特大型矿井地面防治水工程中雨水收集排放系统设计

朱泽民

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

矿井水害是煤矿主要灾害之一，矿井在建设和生产过程中，地面水和地下水通过各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，就造成矿井水灾[1～6]。矿井工业场地的大气降水、场地周边输移过来的各类地表水，如果不及时排除，将对整个工业场地造成洪涝灾害，倘若大量的降水和输移水在很短的时间内通过渗漏区或井口进入井下，还将严重威胁井下巷道、人员、生产设施等。地面防治水是预防矿井水灾的第一道防线，对于以大气降水和地表水为主要涌水水源的矿井来说尤为重要[7]。当内涝或洼地积水有可能浸入井下时，应采取拦截疏导、压实防渗、填矸造田或设泵站排出等消除矿井水害措施[8]。地面防治水工程中，当完全依靠重力自流排水确有困难时，在矿井工业场地设置排水泵站是必不可少的，在我国很多矿井中也较为常见，如唐庄矿在屯头河大堤北侧建设了一座排水能力为1500m3/h的排洪站，将塌陷区积水排入屯头河[9]；乐平矿务局沿沟煤矿在王家桥和深坑建设了排水能力为720m3/h的转排站，将低洼区汇水转排至总排水沟后引入涌山河[10]。本文以布尔台煤矿为例，介绍了该矿工业场地地面防治水工程中雨水收集系统、雨水强排泵站和雨水压力排放管道的设计和建设情况，以期为特大型矿井地面防治水工程中的雨水收集排放系统提供工程示范和技术参考。

1 工程概况

中国神华布尔台煤矿设计生产能力20.0Mt/a，是世界上一次设计、连续施工，单井设计生产能力最大的井工煤矿；配套地面同步设计的群矿型选煤厂设计规模达31.0Mt/a，也是目前世界上最大的选煤厂[11]。布尔台井田位于东胜煤田南部，井田面积约为193km2，充水水源主要为延安组砂岩水和直罗组、志丹群砂砾岩水，附近无小煤矿，不受小窑水影响[12]。布尔台工业场地东侧紧临乌兰木伦河，西侧临山，整个工业场地建在乌兰木伦河二级河滩地上[13]，雨水完全依靠重力自流排放条件有限。因此，鉴于布尔台煤矿和群矿选煤厂在国内乃至国际首屈一指的地位，以及该工业场地特殊的地势条件，为了保障矿井安全，避免井下和地面工业场地免受洪水和内涝的危害，加强地面防治水工程尤为重要。

布尔台煤矿及选煤厂工业场地东临乌兰木伦河，西南侧为山坡，整个场地占地面积非常大，地面防治水工程中雨水收集排放系统设计内容主要有雨水管网及防洪沟、雨水强排泵站、雨水压力排放管道等，雨水收集排放系统布置如图1所示。

图1 雨水收集排放系统总布置图

2 雨水管网及防洪沟

2.1 下垫面情况及降雨参数

布尔台煤矿及选煤厂工业场地占地面积62.215hm2(含选煤厂占地17.5hm2及公司辅助化区占地10.5hm2)，其中场内道路29160m2，硬化场地97000m2，铺砌场地18000m2，场内绿化8.0hm2，其余为工业建筑、福利设施等建构筑物。

采用包头市暴雨强度公式：

i=9.96(1+0.985lgP)/(t+5.40)0.85

式中，i为设计暴雨强度，mm/min；P为设计重现期，a；t为降雨历时，min。

2.2 雨水管网

工业场地雨水经雨水口收集，通过雨水管进入强排泵站的集水池，最终排入乌兰木伦河。工业场地暴雨设计重现期按2a考虑，地面集水时间按10min考虑，沿道路一侧布置雨水管，管材采用Ⅱ级钢筋混凝土排水管，整个场地共布置d800雨水管871m，d600雨水管1424m，d400雨水管2363m，d200雨水管62m。按40m左右间距布置雨水口，共布置偏沟式单箅雨水口125座，雨水口深度控制为设计地面下-1.0m。检查井采用圆形砖砌雨水检查井，共布置Φ1250mm 井64座、Φ1000mm井72座。

2.3 防洪沟

场地西南侧山坡汇水面积为2.0km2，暴雨期洪水设计流量为45.9m3/s。为满足场地西南侧山坡洪水及场地内雨水的顺利排放，在场地北侧与金烽寸草塔场地交界处，设置防洪沟。防洪沟全长750.0m，宽4.0m，深2.5m，纵坡0.92%，M7.5浆砌块石护砌，沟顶设预应力混凝土圆孔板盖板。在场地东侧铁路装车站站场路基中设置排洪涵，并设置闸门。正常情况下山坡洪水及场地内雨水可通过排洪涵顺利排入乌兰木伦河。当乌兰木伦河洪水位在该段(东南角)标高高于+1170.7m时，关闭排洪涵闸门，防止洪水倒灌入工业场地。由于工业场地东南标高均低于工业场地平场标高，而且装车站过乌兰木伦河大桥处最高洪水位标高低于井口标高，当排洪涵闸门关闭后，场地西南侧山坡洪水及场地内雨水可沿铁路装车站西南侧边沟排入乌兰木伦河。因此，设计考虑从铁路装车站终点往东南至乌兰木伦河大桥处，铁路装车站西南侧设置与场内防洪沟行洪能力相应的边沟。

3 雨水强排泵站

根据《煤炭工业矿井设计规范》，矿井工业场地防洪设计标准应为重现期100a[14]。由于整个工业场地建在二级河滩上，工业场地东南角为整个场地最低点，标高为+1170.7m，而与之紧邻的乌兰木伦河此处的百年一遇的最高洪水位为+1175.0m，考虑到壅水和风浪袭击高度0.5m及安全高度0.5m，相应防洪设计标高为+1176.0m，因此，为保护矿井工业场地免受洪水和内涝威胁，在工业场地东南角靠近火车装车站处设计一座雨水强排泵站。当紧邻东南角的乌兰木伦河的水位标高低于+1170.7m时，场地雨水可通过设置于火车装车站处路基中的排水涵重力自流排放，当乌兰木伦河水位高于+1170.7m时，为了防止河水倒灌，排水涵上的闸门关闭，启动雨水强排泵站进行排水。

3.1 平面布置

根据《室外排水设计规范》，排水泵站宜设计为单独的建筑物，雨水泵站应采用自灌式泵站[15]，因此设计一座独立的半地下式雨水泵站，泵站平面布置如图2所示。集水池容积为500m3，有效容积为250m3。

图2 雨水强排泵站平面图

3.2 设备选型

采用包头市暴雨强度公式推算一场历时2h的典型降雨，重现期采用100a，综合径流系数根据整个工业场地下垫面情况加权平均得出，经模拟计算，径流峰值约为3.0m3/s。由于雨水泵站的集水池只考虑吸水功能，不考虑调节功能，因此水泵配置与径流峰值匹配，设计5台水泵，单台水泵额定流量2000m3/h，总流量10000m3/h。设备配置表见表1。为了降低启动电流，水泵采用阶梯启动模式，排水开始时，根据集水池水位，逐台自动启动排水泵，径流峰值时5台泵全部启动。排水即将结束时，根据集水池水位，逐台自动关闭排水泵，以实现最大程度节能。集水池定期清理沉积的泥沙、杂物，以保障水泵正常运行，延长水泵寿命。

表1 雨水强排泵站主要设备配置表

4 雨水压力排放管道

雨水压力排放管采用单泵单管的形式，共设置5趟DN700压力排放管。由于泵房与乌兰木伦河之间有3股道的运煤铁路，运煤铁路轨面标高1180m，路基宽度32m，雨水压力排放管如何穿越铁路是本工程的难点，如果采用从上方跨越穿过，由于轨面较宽，须建设一座管桥，对安全行车有一定影响，而且由于管位抬高势必要增大排水泵的扬程，不利于节能。经与内蒙古铁道勘测设计事务所有限公司协商，最终采用设计套涵形式从铁路下方穿越，套涵为1～4m钢筋混凝土框架涵，净高2.5m，管道在套涵内布置，如图3所示。

图3 套涵内管道布置断面图

为了防止对乌兰木伦河床的冲刷破坏，在位于压力排放管末端处的河床上设消能池，采用混凝土水池，尺寸4000mm×1000mm×1000mm，壁厚200mm，底板300mm，强度等级C30，基础为M7.5浆砌毛石。施工完毕后将下游侧涵口用浆砌片石封死，以防乌兰木伦河水倒灌进涵洞。

5 结 语

针对布尔台煤矿及选煤厂场地的地面防治水工程的难点，对雨水压力排放管如何穿越铁路进行了分析论证，最终采用设计套涵形式从铁路下方穿越。在排水泵选型时，根据下垫面情况及降雨参数等，通过SWMM模型软件对典型降雨进行了模拟，得出了重现期为100a、历时2h的典型降雨的径流峰值，为水泵选型提供了科学可靠的依据。布尔台煤矿作为特大型矿井的代表，其地面防治水工程中雨水收集排放系统的设计具有典型意义，能为其他矿井及类似工程在进行地面防治水工程设计时提供工程示范和参考借鉴。