井下共享吸水系统的研究与应用

姜启彬 秦 涛 范备战

（临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿，山东 菏泽 274700）

随着煤矿采掘不断延伸，工作面逐个进行回采，受大面积采空区影响，原有的采区生产系统可能受到影响，不能继续使用。因采区回采接近尾声，按照矿井主要水仓施工，又造成资源浪费且工期较长，不利于采区生产。利用现有采区巷道布置情况，选取合适区段进行水仓改造或施工符合要求的新水仓[1-3]，既能解决水仓排水要求，也不影响采区生产。

1 工程背景

根据四采区设计对工作面顺槽布置的要求，向斜西部块段煤层回采完毕后，在靠近DF61-1 断层附近施工工作面顺槽，与四采区轨道巷和四采区胶带巷匹配形成工作面回收采区东南块段煤层。工作面推采至F10 断层位置时，回撤东部工作面，保留西部工作面继续推采至停采线位置。结合现有生产实际现状，4305 工作面回采完后，采区向斜西部块段煤层全部回采完毕，需对向斜东部块段煤层进行回采。原四采区水仓位置处于采区向斜东部块段4306 工作面范围内，待4306 工作面回采时将对采区水仓造成破坏。为确保采区正常排水，需另行设计采区水仓。

2 适用领域及技术路线

井下共享吸水系统借鉴矿井主要水仓的设计思路，通过单个吸水井配合管道闸阀对2 个以上的独立水仓进行排水，优化了吸水井、排水泵站、配水巷关系，简化了复杂的施工过程，在满足采区水仓要求的情况下，尽量减少井巷工程施工量，同时减少设备投入维护。

共享吸水系统利用现有巷道布置吸水井和泵房，仅需施工独立水仓，施工一处吸水井即可，不必施工配水巷、吸水井等复杂工程，特别适合顶板不稳定的巷道，可用于涌水量不超过100 m³/h 的采区布置或老采区水仓改造。

3 关键技术创新及经济分析

3.1 技术研究内容及创新点

四采区向斜轴部为采区低洼点，但受4306 回采影响，新水仓不能布置在低洼点位置，且四采区尚有3 个工作面未回采，新水仓服务期限必须满足剩余工作面回采要求。四采区轨顺巷和胶带巷沿煤层顶板掘进，巷道坡度高低起伏，临时小水仓不能满足需求，且受4307、4308 工作面布置影响，没有合适位置布置传统形状的环形水仓。经过现场查看，结合采区开拓、工作面布局，利用巷道立交关系设计了“F 型水仓”，并利用F 型水仓特点，设计了井下共享吸水系统。

3.1.1 确定水仓规格

四采区正常涌水量69 m3/h，最大涌水量83 m3/h。为满足排水要求，采区水仓需有不小于276 m3的容量，同时为满足清淤检修要求，应设置2个独立水仓，且互不影响。水仓入口应位于巷道低洼点或局部低洼点处。

3.1.2 选定水仓位置

受4307、4308 工作面布置影响，水仓不能布置在采区巷道最低点，排水泵站应高于水仓入口，尽量利用现有巷道改造。根据水仓要求和现有巷道，将水仓布置在辅助进风巷与胶带巷立交位置，利用两巷道的层位关系在辅助进风巷布置排水泵站，在胶带巷掘进2 个水仓。如图1。

图1 “F”水仓位置平面图（mm）

3.1.3 巷道施工

在辅助进风巷与胶带巷立交点以外10 m，平行于辅助进风巷向轨道巷方向施工2#水仓40 m，相隔10 m 施工1#水仓。两水仓贯通后继续向辅助进风巷施工，预留吸水井位置。水仓断面8 m2，1#水仓有效容量为356 m3，2#水仓有效容量为222 m3，四采区水仓有效容量578 m3。

3.1.4 共享吸水系统

在1#水仓末端砌筑吸水井，砌筑的同时预埋2处Φ530 mm 钢管。钢管一端与1#、2#水仓连通，另外一端与闸阀连通。在1#水仓与2#水仓设置挡水墙，用于隔断水流。吸水井上方用工字钢和钢板覆盖，预留吸水口和梯子间，将闸阀开关引至钢板上方，用于切换水仓水流。如图2、图3。

图2 “F”水仓位置布置图（mm）

图3 “F”水仓剖面图（mm）

3.2 创新点

《煤矿安全规程》和《采矿工程设计手册》对矿井主要水仓有较为明确要求，对采区水仓仅仅是容量要求，因此各煤矿一般参照矿井主要水仓进行设计。标准的水仓虽然容量满足要求，但是工程量大，施工繁琐，对地质条件要求较高，投入比较大，施工周期长，不利于新采区快速投产。

与传统的水仓相比，四采区共享吸水系统具有以下优点：

（1）利用巷道立交关系，巧妙选择水仓位置，能兼顾后续所有工作面顺槽排水进入采区水仓，利于后期工作布置，满足服务年限要求。

（2）在满足水仓容量要求的情况下，节省近一半巷道掘进量，减少成本投入，增加安全效益。

（3）通过隔水墙和配水阀的配合，形成独立的吸水井，可解决卧泵配水问题，同时隔水墙也起到阻挡水仓淤泥的作用。

（4）两个独立水仓共享吸水井的设计，可减少设备投入和维护费用，减少机电事故。

（5）二级沉淀池配合1#、2#水仓，减少水仓淤泥，同时也便于1#、2#水仓清淤。

（6）利用巷道层位关系，合理布置泵房、移变硐室，不必新掘进专用泵房和移变硐室。

（7）通过与四采区辅助胶带巷关系，在立交位置施工排水立眼，可将排水管路引入四采区辅助胶带巷，避免辅助进风巷管路集中放置，减少安全隐患。

（8）系统布置简单，不必施工大断面、超高巷道，施工工序简单，对顶板稳定性要求低。

（9）设备布置简易整洁，便于实现无人值守。

3.3 经济效益分析

3.3.1 经济效益

（1）相比三采区水仓，四采区水仓容量是其容量60%，但是巷道掘进量（按矸石立方计算）仅为三采区水仓28%，巷道利用率高。且三采区水仓为单仓布置，不便于后期清淤。该水仓设计可节省巷道掘进90 m，节省工期30 d。费用90×6000=54万元。

（2）沉淀池、挡水墙、配水阀均可起到污水沉淀作用，使得水仓淤泥达到1.2 m 以上时才需清淤，加之沉淀池和挡淤墙的设计，相比原四采区水仓，清淤次数大幅度减少。四采区水仓可服务四采区4 年，服务3 上二采区10 年以上，清淤费用：14 年×3 次/ 年×4 人×3 m/ 人×30 d×330 元/工=498.96 万元。

（3）2 个水仓共用一个吸水井，相比二采区水仓减少了3 台卧泵的投入，减少机电事故的发生概率，降低机电维护、维修费用。卧泵成本：3×15万元=45 万元。

（4）实现采区水仓、泵房无人值守。每年人均成本费用7 万元，每日3 人值班，14 年人工费用为7×3×14=294 万元。

水仓可节省费用：54+498.96+45+294=891.96万元。

3.3.2 社会安全效益

（1）社会效益

可在开掘传统环形水仓不便的已有巷道中进行布置；可在涌水量不超过100 m³/h 的采区布置。

（2）安全效益

减少巷道掘进，降低生产事故发生率；多级沉淀，设备投入少，降低设备故障率；无人值守，可降低人员伤害事故。

4 结论

共享吸水系统设计思路新颖，可利用巷道层位关系为后期采区水仓、现有水仓改造提供设计参考，以节省巷道掘进成本、施工工期和设备投入，提高经济安全效益。

下一步计划在二、三采区水仓改造中应用共享吸水系统设计思路，扩大水仓有效容量，提高抗灾能力。