(jiàn)表3。

從子水庫(kù)建設(shè)的新增巷道、設(shè)備及硐室、礦井水凈化效果、礦井巷道安全性、煤柱壩體和人工壩體構(gòu)筑難度、安全監(jiān)測(cè)設(shè)備投入、災(zāi)變危害嚴(yán)重程度等方面分析不同開(kāi)采方式的子水庫(kù)特點(diǎn)。從投資方面分析，俯采和仰采采區(qū)需要新增注、出水管路巷道，俯采采區(qū)壩體構(gòu)筑和監(jiān)測(cè)設(shè)備投入較大，仰采采區(qū)投入較小。從安全角度分析，下山開(kāi)采(配強(qiáng)排泵)和仰采安全性較高，一般情況下子水庫(kù)水位低于大巷標(biāo)高，發(fā)生災(zāi)變時(shí)不會(huì)波及大巷及其他采區(qū)。

表2 神東礦區(qū)煤礦地下水庫(kù)采煤方法統(tǒng)計(jì)

綜上所述，結(jié)合投資和安全性考慮，仰采采區(qū)布置子水庫(kù)最佳，下山采區(qū)次之，上山采區(qū)可布置子水庫(kù)，俯采采區(qū)需謹(jǐn)慎布置子水庫(kù)。

表3 不同采煤方法子水庫(kù)特點(diǎn)

5 結(jié) 語(yǔ)

基于顧大釗院士提出的以“導(dǎo)儲(chǔ)用”為核心的煤礦地下水庫(kù)理論框架和技術(shù)體系，煤礦地下水庫(kù)在神東礦區(qū)已實(shí)踐多年，取得了良好的應(yīng)用效果，但推廣難度較大，主要原因是目前煤礦地下水庫(kù)未形成完善的設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系。在神東礦井建設(shè)煤礦地下水庫(kù)的過(guò)程中往往處于邊回采、邊規(guī)劃、邊施工的狀態(tài)，出現(xiàn)煤柱壩體寬度不足、人工壩體滲水、未施工注出水管路巷道、凈化水效果不佳等問(wèn)題。不同的采區(qū)布置方式引起礦井水流通路徑不同，其礦井水凈化效果不同，礦井水的凈化效果與采空區(qū)壓實(shí)度、頂板巖性、巖體破碎程度等均有關(guān)系，有待進(jìn)一步研究。

富煤貧水的礦區(qū)建設(shè)時(shí)如在礦井可行性研究、初步設(shè)計(jì)階段對(duì)分布式煤礦地下水庫(kù)進(jìn)行宏觀規(guī)劃，在采區(qū)設(shè)計(jì)和施工圖階段進(jìn)行子水庫(kù)詳細(xì)設(shè)計(jì)，并與礦井設(shè)計(jì)做到同時(shí)施工和驗(yàn)收，能極大發(fā)揮煤礦地下水庫(kù)的作用，有效兼顧投資和安全性，減少外排帶來(lái)環(huán)保和礦井水蒸發(fā)損失的問(wèn)題。

隨著煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)體系的完善，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范逐步發(fā)布及應(yīng)用，在富煤貧水的地區(qū)新建礦井前可先行分析分布式煤礦地下水庫(kù)建設(shè)的必要性，隨礦井設(shè)計(jì)同步開(kāi)展其設(shè)計(jì)，能夠使更多礦井更加科學(xué)地建設(shè)分布式煤礦地下水庫(kù)，從而使其有更廣闊的應(yīng)用前景，為煤炭行業(yè)在綠色、環(huán)保、生態(tài)等方面發(fā)揮更大作用。