三道沟煤矿矿井水复用及采空区储水安全分析

谷民帅

【摘 要】因三道沟煤矿地处陕北黄土高原北缘的干旱地带，为降低用水成本，在矿井回采后的采空区内对矿井涌水进行过滤净化、存储、利用。为确保矿井储水安全，根据国内已有的分析校核方法，对防水密闭墙进行理论承压计算，并将理论计算分析结果、实际观测、矿井涌水量和复用水系统运行情况对比介绍，确定各采空区储水安全水位，保证矿井安全生产。

【关键词】污水 采空区 复用 水位 涌水 密闭墙

三道沟煤矿位于陕西省榆林市府谷县庙沟门镇，设计生产能力900万吨/年。井田地质构造简单，瓦斯矿井，平硐单水平开拓。矿井采用综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板。

煤矿生产需要消耗大量的净水，采空区内部也将储存大量的采空水，通过采空区储水净化复用、有效利用采空区空间、提高经济环保效益的同时，合理控制水位可以减少安全隐患。目前本矿有35101（1700m水仓）、85201两个复用水系统及大量采空区，通过国内已经比较成熟的密闭、煤柱承压分析校核方法，对采空区的水位进行计算分析，从而确定合理安全水位。

1 矿井采空储水及用水现状

1.1 矿井复用水系统

35101复用水仓 三盘区各用水点，供水能力为73.5m?/h。

八盘区复用水仓 四八盘区各用水点， 供水能力为165m?/h。

1.2 其它说明

井下复用水量不足时，从地面井下消防水池取水，向井下供水。复用量富余时，85201复用水进入八盘区水仓排水系统或反供至地面井下消防水池。

1.3 近期矿井用水情况

对我矿2014年7月至2015年4月矿井用水量进行统计，详见表1。

2 矿井涌水量及矿井充水情况

三道沟煤矿矿床主要充水水源为地表水、基岩裂隙水和老空水，充水通道有采动裂隙、风化裂隙、烧变岩裂隙、断层、裂隙密集带、封闭不良钻孔及小窑等。根据矿井历年涌水量资料显示，矿井正常涌水量64m3/h，最大涌水量106m3/h。

三道沟井田首采区范围内小窑老空积水量81.92万m3，本矿采空区积水量8.48万m3，积水情况清楚。

3 各储水区最高水位计算分析

3.1 85201、85203采空区

参照国内已经成熟的分析、校核方法，从防水密闭墙结构受力出发，通过对物理模型的简化，参考材料力学、弹性力学等学科知识，对防水密闭墙进行安全性评估，确定安全水压。

（1）根据防水密闭墙混凝土强度校核。

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

式中：Ps—防水密闭墙承受的安全水压，MPa；

B—巷道净宽，m；取5.5m；

H—巷道净高，m；取4.2m；

E1—帮槽深度，m；取0.5m；

E2—底槽深度，m；取0.2m；

E3—顶槽深度，m；取0.3m；

S1—墙体迎水端受水压作用总面积，m2；取5.5×4.2=23.1；

fc—混凝土抗压强度设计值，MPa；C20强度取9.6；

γ0—结构的重要性系数，取1.2；

γh—混凝土折减系数，取0.85；

计算得安全水头高度h=219m。

（2）按防水密闭墙混凝土抗剪强度及本矿井实际施工的防水密闭墙主要承载结构的长度，确定其承受的安全水压。

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

式中： —防水密闭墙主要承载结构墙体长度，m；取1m；

—混凝土允许抗剪强度，经验公式 ；

—混凝土抗压强度设计值，MPa；

C20强度取9.6；

—混凝土抗拉强度设计值，MPa；

C20强度取1.1；

其它参数同上。

计算得安全水头高度145m。

（3）根据围岩强度校核。根据上述公式，可以推得安全水压公式：

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

式中： —防水密闭墙主要承载结构墙体长度，m；取1m；

γc—掏槽施工对围岩影响系数，取1.6；

τ—岩体允许抗剪强度，岩体允许抗剪强度经验公式τ=0.060～0.078R MPa；

R—岩体抗压强度，MPa，R=ξa×Rc；

RC—岩石抗压强度，MPa；因密闭墙在煤体中，取煤体抗压强度，取6.3MPa；

ξa—岩体裂隙系数，取0.45；

其它参数同上。

计算得安全水头高度7.4m。

（4）根据密闭墙的抗渗性验算。

L>L抗渗=48KHF

上述公式的物理意义为密闭墙墙体长度应大于依据水头高度、墙体渗透系数确定的最小抗渗长度的要求。

根据上述公式，可以推得安全水头高度H=L/（48KF）=91；

式中：K—混凝土渗透系数，混凝土强度等级C20对应的K值为0.00001；

F—砌筑密闭墙处巷道掘进断面积，m2；

H—水头高度值，m；

其它参数同上。

比较上述计算值，取最小值，安全水头高度为7.4m。

储水区应留设的安全煤柱尺寸计算如下：

L=0.5KM =11.4m

式中：L—煤柱留设的宽度，m；

K—安全系数，一般取2～5，本矿井取5；

M—煤层厚度或采高，m；5-2煤取6.3m；

p—水头压力，0.074MPa，取7.4m安全水头高度；

Kp—煤的抗拉强度，MPa，取0.42MPa。

现八盘区所有煤柱尺寸均在20米以上，大于11.4米，满足计算要求。

3.2 35101采空区

同上述计算方法，35101采空区各参数取值如表2。

按墙体抗压强度计算的安全水头高度（m） 按墙体抗剪强度计算的安全水头高度（m） 按煤层抗剪强度计算的安全水头高度（m） 按墙体抗渗性计算的安全水头高度（m）

178 36 3.4 26

根据上述计算，取最小值，安全水头高度为3.4米，1700米联巷密闭处（非最低点）安全水头高度为3m。

储水区应留设的安全煤柱尺寸计算如下：

L=2.25m；

现三盘区煤柱尺寸在20米以上，大于2.25米，满足计算要求。

3.3 其它非复用水采空区

回采综采面相邻采空区联巷间密闭采用砖墙+黄土+砖墙形式，其防水强度远低于砼墙，为安全起见，取砼墙强度一半值，结合现场实际观测，得出八盘区回采工作面采空区安全水头高度为3米，三盘区为1.4m，煤柱留设也满足要求。

3.4 总述

根据上述计算结果，同时结合神东公司井下复合结构防水密闭墙建设标准，如表4。

参照井下复合结构防水密闭墙建设标准，水头高度应在5-10m之间，但根据公司最新《采空区储水管理办法》，采空区储水水头高度不能超过6m，而目前85201机头硐室密闭墙处水位控制在3.5m，复用系统最低点（85203回撤通道3#联巷处）水位高已达6.616m。

所以确定八盘区储水采空区最高水位6m，三盘区储水采空区最高水位3.4m，八盘区其他非复用水采空区最高水位3m，三盘区其他非复用水采空区最高水位1.7m。

4 储水采空区保持最高水位时的储水量计算

4.1 85201、85203采空区

八盘区储水采空区最高水位6m，目前控制85201机头硐室密闭墙水位最高3.5m，最低点闭墙水位高6.616m（85203回撤通道3#联巷处），则复用水仓内最大储水量约为47.8万m3。计算过程如下：

Q=KMS/cosα

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

=47.8万m3

式中：K---充水系数，取0.27

M---煤层采高，取6.3m

S---采空区淹没面积，m2，取305.75*570+305*350。

Q---采空区积水量，m3

八盘区储水采空区出水孔高度距离底板1.3m，可计算出储水采空区可放出复用水22.3万m3，同理，向储水采空区注入污水，在达到最高水位时，可注入22.3万m3。

4.2 35101采空区

三盘区储水采空区最高水位3.4m，则复用水仓内最大储水量约为8.7万m3。计算过程如下：

Q=0.14*2.2*285*1000/cos1=8.7万m3

三盘区储水采空区出水孔高度距离底板0.3m，可计算出储水采空区可放出复用水0.17万m3，同理，向储水采空区注入污水，在达到最高水位时，可注入0.17万m3。

5 结语

通过上述矿井涌水介绍及对密闭规格验算可以得出如下结论：

（1）85201复用水仓安全水位为6m，85201机头硐室密闭墙处水位目前控制在3.5m以下，根据井下现场观测，储水水位达到4米时，储水区域各闭墙附近渗漏量可达到20m?/h；所以从经济、安全方面考虑，目前控制在3.5m水位处较为合理，此时最大储水量约为47.8万m3，可用水量22.3万m3。

（2）35101复用水仓安全水位为3.4m，1700m处密闭墙水位必须控制在3m以下，最大储水量约为8.7万m3，可用水量0.17万m3。

（3）八盘区其他非复用水采空区最高水位3m，三盘区其他非复用水采空区最高水位1.7m。

参考文献：

[1]许家林，钱鸣高.绿色开采的理念与技术框架[J].科技导报，2007，25（7）：61-65.

[2]王宇，王大鹏，霍丙杰.煤矿区保水开采技术实践[J].煤矿开采，2010，15（1）：44-46.

[3]付万军，于宏伟.舒兰煤矿井下污水处理与利用[J].煤炭科学技术，2009，37（5）：122-124.

[4]神华集团有限责任公司.煤矿井下采空区水的净化方法：中国，02129397[P].2005-10-05.

[5]陈苏社，鞠金峰.大柳塔煤矿矿井水资源化利用技术[J].煤炭科学技术，2011，39（2）：125-128.