神东矿区采区式煤矿地下水库系统设计研究

张 保，郝秀强，李会强

(1.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；2.国家能源集团技术经济研究院，北京 102211)

神东矿区在我国能源保障供应中发挥着重要的作用[1，2]。神东矿区地处内蒙古、陕西、山西接壤地带，是典型的干旱缺水地区，水资源匮乏，生态环境脆弱。长期高强度的煤炭开发造成大量矿井水损失，外排的矿井水大量蒸发，且易造成土地盐碱化，导致矿区及周边土地有沙漠化、荒漠化倾向，进一步加剧了矿区及其周边地区的水资源短缺，严重制约着矿区可持续发展[3]。针对神东矿区水资源保护和利用的问题，顾大钊院士提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库理论框架和技术体系，并在神东矿区进行了大量的工程实践。截至2021年6月，神东矿区除锦界煤矿外的其他煤矿均布置有煤矿地下水库，且长期安全稳定运行，每年为矿区生产、生活和生态以及周边产业供水超过7000万m3，年创造直接经济效益超过10亿元，为矿区发展提供了可靠的水资源保障[4，5]。

1 煤矿地下水库设计理念

目前神东矿区大部分矿井使用的是分布式地下水库如图1所示，即多个采空区为子水库，子水库之间用供水管道、排水管道、加压泵和排水泵连接，并建设有泵房、井下水处理站、采区水仓、工作面水仓、管道钻孔等附属设施，上述子水库、连接管道及附属设施共同形成矿井水循环和水处理系统。

图1 分布式地下水库

子水库分为采区式和工作面式。采区式子水库是以两个以上工作面形成的采空区为储水空间的煤矿地下水库。工作面式子水库是以一至两个工作面形成的采空区为储水空间的煤矿地下水库。

采区式子水库：为了增大水库库容，并且增加矿井水的流水路径和净化效果，一般矿井会将整个采区或采区的一部分作为煤矿地下水库储水区域，工作面回采过程中保留采区边界煤柱并施工人工坝体与其连接结构，同时适时配套建设注、出水管路、泵房等其他设施，便形成了采区式子水库，神东矿区大部分地下水库都是该类型水库。

工作面式子水库：某些工作面地质条件较为特殊，适合建设工作面式子水库，最为典型的就是大柳塔煤矿52503工作面，该工作面布置在两个断层之间，52503工作面底板标高较两侧工作面平均低26m，有利于矿井水的汇集和存储，是大柳塔煤矿下煤层工作面式子水库选址的最佳区域[6]，如图2所示。由此，大柳塔煤矿提前布局，在该工作面设计时已经预留了子水库相关管路和硐室，子水库建设避免了重复建设，后期储水用水非常便利[7]。

图2 工作面式子水库

采区式和工作面式子水库主要区别是水库边界范围和布局时间。工作面式子水库的边界为两工作面间煤柱，需要在工作面回采前提前布局人工坝体、进出水管路、水泵等。采区式子水库的边界是采区边界煤柱，工作面间煤柱不构筑人工坝体，在采区边界煤柱上构筑人工坝体，首采工作面人工坝体和出水系统需提前布置，其他人工坝体和注水系统需根据采区内储水位置结合工作面回采顺序等进行综合考虑，逐步进行布局。

截至2021年6月，神东矿区13座煤矿共建有地下水库17个，储水面积共1729.4万m2，储水量共1835.6万m3。其中，采区式子水库12个，储水量1650.9万m3，占比89.9%；工作面式子水库5个，储水量184.7m3，占比10.1%，神东矿区煤矿地下水库统计见表1。

采区式子水库具有储水量大、调节水量弹性强等优势，具备煤矿地下水库建设条件的矿井大部分均可建设采区式子水库见表1，神东矿区大部分子水库为采区式子水库，采区式子水库是分布式煤矿地下水库设计的核心。

采区式子水库的选址原则：

1)在初步设计已确定的采区划分方案中选择煤层底板标高相对较低的采区，并确定为首采采区，兼顾矿井初期井巷工程量，该采区不宜离井筒过远。

2)采区内底板隔水层厚度较厚，底板渗透性较差。

3)采区内无与底板含水层沟通的导水构造，无不良地质构造。

4)煤层厚度较厚，且厚度变化不大，煤层底板倾角较小，最好为单斜构造，最高点和最低点有一定高差。

在子水库实际选址过程中很难有采区能满足以上全部条件，视具体情况进行综合评价后选址。

表1 神东矿区煤矿地下水库统计

2 采区式煤矿地下水库设计体系

采区式煤矿地下水库设计体系由采区水库及巷道布置、坝体设计、水库库容计算、管路设计、相关硐室及设备布置和安全监控系统等方面组成，采区式煤矿地下水库设计体系如图3所示。

图3 采区式煤矿地下水库设计体系

3 采区式子水库设计研究

在《煤矿地下水库建设适应性条件及其设计体系》中对煤矿地下水库设计体系中的煤柱坝体宽度计算、人工坝体结构形式及厚度确定、坝体连接处掏槽参数、安全监测监控系统等进行了详细地阐述[8]，本文中不再赘述，以下根据不同开采方法重点阐述采区式煤矿地下水库工作面布置、联络巷其管路布置、库容计算、相关设备及硐室等设计。

我国目前常用的采煤方法中走向长壁采煤法、倾斜长壁采煤法、大采高一次采全厚、放顶煤长壁采煤法、水平分层采煤法等可以形成面积较大且规整的采空区，有利于井下储水，适宜建设采区式煤矿地下水库，以走向长壁和倾斜长壁采煤法为例进行分析。

3.1 走向长壁开采(上山)

走向长壁开采(上山)采区的工作面由低向高逐个开采，水库联络巷尽量采用工作面联络巷，所有工作面回采完毕后在联络巷中均构筑人工坝体，代替传统密闭墙，隔绝采空区矿井水和有害气体。所有人工坝体上布置应力、应变、防灾监测设备，在最低处和关键位置人工坝体上布置水位监测设备[9，10]。水库注水口布置在底板标高最高工作面上侧回风巷道中的人工坝体上，出水口布置在底板标高最低工作面下侧运输巷道中的人工坝体上[11]。注水和出水管路通过联络巷延伸至辅助运输上山中，注水管路应计算水压，在适当位置布置加压硐室。出水根据水质情况，如采空区净化程度较好，出水达标，可直接通向采区/矿井井底水仓[12，13]。如采空区净化程度较差，可直接通向水处理硐室。走向长壁开采(上山)采区水库布置方式如图4所示。

图4 走向长壁开采(上山)采区水库布置

水库库容主要影响因素有工作面走向长度、倾向长度、水位高度和储水系数等。库容计算可采用以下公式[14-16]：

式中，V为储水量，m3；h为煤矿地下水库内矿井水的水位，m；θ为煤层倾角，(°)；l为工作面走向长度，m；d为工作面倾向积水宽度，m；R0为随时间和水位变化的储水系数。

在整个注、出水管路在合适的位置安装阀门、测压仪、流量计等，对水流速度进行控制和监测。注、出水管路的管径考虑备品备件可与矿井设计中给排水管路选取一致，但也需进一步校核。

注、出水管路管径可采用以下公式校核：

式中，d为管路内径，m；Q为通过管子的额定流量，m3/h；v为管路经济流速，一般注水管路为1.5～2.2m/s，出水管路为0.8～1.5m/s。

注、出水管路管壁厚度可采用以下公式校核：

式中，δ为管壁计算厚度，cm；p为计算管段的最大工作压力，MPa；DW为管路外径，cm；[σ]为管材的许用应力，MPa；φ为管路焊接系数。

其他采区布置方式也可用式(2)、式(3)计算和校核注、出水管路管径。

3.2 走向长壁开采(下山)采区水库设计

走向长壁开采(下山)采区的工作面开采顺序、联络巷和管路布置、坝体设计、安全监测设备等与上山采区原则一致。区别在于注、出水管路与采区水仓的结合。由于下山采区必须在采区最低点布置采区水仓和水泵房，水库可不用建设专门与其他子水库调水的排水泵，可利用采区水泵。将出水管路直接延伸至采区沉淀池，根据预计的采空区净化程度选择性地建设采区水处理硐室。走向长壁开采(下山)采区水库布置方式如图5所示。

图5 走向长壁开采(下山)采区水库布置

3.3 倾斜长壁开采(俯采)采区水库设计

倾斜长壁开采不同走向长壁开采，俯采时工作面联络巷均处于采区较低处，无法满足将矿井水从采区最高处注入水库的原则[17]。工作面由低向高逐个开采，在采区回采完毕前，在最高工作面的外侧布置一条注水管路巷道，布置注水管路，注水口布置在采区最高点，并延伸至采空区内。出水口布置在底板标高最低工作面的人工坝体上。在采区巷道靠近注水管路侧辅助运输巷或联络巷中布置加压硐室，满足矿井水注入采空区的最低水压。俯采采区储水需要注意的是终采线的确定不仅考虑采区巷道的保护煤柱，还要考虑煤柱承压水和防渗透等因素，理论上煤柱宽度越宽，裂隙发育越少，防渗透效果越好，但也需要考虑煤柱损失和经济性。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。而且由于所有人工坝体及其连接处均处在采区较低处，所受水压较大，在构筑人工坝体是需加强防渗方面施工工艺，且应力、应变、防灾监测是水库安全的重点。倾斜长壁开采(俯采)采区水库布置方式如图6所示。

图6 倾斜长壁开采(俯采)采区水库布置

3.4 倾斜长壁开采(仰采)采区水库设计

仰采时工作面联络巷均处于采区较高处，无法满足将矿井水从采区最低处导出水库的原则[18]。工作面由低向高逐个开采，在首采面外侧布置一条出水管路巷道，布置出水管路，出水口布置在采区最低点。在出水口附近布置加压硐室，将矿井水加压排至水仓或水处理硐室。倾斜长壁开采(仰采)采区水库布置方式如图7所示。

图7 倾斜长壁开采(仰采)采区水库布置

4 不同采煤方法子水库优缺点

神东矿区17个煤矿共有采区式子水库12个，涵盖了采用以上不同采煤方法形成的子水库，见表2。其中上山开采5个、下山开采2个、俯采2个、仰采3个。不同采煤方法形成的子水库均有优缺点，不同采煤方法子水库特点见表3。

从子水库建设的新增巷道、设备及硐室、矿井水净化效果、矿井巷道安全性、煤柱坝体和人工坝体构筑难度、安全监测设备投入、灾变危害严重程度等方面分析不同开采方式的子水库特点。从投资方面分析，俯采和仰采采区需要新增注、出水管路巷道，俯采采区坝体构筑和监测设备投入较大，仰采采区投入较小。从安全角度分析，下山开采(配强排泵)和仰采安全性较高，一般情况下子水库水位低于大巷标高，发生灾变时不会波及大巷及其他采区。

表2 神东矿区煤矿地下水库采煤方法统计

综上所述，结合投资和安全性考虑，仰采采区布置子水库最佳，下山采区次之，上山采区可布置子水库，俯采采区需谨慎布置子水库。

表3 不同采煤方法子水库特点

5 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，煤矿地下水库在神东矿区已实践多年，取得了良好的应用效果，但推广难度较大，主要原因是目前煤矿地下水库未形成完善的设计、标准、规范体系。在神东矿井建设煤矿地下水库的过程中往往处于边回采、边规划、边施工的状态，出现煤柱坝体宽度不足、人工坝体渗水、未施工注出水管路巷道、净化水效果不佳等问题。不同的采区布置方式引起矿井水流通路径不同，其矿井水净化效果不同，矿井水的净化效果与采空区压实度、顶板岩性、岩体破碎程度等均有关系，有待进一步研究。

富煤贫水的矿区建设时如在矿井可行性研究、初步设计阶段对分布式煤矿地下水库进行宏观规划，在采区设计和施工图阶段进行子水库详细设计，并与矿井设计做到同时施工和验收，能极大发挥煤矿地下水库的作用，有效兼顾投资和安全性，减少外排带来环保和矿井水蒸发损失的问题。

随着煤矿地下水库设计体系的完善，相关的标准和规范逐步发布及应用，在富煤贫水的地区新建矿井前可先行分析分布式煤矿地下水库建设的必要性，随矿井设计同步开展其设计，能够使更多矿井更加科学地建设分布式煤矿地下水库，从而使其有更广阔的应用前景，为煤炭行业在绿色、环保、生态等方面发挥更大作用。