煤矿地下水库建设需注意的关键技术问题

陈苏社

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

大柳塔煤矿是国家能源集团神东煤炭集团公司的特大型骨干矿井，建设和发展30多年来，十分重视矿井开采过程中的生态保护，尤其是在绿色开采方面，树立建设“煤水共采型矿井”的思想，始终坚持“黑色乌金，绿色开发”的理念，在观念上实现了从“节能减排”向“低碳微排”转变，从“矿井水害”向“矿井水利”转变。大柳塔煤矿高度重视煤炭开采过程中对矿井水资源的保护，充分发挥利用“水往低处流”的自然规律，首次在井下大胆建设了地下水库，创造性地设计施工了安全可靠的地下水库“丁”字型人工坝体，并将井下污水全部回灌到采空区进行自然净化储存利用，实现污水近零升井；同时，首次成功施工了155 m的大垂深垂直钻孔，并利用“连通器”原理，尽可能地实现“自然压差供水”，合理高效循环利用，节省了能源，保护了水资源，保护了环境，保证了矿井安全，并创造了巨大的经济效益。目前该技术已在国家能源集团内部矿井全面推广，在国内其它矿井也在逐步推广。煤矿地下水库在建设过程中有一些需要特别注意的关键技术问题，如果这些技术问题处理不好，就可能影响地下水库的建设质量，甚至导致地下水库建设失败，根据井下现场实践经验，本文就对煤矿地下水库建设过程中需要注意的关键技术问题进行探讨和介绍。

1 煤矿地下水库建设条件及规划

1.1 煤矿地下水库建设条件

煤炭开采后，在不同开采水平形成了大量的采空区，随着开采对上覆岩层扰动的结束，采空区趋于稳定，形成了较大的空隙空间，由于地板的不透水性，为矿井水存储提供了空间条件。煤矿地下水库是对开采形成的采空区加以改造形成地下储水空间，将同一水平、不同水平，甚至矿区的多个煤矿地下水库通过人工通道进行连通，根据采煤生产接续计划，对矿井水进行分时分地储存，在地面建设相应的抽采与回灌工程，实现矿井水的抽采利用与回灌储存，形成煤矿地下水库，建设煤矿地下水库关键要考虑两个方面的因素，一是需要有足够的地下储水空间；二是需要有充足的水源。除此之外，还要考虑矿井所在地区的生态条件和水库的可持续应用条件等。

水资源保护：矿井位于水资源比较缺乏或者严重缺乏的地区，运用地下水库技术对于水资源保护和生态环境保护的意义重大。

采煤方法：矿井采用全部垮落法管理顶板[1]。由于地下水库的核心原理是利用采空区矸石对矿井水进行过滤和利用采空区矸石缝隙对矿井水进行储存，因此工作面顶板必须采用全部垮落法进行管理，采用房柱式开采或者顶板不是采用全部垮落法管理的矿井不适合建设地下水库。

煤层倾角：煤层倾角不宜过大，最适宜建设地下水库的煤层倾角为2°～8°，倾角越小越有利于建设地下水库。近水平煤层建设水库储水能力较大，倾斜煤层也可建设地下水库，但其储水能力相对较小，如要提高储水能力，则需建设阶梯水库。

煤的硬度：煤的硬度比较大的煤层。一般普氏系数大于2比较好，煤层硬度越大坝体强度越高，水库安全性越好。

水文地质条件：矿井水文地质条件一般为中等及中等以下，但矿井涌水量不能太小，更不能为零。涌水量太大的矿井，水库容易很快注满，满了就注不进去了，就无法实现水循环利用。同时如果矿井涌水量太小或者为零，就没有水源，就不能形成地下水库。比如锦界煤矿水文地质条件为复杂型矿井，矿井涌水量为3 000～5 000 m3/h，地下水库难以全部存下矿井涌水，但可以采用小部分利用、大部分外排的方式[2]。

无压茬问题：规划建设地下水库的采空区区域按照矿井采掘接续计划在一定时间之内与下部未采煤层不得存在压茬问题，不得影响下部煤层的安全开采。既要保证地下水库具有一定的服务年限，又要保证下部煤层的安全开采。在开采水库下方煤层之前，必须将上部全部水体提前转移到下层煤水库[3]。

人工坝体：人工坝体的施工质量要有保证，要能满足地下水库的安全需要，安全系数一般要大于3。

1.2 煤矿地下水库的规划和准备

煤矿建设地下水库不是想建就能立即建成的，需要提前进行系统性地规划，充分结合煤层赋存特点和矿井中长期采掘接续计划，做大量的准备工作[4]。

水库位置：建设地下水库前，首先要仔细研究井田内煤层的赋存特点，弄清煤层的起伏和底板高程情况，找出适合建设地下水库的相对低凹区域，选择地下水库的合理位置。

规划设计：编制盘区接续时，要提前总体规划、总体设计，首采区尽可能选在低凹区域，以便于能早日形成水库，早日投入使用，盘区各工作面开采顺序应由低向高逐渐开采。

煤层群开采：煤层群开采时水库选址要结合中长期采掘接续计划，合理进行规划选址，水库下方煤炭资源尽可能安排在后期开采，能够尽可能延长水库服务期限。

实施步骤：地下水库的设计建设应与采掘活动同步进行，提前研究，提前规划，提前设计，分步、分阶段实施。采煤的过程就是建设地下水库的过程。

联巷密闭：在拟建水库的区域，综采面回采期间封闭采空区施工顺槽联巷密闭时，应在所有低凹处的联巷密闭底部增加返水管，以保证未来水库水源畅通，避免形成阶梯水库，不利于水资源的合理高效利用，故回采的过程也就是建库的过程。

工程实例：以大柳塔矿井地下水库建设为例，该矿井共有两个开采水平，分别为一水平2-2煤和二水平5-2煤，地下水库就建设在一水平2-2煤层，如图1所示。为了尽量延长地下水库的服务期限，在开采5-2煤时将一水平地下水库对应的四盘区规划在各盘区的最后开采，二水平5-2煤盘区开采顺序为：三盘区→五盘区→六盘区→一盘区→二盘区→四盘区。

图1 大柳塔井一水平2-2煤地下水库与二水平5-2煤各盘区位置关系

为了建设地下水库水循环利用系统，在施工5-2煤3条大巷时，就同步施工了地下水库的水循环利用硐室，如图2所示。

图2 大柳塔井5-2煤1号水循环利用硐室示意图

大柳塔矿井目前正在建设的5-2煤地下水库也是提前10年就进行了规划，将地下水库选址在两条落差约为26 m的地堑位置，即52503综采面采空区区域，如图3所示。该地下水库用到的取水泵房和取水硐室在掘进施工52503工作面顺槽时就一并掘出来，等52503综采面采完后，这些硐室就可以直接投入地下水库建设使用。如果建设地下水库需要的硐室不在工作面掘进时一并施工出来，等到后期再调队伍掘进，就十分困难，要做大量的重复性的工作，甚至有可能根本不再具备施工条件。

图3 大柳塔井5-2煤地下水库规划图

2 地下水库位置与施工技术

2.1 地下水库位置的确定

在考虑地下水库的选址时既要考虑其安全性，又要考虑矿井水有足够的净化距离，保证净化效果。

空间区域：在矿井地下空间勘察基础上，根据地质条件、岩体结构等，确定分布式地下水库的空间位置。地下水库应建设在地质条件好、安全性高、工程费用低的区域。选取的原则是：首先根据构造分布，选取构造较少的区域；其次根据地层，选取地层标高较低的区域[5-7]。

自流特性：充分研究利用“水往低处流”的自然规律，尽可能发挥自然压差的优势，自流能够满足要求的地方，坚决不用泵排，泵排既不可靠，又不节能[8-9]。

净化距离：采空区注水要选择水库底板地势较高的地方注入，要有一定的净化距离，一般在1 000 m以上，最少不低于500 m，净化距离越大越好，以防污染清水水质。

自动排水：注水尽量采用自动排水泵，这样没有水时就能自动停泵，既保护了水泵，又节省了电能和费用。

预留管路：现场注水条件净化距离不能满足水质净化的要求时，可考虑采用在回采时预留注水管路、增加净化距离的方法。

盘区布局：在矿井分布式地下水库空间位置选取的基础上，考虑开采条件，确定开采盘区布局，需确保上述选取的地下水库包含于同一盘区。针对已确定的开采盘区进行工作面布置，根据地层高低由低向高布置工作面，使开采后地势较低工作面首先形成地下水库，以利于通过自然渗流快速形成储水空间。

采煤工艺：离大巷较近的房柱式采空区和旺采采空区不适合建设地下水库，综采面采空区可用于建设地下水库。

2.2 地下水库坝体施工技术

地下水库的储水空间是由煤柱坝体和人工坝体围成的，其中煤柱坝体是在回采过程中留设形成的，人工坝体需要在后期建设地下水库时施工，两种坝体的强度必须满足矿井的安全要求[10]。

煤柱坝体设计要求：煤柱坝体要有足够的宽度，以保证足够的强度，一般在煤层硬度较大的条件下，煤柱宽度一般在30 m以上，最小不应小于20 m。

人工坝体施工技术：人工坝体用来封堵煤柱坝体之间的空间，人工坝体的稳定性是保证地下水库安全的关键，为了保证人工坝体的稳定性，大柳塔煤矿创新发明了“丁”字形人工坝体。人工坝体主要材料为砼、工字钢、锚杆和钢筋网片，施工前在巷道顶底帮要掏槽，顶槽深度一般不小于200 mm，帮槽和底槽深度一般不小于300 mm，如图4所示[11]。

图4 “丁”字形人工坝体施工设计示意图

如图4所示，坝墙内工字钢布置方式为里竖五、中横三、外竖一，坝墙外丁字形支撑墙内工字钢布置方式为横三、竖一，工字钢之间采用电气焊焊接，顶帮均施工φ18 mm×2 100 mm全锚螺纹钢锚杆，并在工字钢前后铺设两层φ6.5 mm钢筋网，并用10#铅丝将锚杆、工字钢、网片绑扎在一起。坝墙采用C30混凝土浇筑为一个整体，浇筑完成后采用喷砼的方式封顶及堵漏。经清华大学水利专家论证该墙体结构安全可靠、稳定，当安全系数为3.0时，最大承载水位为60 m。

注意事项：①人工坝体质量一次到位，砼振动密实，接顶严实不漏水，接顶很关键；在浇筑坝墙封顶之前，整个坝墙的浇筑都采用振动棒充分振动保证强度及密实性，尤其是帮槽和底槽的周边区域，更要反复振动，保证密实性；当坝墙浇筑至距离顶板一定高度(根据坝墙的宽度不同，一般选取200～1 000 mm)时停止浇筑，采用多次喷砼的方式进行封顶，砼标号不小于C30；喷砼封顶分层进行，即每喷一层混凝土后等其凝固后再继续喷一层，直至封顶严密；②人工坝体尽可能提前研究设计规划，并按地下水库要求强度一次施工到位，避免重复加固施工；③人工坝体附近管路尽可能使用不锈钢钢管和不锈钢阀门，并且管壁要厚一点，阀门应安装两道，先使用最外面一道，与人工坝体最近的一道阀门作为备用；④人工坝体外清水自流管路加装水位压力表和透明管，以便准确直观掌握地下水库水位情况，可以及时对水位进行调整，保证水库安全，如图5所示；⑤人工坝体设计位置应该在巷道口或联巷口留设5～6 m的距离，不能在巷道口或联巷口不留余地、齐头施工，一旦人工坝体需要加固时，还有加固的空间；⑥地下水库所在煤层生产采用加压泵供水时，加压泵距水库人工坝体不能太近，尽量保持一段距离比较好，最好在50 m以外的合适位置安装加压泵，以防加压泵长期振动对人工坝体造成缓慢破坏而漏水；⑦人工坝体施工完毕并且水库储水后，如果人工坝体上方顶板和两帮裂隙有漏水现象，可以采取注马丽散(高分子材料)的措施消除漏水问题；⑧在拟建水库的区域施工人工坝体时，不能增加黄土墙，避免黄土对水质的污染。

图5 地下水库水压表、透明管监测水位示意图

3 地下水库的安全设施和安全管理

3.1 地下水库的安全设施

为了保证地下水库的安全，需要建设配套的安全设施并加强水库的安全管理，主要做好以下几个方面的工作[5，12-13]。

防灾排水泵：在地下水库关键部位的水仓要安设防灾大泵，并且水泵和开关设施要尽可能安设高一些，一般为1 m以上，如图6所示。

图6 防灾大泵示意图

保护墙：人工坝体上的所有引水管路阀门都要施工保护设施(保护墙)，以防车辆撞坏时，水管无法关闭而造成水灾。

坝体加固：位于地下水库最高水位标高以下的各个人工坝体必须加固可靠，强度足够，预防水灾。

3.2 安全管理

图纸资料：与地下水库相联通的所有巷道要全部掌握清楚，全部上图，不能有遗漏。

防止小窑越界：在已存水的采空区周围附近，如果有相邻矿井或者有正在生产的小煤窑，要强调告诉小煤窑不能越界开采，预防水淹小窑。

定期巡检：定期对井下采空区水位、人工坝体和煤柱坝体进行巡检，发现异常及时采取有效措施进行处理。

水位调节：根据各水库的水位情况进行控制调节，水库间通过自流管路进行水位调节，也可通过自流系统向地面自流供水来调节水位。还有通过控制各水库注水量也可调节水库水位，确保水库的安全。通过减小向高水位水库的注水量，增大向低水位水库的注水量的方法，也是水库水位调节的另一种手段。

清洁生产：尽量在井下生产过程中做到清洁生产，不乱丢垃圾，废旧油脂不乱倒，及时回收到地面，从而尽量减少对井下水的污染。

提高保护意识：煤矿企业主要领导要提高矿井水资源保护利用意识，提高对地下水库重要性的认识，要树立变“水害”为“水利”的观念，是做好煤矿地下水库技术推广应用工作的前提和保证。

4 结语

大柳塔煤矿经过多年的实践与研究，形成了一套高效建设与安全运行地下水库的关键技术，包括水库选址、坝体建设、污水回灌和清水取用管网布置等，该系统具有“循环型、环保型、节能型、效益型”4大特点和“井下供水、井下排水、矿井水处理、水灾防治、环境保护、节能减排”6大功能，使矿井水资源得到安全高效利用，取得了非常可观的经济效益。未来也可研究在煤层群开采且层间距很大的条件下储水蓄能发电的可行性；也可研究在矿井煤炭资源全部开采结束以后，考虑将整个矿井全部规划为地下水库，储存大量的水资源，建设大型水厂，由开采煤炭资源转化为开采水资源，向社会供水，实现产业转型，实现可持续发展。