煤矿地下水库建设适应性条件及其设计体系

张 保，曹志国，池明波，吴宝杨，张西斌，张 勇

（1.国家能源集团技术经济研究院，北京 102211；2.国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京110011；3.华能煤业有限公司，北京 100070；4.华能云南滇东能源有限责任公司矿业分公司，云南曲靖 655508）

神东矿区位于干旱缺水的毛乌素沙漠边缘地区，生态环境极其脆弱，水资源严重匮乏[1-2]。目前西部矿区已经成为我国煤炭资源开发的“主战场”，煤炭大规模开采使生态环境和水资源情况加速恶化，造成了西部矿区缺水的局面[3-4]。随着神东矿区建设规模不断扩大，生产和生活用水量也随之增加，而地面水资源日渐匮乏导致矿区用水的问题越来越突出，西部矿区水资源的保护与利用已成为国家战略要求和煤炭企业必须解决的关键问题[5-6]。现有的保水采煤和将大量矿井水外排会引起水资源大量蒸发损失的问题[7-8]。针对上述神东矿区水资源保护与利用的问题，顾大钊院士首次提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库矿井水保护与利用的理念，并在神东矿区13 个矿井进行了大量的工程实践，目前已建成煤矿地下水库33 座，储水量最高时达3 300 万m3，给矿区供应95%以上的用水，每年创造经济效益10 亿元以上，并在西部其他矿区积极推广。

1 建设煤矿地下水库的适应性条件

1）水资源匮乏、生态脆弱地区。我国水资源分布为南多北少、东多西少，而煤炭资源北富南贫，西多东少，水资源与煤炭资源呈现逆向分布的特点。晋陕蒙甘宁等省份已探明的煤炭资源储量占全国总储量的71.6 %，而水资源量仅占全国的3.9 %。我国西部矿区开发面临2 个问题：一是水资源匮乏；二是生态环境脆弱。西部地区长期干旱，年降水量小，蒸发量远大于降雨量，地表植被不良，这些地区随着工农业和经济社会的发展，加之煤炭高强度开发，缺水的问题日趋严重。据统计，西部地区正在生产和建设的大型煤炭基地，矿区水源地日供水能力仅为需水量的1/2。西部矿区是我国煤炭的主产区，产能关系到国家能源安全，传统的保水采煤会对产能产生一定的影响。既要保证产能，又要对水资源进行保护和利用，煤矿地下水库建设无疑是最佳的选择。

2）采煤方法。根据不同的地质条件、开采条件、资源储量和设计生产能力等，可选择的采煤方法有很多种，总体来说柱式采煤法不适宜建设煤矿地下水库。采用壁式采煤法中的走向长壁采煤法、倾斜长壁采煤法、大采高一次采全厚综采、综采放顶煤、水平分层采煤法等矿井均能形成面积较大且规整的采空区，且顶板管理采用全部垮落法，有利于井下储水，适宜建设地下水库。

3）煤层倾角和厚度及煤的硬度。①建设煤矿地下水库较为适宜的是近水平煤层，煤层倾角0°～8°，煤层倾角越小，底板起伏越小，水库储水系数越高，反之，煤层角度越大，储水系数越低，而且当水头高度高于人工坝体时，矿井水通过人工坝体上部裂隙渗流，人工坝体上部有渗水的可能性；②建设煤矿地下水库较为适宜的是中厚煤层和厚煤层，一般采高越大，采空区空间越大，储水量越高，反之，薄煤层储水空间小，而且随着底板起伏，低洼处形成不可循环的静水的可能性增大，不利于水库间调水和水资源再利用；③煤矿地下水库坝体大部分为设计留设的保护煤柱，煤的强度很关键，是煤体抗破坏能力的主要指标之一，直接影响到煤柱坝体的安全性，一般普氏系数f 大于2 的硬煤其强度能满足水库的建设要求，煤的普氏系数越高，煤柱坝体抗破坏能力越强，坝体越安全。

4）水文地质条件。一般水文地质条件为中等及简单的矿井适宜建设煤矿地下水库，矿井主要为孔隙、裂隙、岩溶含水，补给水量较稳定，有一定的补给水源，一般历年矿井涌水量较稳定的矿井最佳。涌水量较大的矿井，水库库容短时间内注满，调水空间很小，仍需依靠排水系统将大部分矿井水外排，不宜建设分布式地下水库。

5）其他开采条件。①煤层顶板：伪顶、直接顶一般为中硬岩层，如顶板岩层普氏系数太高，顶板管理较复杂，容易发生顶板事故，尤其顶板大面积冒落事故，一般会引起小范围矿震，不利于煤矿地下水库坝体的稳定性，而顶板岩层普氏系数太低可能会导致采空区破碎岩体碎涨系数偏低，水库储水系数过低，不利于水库蓄水；②煤层底板：水库一般建设在底板岩层渗透性低的煤层中，且底板起伏较少，底板不能遇水泥化，易对出水口造成阻塞；③瓦斯：一般选择瓦斯矿井，由于高瓦斯矿井一般会进行煤层瓦斯抽采，瓦斯抽采的过程会使煤柱裂隙扩展，而布置过瓦斯抽采钻孔的煤柱不宜作为水库煤柱坝体使用，建成后易渗水，水库利用采空区建设而成，高瓦斯矿井采空区上方瓦斯积聚，而调水会影响瓦斯运移，有可能造成水库周围巷道瓦斯超限；④冲击地压：井巷或工作面周围可能出现能量突然释放的动力现象，一般有强烈震动、瞬间底（帮）鼓、煤岩弹射等现象，煤矿地下水库煤柱坝体内一般存在应力集中，冲击地压不利于煤柱坝体的稳定性，由此，有强冲击倾向性矿井不宜建设地下水库；⑤地震烈度：由于自然地震有可能引起井下局部甚至大规模矿震，不利于煤矿地下水库坝体的稳定性，因此，建设地下水库的矿井其地震基本烈度不宜超过7 度。

6）多煤层开采顺序。多煤层开采时在以下条件下可进行上行开采：上部煤层为劣质煤或薄煤层或不稳定煤层，开采困难，下部煤层为厚煤层或优质煤，且上行开采不影响上煤层完整性；上部煤层有冲击地压或煤与瓦斯突出危险，下部煤层作为解放层开采；上部煤层含水丰富，采下部煤层有利于疏水。多煤层开采可进行上行开采时，适宜在下煤层较低或有天窗位置布置煤矿地下水库，该方法既能增加地下水库使用年限，又能避免水库压覆和时空衔接的问题。

2 煤矿地下水库设计体系

通过对煤矿地下水库的提前规划、布局和设计可将煤矿地下水库设计体系的构建及其与矿井整体设计深度融合。煤矿地下水库设计体系如图1。

图1 煤矿地下水库设计体系Fig.1 Coal mine underground reservoir design system

1）水库选址。分布式地下水库由若干采区或工作面子水库组成，根据初步设计确定的采区划分，分析各采区覆岩含水层赋存情况、水力联系、地下水补迳排条件、底板标高、底板渗透性和隔水层厚度和导水构造分布情况等[9-10]。上覆岩层含水层厚度较大、底板标高较低、渗透性差、隔水层较厚且无导水构造的采区适宜建设子水库，实际选址时很难有采区能满足以上全部条件，可视具体情况综合评价，进行子水库选址。当上下煤层同时布置子水库时，下煤层水库选址要充分考虑与上煤层水库的安全距离，且要尽量减少上下水库间的调水距离[11]。

2）库容设计。子水库的库容主要受采空区岩体碎胀系数、采区面积、底板起伏和储水系数等影响[12-13]。当子水库不仅作为储水单元，且在水循环中起到净化水的作用，还应考虑采区涌水量、矿井水平衡等因素。如某采区地质条件好，建设条件和经济性高，适宜建设长期服务的子水库，但采区涌水量不稳定，为稳定出水量和增强净化效果，应适当加大采区面积，增加库容且加长矿井水净化距离，使其出水流量稳定且可直接在井下回用[14]。

3）子水库时空顺序。采区衔接顺序一般遵循距主副井先近后远、埋深先浅后深、多煤层开采先上后下的原则，子水库建设就是采区采空区形成的过程，因此，子水库时空顺序应主要考虑与采区衔接相协调。近水平煤层开采时，可适当调整采区开采顺序，根据水库选址先开采适宜建设长期服务子水库的采区。在首个子水库达到预警水位之前，需建设完成其他子水库或及时泄水。根据各水库不同净化效果，提前规划各水库在水循环系统中的作用，依据各子水库重要程度对子水库建设进行排序，对采区衔接计划进行微调。

4）管网及巷道布置。各子水库需有至少1 个注水口和1 个出水口，通过给排水管路将各子水库连接，用于各子水库均不超过预警水位和常规的调水。各子水库由于水流路径及采空区岩体岩性不同，净化效果不同，将各出水口水质进行检测，根据不同的水质将各出水管分别接入消防洒水、采掘设备用水、水处理和排水等系统。沿走向推进的采区，一般注水口和出水口均在采区巷道侧，管路、加压泵房及其附属设施可布置在进、回风巷道口和采区联络巷内，采用已有巷道改造或预留的方式布置。沿倾向推进的采区，一般注（出）水口在采空区最远端，需提前预留2 条巷道用于布置给（排）水管路，掘进至净化水路径最远端或底板最高（低）处，出（注）水口、管路、加压泵房及其附属设施可布置在进、回风巷道口和采区联络巷内。

5）煤柱坝体设计。煤矿地下水库坝体由煤柱坝体和人工坝体组成，其中煤柱坝体一般为采区边界保护煤柱或相邻工作面间保护煤柱。根据水库选址规划，提前对保护煤柱进行定性定位，煤柱坝体宽度应符合《煤矿防治水细则》中防隔水煤柱尺寸不得小于20 m 的规定。巷道一侧煤柱非弹性区受埋深、顶底板岩性、矿压等因素影响，而地下水库一侧煤柱非弹性区还受到侧向水压、水浸时间、水浸次数等因素影响[15]，水压致裂和水浸弱化煤体强度，多因素影响煤柱非弹性区的机理较为复杂，目前仍难以量化计算，由此，煤柱坝体宽度仍需要理论计算、物理实验、现场经验相结合的方法确定[16-17]。对于生产矿井，按照正常工作面回采留设了保护煤柱，有储水需求而将采空区改造成地下水库，原保护煤柱有渗漏的风险，储水前应对煤柱进行安全评价，存在安全风险的区域需进行局部注浆加固。煤柱宽度可采用式（1）计算[18]：

式中：W 为煤柱坝体宽度，m；x0为地下水库一侧煤柱非弹性区宽度，m；x0′为巷道一侧煤柱非弹性区宽度，m；k 为调整系数；M 为煤层厚度，m。

6）人工坝体设计。每个工作面回采后在进、回风巷道口构筑人工坝体，其安全性主要受尺寸、构筑形式、承载力和稳定性等影响。人工坝体目前的构筑形式主要有平板型、T 字型、工字型、梯形等。平板型人工坝体结构为砖、充填材料、素混凝土、钢筋混凝土、工字钢等构筑的单一或复合结构。人工坝体根据厚度计算公式保证坝体的承载力，通过选择有针对性的构筑形式保证坝体的稳定性[19]。人工坝体厚度可采用式（2）计算：

式中：S 为人工坝体厚度，m；K1为调整系数，p为抗水压强度，MPa；F 为坝体截面积，m2；［τ］为坝体抗剪强度，MPa；L 为煤柱坝体内掏槽槽体周长，m。

7）坝体连接处设计。坝体连接处是指人工坝体嵌入煤柱坝体的部分及其锚固部件。构筑人工坝体前需在煤柱上进行掏槽，掏槽深度在一定程度上增加了连接处煤体和混凝土之间的接触面积，有利于连接处防渗。连接处连接工艺是指人工坝体与煤柱坝体之间锚固方式、参数，一般采用锚杆，也可采用工字钢、钢板或组合形式。锚杆间排距不宜过密或过疏，既要连接处煤体裂隙发育程度不宜过高，又能达到连接强度要求，锚杆间距一般为500～800 mm，排距一般为500～600 mm。连接处在开槽后需视界面破坏程度进行预注浆处理，人工坝体砌成后也需对缝隙进行注浆防渗处理，注浆浆液以水泥类、水泥—水玻璃双浆液、水泥黏土类、黏土浆液等为主。注浆材料的性能主要包括粒度、黏稠度、凝结时间、稳定性、流动性、抗腐蚀性和抗渗性等，注浆材料的耐久性和抗渗性在地下水库设计中尤为重要。掏槽深度可采用式（3）计算：

式中：E 为掏槽深度，m；K2为调整系数；［δ］为人工坝体和煤柱坝体抗压强度较小值，MPa。

8）水库安全监测监控系统。为了对煤矿地下水库的相关安全参数进行全面监测监控，在水库关键位置应布置相应的监测设备。在煤柱坝体和人工坝体外侧关键位置布置有害气体、应力应变监测传感器，人工坝体外侧除此之外还应布置水位、水质监测设备。设计用于收集和处理大量监测数据的地下水库多信息数据分析及处理平台，将各监测数据交互联通，形成完整的水库安全监测系统，并将其作为1个子系统纳入矿井安全生产监控及自动化系统之中。根据监测数据反馈结果，对水库日常运行安全进行实时监测，并在矿井主监控系统中实时显示。设计基于传感器收集、监测数据采集、智能处理的安全预警系统，实现水库安全参数超标时能智能预警，并确定危险类型、级别和危险源位置。

9）调水系统。调水系统分为常规水循环调水、调蓄和应急排水系统。个别子水库其净化水效果较好，可代替常规水循环中的沉淀和过滤的流程，矿井水经净化效果好的子水库后，对出水口水质进行监测，若符合井下冲洗用水、设备用水或消防洒水水质要求，可接入相应的给排水管路。由此该子水库、给排水管路及水泵被纳入常规水循环调水系统。水库安全监测系统中对每个子水库水位进行监测，调蓄系统是为了保证每个子水库水位保持在警戒线以下，利用调水管路将高水位水库的矿井水调入低水位水库。另外，根据上下煤层采区衔接计划，确定子水库时空顺序，上下煤层子水库间调水也属于调蓄系统。某子水库其涌水量会出现突变的情况，普通调蓄系统无法满足排水要求，应设计有应急排水装置，其阀门和管路应大于普通调蓄系统。若出现矿震或冲击地压会导致水库坝体不稳定，具备建设条件的多个子水库可在井下巷道最低点共建灾变潜水泵排水系统，由地面直接供电并控制。以上各调水系统可将管路、阀门、水泵进行精简优化设计，达到满足功能的前提下经济合理。

3 煤矿地下水库设计与矿井整体设计深度融合

煤矿地下水库设计的各个系统都与矿井设计密不可分，需要两者深度融合[20]。煤矿地下水库设计与煤矿设计对应关系如图2。

图2 煤矿地下水库设计与煤矿设计对应关系Fig.2 Corresponding relation between underground reservoir design and coal mine design

根据采区水文地质条件进行水库选址，根据采区划分进行库容设计，同时为了让建设条件好的子水库增加服务年限和库容，也可适当调整采区划分范围。子水库时序应与采区衔接计划紧密结合，以采区衔接计划为主，尽量兼顾由低到高的开采顺序。根据子水库具体设计，确定煤柱坝体和人工坝体位置，煤柱坝体宽度、人工坝体及其连接处结构、形式进行单项计算和设计，代替常规设计中的采区煤柱留设尺寸、工作面密闭墙及其防渗措施方面的设计。水库安全监测监控系统进行专项设计，作为独立子系统纳入综合监控及自动化系统中，实现对水库日常运营和安全数据的实时监测。调水系统发挥着及其重要的作用，子水库的净化功能可代替水处理工艺中部分环节，该系统可与水处理系统相结合，同时也应将调水系统接入给排水和应急排水系统。

综上所述，煤矿地下水库设计工作应与新建矿井可行性研究报告、初步设计、安全设施设计、施工图设计和竣工验收等设计阶段进行高度协调同步，与矿井设计做到“四同时”：即同时规划、同时设计、同时施工、同时验收。

4 结 语

基于顾大钊院士提出的以“导储用”为核心的煤矿地下水库理论框架和技术体系，论述了建设煤矿地下水库的适应性条件，构建了以水库选址、库容设计、子水库时序、煤柱坝体设计、人工坝体及连接处设计、管网及巷道布置、调水系统、安全监控系统为核心的设计体系。

随着我国部分煤炭开发地区水资源短缺的问题日益严重，生态环境急剧恶化，环保政策日趋严格，煤矿地下水库技术成为矿区水资源保护和利用的最佳选择，能解决矿井水外排蒸发带来的水资源损失问题，又能实现矿井水零排放，减少矿井水上下井的电力消耗，促使了矿井水的高效利用，减少了水处理的沉淀净化环节，能为煤矿在环保、节能、经济、技术等多方面发挥重要作用。