煤礦地下水庫建設需注意的關鍵技術問題

陳蘇社

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

大柳塔煤礦是國家能源集團神東煤炭集團公司的特大型骨干礦井，建設和發展30多年來，十分重視礦井開采過程中的生態保護，尤其是在綠色開采方面，樹立建設“煤水共采型礦井”的思想，始終堅持“黑色烏金，綠色開發”的理念，在觀念上實現了從“節能減排”向“低碳微排”轉變，從“礦井水害”向“礦井水利”轉變。大柳塔煤礦高度重視煤炭開采過程中對礦井水資源的保護，充分發揮利用“水往低處流”的自然規律，首次在井下大膽建設了地下水庫，創造性地設計施工了安全可靠的地下水庫“丁”字型人工壩體，并將井下污水全部回灌到采空區進行自然凈化儲存利用，實現污水近零升井；同時，首次成功施工了155 m的大垂深垂直鉆孔，并利用“連通器”原理，盡可能地實現“自然壓差供水”，合理高效循環利用，節省了能源，保護了水資源，保護了環境，保證了礦井安全，并創造了巨大的經濟效益。目前該技術已在國家能源集團內部礦井全面推廣，在國內其它礦井也在逐步推廣。煤礦地下水庫在建設過程中有一些需要特別注意的關鍵技術問題，如果這些技術問題處理不好，就可能影響地下水庫的建設質量，甚至導致地下水庫建設失敗，根據井下現場實踐經驗，本文就對煤礦地下水庫建設過程中需要注意的關鍵技術問題進行探討和介紹。

1 煤礦地下水庫建設條件及規劃

1.1 煤礦地下水庫建設條件

煤炭開采后，在不同開采水平形成了大量的采空區，隨著開采對上覆巖層擾動的結束，采空區趨于穩定，形成了較大的空隙空間，由于地板的不透水性，為礦井水存儲提供了空間條件。煤礦地下水庫是對開采形成的采空區加以改造形成地下儲水空間，將同一水平、不同水平，甚至礦區的多個煤礦地下水庫通過人工通道進行連通，根據采煤生產接續計劃，對礦井水進行分時分地儲存，在地面建設相應的抽采與回灌工程，實現礦井水的抽采利用與回灌儲存，形成煤礦地下水庫，建設煤礦地下水庫關鍵要考慮兩個方面的因素，一是需要有足夠的地下儲水空間；二是需要有充足的水源。除此之外，還要考慮礦井所在地區的生態條件和水庫的可持續應用條件等。

水資源保護：礦井位于水資源比較缺乏或者嚴重缺乏的地區，運用地下水庫技術對于水資源保護和生態環境保護的意義重大。

采煤方法：礦井采用全部垮落法管理頂板[1]。由于地下水庫的核心原理是利用采空區矸石對礦井水進行過濾和利用采空區矸石縫隙對礦井水進行儲存，因此工作面頂板必須采用全部垮落法進行管理，采用房柱式開采或者頂板不是采用全部垮落法管理的礦井不適合建設地下水庫。

煤層傾角：煤層傾角不宜過大，最適宜建設地下水庫的煤層傾角為2°～8°，傾角越小越有利于建設地下水庫。近水平煤層建設水庫儲水能力較大，傾斜煤層也可建設地下水庫，但其儲水能力相對較小，如要提高儲水能力，則需建設階梯水庫。

煤的硬度：煤的硬度比較大的煤層。一般普氏系數大于2比較好，煤層硬度越大壩體強度越高，水庫安全性越好。

水文地質條件：礦井水文地質條件一般為中等及中等以下，但礦井涌水量不能太小，更不能為零。涌水量太大的礦井，水庫容易很快注滿，滿了就注不進去了，就無法實現水循環利用。同時如果礦井涌水量太小或者為零，就沒有水源，就不能形成地下水庫。比如錦界煤礦水文地質條件為復雜型礦井，礦井涌水量為3 000～5 000 m3/h，地下水庫難以全部存下礦井涌水，但可以采用小部分利用、大部分外排的方式[2]。

無壓茬問題：規劃建設地下水庫的采空區區域按照礦井采掘接續計劃在一定時間之內與下部未采煤層不得存在壓茬問題，不得影響下部煤層的安全開采。既要保證地下水庫具有一定的服務年限，又要保證下部煤層的安全開采。在開采水庫下方煤層之前，必須將上部全部水體提前轉移到下層煤水庫[3]。

人工壩體：人工壩體的施工質量要有保證，要能滿足地下水庫的安全需要，安全系數一般要大于3。

1.2 煤礦地下水庫的規劃和準備

煤礦建設地下水庫不是想建就能立即建成的，需要提前進行系統性地規劃，充分結合煤層賦存特點和礦井中長期采掘接續計劃，做大量的準備工作[4]。

水庫位置：建設地下水庫前，首先要仔細研究井田內煤層的賦存特點，弄清煤層的起伏和底板高程情況，找出適合建設地下水庫的相對低凹區域，選擇地下水庫的合理位置。

規劃設計：編制盤區接續時，要提前總體規劃、總體設計，首采區盡可能選在低凹區域，以便于能早日形成水庫，早日投入使用，盤區各工作面開采順序應由低向高逐漸開采。

煤層群開采：煤層群開采時水庫選址要結合中長期采掘接續計劃，合理進行規劃選址，水庫下方煤炭資源盡可能安排在后期開采，能夠盡可能延長水庫服務期限。

實施步驟：地下水庫的設計建設應與采掘活動同步進行，提前研究，提前規劃，提前設計，分步、分階段實施。采煤的過程就是建設地下水庫的過程。

聯巷密閉：在擬建水庫的區域，綜采面回采期間封閉采空區施工順槽聯巷密閉時，應在所有低凹處的聯巷密閉底部增加返水管，以保證未來水庫水源暢通，避免形成階梯水庫，不利于水資源的合理高效利用，故回采的過程也就是建庫的過程。

工程實例：以大柳塔礦井地下水庫建設為例，該礦井共有兩個開采水平，分別為一水平2-2煤和二水平5-2煤，地下水庫就建設在一水平2-2煤層，如圖1所示。為了盡量延長地下水庫的服務期限，在開采5-2煤時將一水平地下水庫對應的四盤區規劃在各盤區的最后開采，二水平5-2煤盤區開采順序為：三盤區→五盤區→六盤區→一盤區→二盤區→四盤區。

圖1 大柳塔井一水平2-2煤地下水庫與二水平5-2煤各盤區位置關系

為了建設地下水庫水循環利用系統，在施工5-2煤3條大巷時，就同步施工了地下水庫的水循環利用硐室，如圖2所示。

圖2 大柳塔井5-2煤1號水循環利用硐室示意圖

大柳塔礦井目前正在建設的5-2煤地下水庫也是提前10年就進行了規劃，將地下水庫選址在兩條落差約為26 m的地塹位置，即52503綜采面采空區區域，如圖3所示。該地下水庫用到的取水泵房和取水硐室在掘進施工52503工作面順槽時就一并掘出來，等52503綜采面采完后，這些硐室就可以直接投入地下水庫建設使用。如果建設地下水庫需要的硐室不在工作面掘進時一并施工出來，等到后期再調隊伍掘進，就十分困難，要做大量的重復性的工作，甚至有可能根本不再具備施工條件。

圖3 大柳塔井5-2煤地下水庫規劃圖

2 地下水庫位置與施工技術

2.1 地下水庫位置的確定

在考慮地下水庫的選址時既要考慮其安全性，又要考慮礦井水有足夠的凈化距離，保證凈化效果。

空間區域：在礦井地下空間勘察基礎上，根據地質條件、巖體結構等，確定分布式地下水庫的空間位置。地下水庫應建設在地質條件好、安全性高、工程費用低的區域。選取的原則是：首先根據構造分布，選取構造較少的區域；其次根據地層，選取地層標高較低的區域[5-7]。

自流特性：充分研究利用“水往低處流”的自然規律，盡可能發揮自然壓差的優勢，自流能夠滿足要求的地方，堅決不用泵排，泵排既不可靠，又不節能[8-9]。

凈化距離：采空區注水要選擇水庫底板地勢較高的地方注入，要有一定的凈化距離，一般在1 000 m以上，最少不低于500 m，凈化距離越大越好，以防污染清水水質。

自動排水：注水盡量采用自動排水泵，這樣沒有水時就能自動停泵，既保護了水泵，又節省了電能和費用。

預留管路：現場注水條件凈化距離不能滿足水質凈化的要求時，可考慮采用在回采時預留注水管路、增加凈化距離的方法。

盤區布局：在礦井分布式地下水庫空間位置選取的基礎上，考慮開采條件，確定開采盤區布局，需確保上述選取的地下水庫包含于同一盤區。針對已確定的開采盤區進行工作面布置，根據地層高低由低向高布置工作面，使開采后地勢較低工作面首先形成地下水庫，以利于通過自然滲流快速形成儲水空間。

采煤工藝：離大巷較近的房柱式采空區和旺采采空區不適合建設地下水庫，綜采面采空區可用于建設地下水庫。

2.2 地下水庫壩體施工技術

地下水庫的儲水空間是由煤柱壩體和人工壩體圍成的，其中煤柱壩體是在回采過程中留設形成的，人工壩體需要在后期建設地下水庫時施工，兩種壩體的強度必須滿足礦井的安全要求[10]。

煤柱壩體設計要求：煤柱壩體要有足夠的寬度，以保證足夠的強度，一般在煤層硬度較大的條件下，煤柱寬度一般在30 m以上，最小不應小于20 m。

人工壩體施工技術：人工壩體用來封堵煤柱壩體之間的空間，人工壩體的穩定性是保證地下水庫安全的關鍵，為了保證人工壩體的穩定性，大柳塔煤礦創新發明了“丁”字形人工壩體。人工壩體主要材料為砼、工字鋼、錨桿和鋼筋網片，施工前在巷道頂底幫要掏槽，頂槽深度一般不小于200 mm，幫槽和底槽深度一般不小于300 mm，如圖4所示[11]。

圖4 “丁”字形人工壩體施工設計示意圖

如圖4所示，壩墻內工字鋼布置方式為里豎五、中橫三、外豎一，壩墻外丁字形支撐墻內工字鋼布置方式為橫三、豎一，工字鋼之間采用電氣焊焊接，頂幫均施工φ18 mm×2 100 mm全錨螺紋鋼錨桿，并在工字鋼前后鋪設兩層φ6.5 mm鋼筋網，并用10#鉛絲將錨桿、工字鋼、網片綁扎在一起。壩墻采用C30混凝土澆筑為一個整體，澆筑完成后采用噴砼的方式封頂及堵漏。經清華大學水利專家論證該墻體結構安全可靠、穩定，當安全系數為3.0時，最大承載水位為60 m。

注意事項：①人工壩體質量一次到位，砼振動密實，接頂嚴實不漏水，接頂很關鍵；在澆筑壩墻封頂之前，整個壩墻的澆筑都采用振動棒充分振動保證強度及密實性，尤其是幫槽和底槽的周邊區域，更要反復振動，保證密實性；當壩墻澆筑至距離頂板一定高度(根據壩墻的寬度不同，一般選取200～1 000 mm)時停止澆筑，采用多次噴砼的方式進行封頂，砼標號不小于C30；噴砼封頂分層進行，即每噴一層混凝土后等其凝固后再繼續噴一層，直至封頂嚴密；②人工壩體盡可能提前研究設計規劃，并按地下水庫要求強度一次施工到位，避免重復加固施工；③人工壩體附近管路盡可能使用不銹鋼鋼管和不銹鋼閥門，并且管壁要厚一點，閥門應安裝兩道，先使用最外面一道，與人工壩體最近的一道閥門作為備用；④人工壩體外清水自流管路加裝水位壓力表和透明管，以便準確直觀掌握地下水庫水位情況，可以及時對水位進行調整，保證水庫安全，如圖5所示；⑤人工壩體設計位置應該在巷道口或聯巷口留設5～6 m的距離，不能在巷道口或聯巷口不留余地、齊頭施工，一旦人工壩體需要加固時，還有加固的空間；⑥地下水庫所在煤層生產采用加壓泵供水時，加壓泵距水庫人工壩體不能太近，盡量保持一段距離比較好，最好在50 m以外的合適位置安裝加壓泵，以防加壓泵長期振動對人工壩體造成緩慢破壞而漏水；⑦人工壩體施工完畢并且水庫儲水后，如果人工壩體上方頂板和兩幫裂隙有漏水現象，可以采取注馬麗散(高分子材料)的措施消除漏水問題；⑧在擬建水庫的區域施工人工壩體時，不能增加黃土墻，避免黃土對水質的污染。

圖5 地下水庫水壓表、透明管監測水位示意圖

3 地下水庫的安全設施和安全管理

3.1 地下水庫的安全設施

為了保證地下水庫的安全，需要建設配套的安全設施并加強水庫的安全管理，主要做好以下幾個方面的工作[5，12-13]。

防災排水泵：在地下水庫關鍵部位的水倉要安設防災大泵，并且水泵和開關設施要盡可能安設高一些，一般為1 m以上，如圖6所示。

圖6 防災大泵示意圖

保護墻：人工壩體上的所有引水管路閥門都要施工保護設施(保護墻)，以防車輛撞壞時，水管無法關閉而造成水災。

壩體加固：位于地下水庫最高水位標高以下的各個人工壩體必須加固可靠，強度足夠，預防水災。

3.2 安全管理

圖紙資料：與地下水庫相聯通的所有巷道要全部掌握清楚，全部上圖，不能有遺漏。

防止小窯越界：在已存水的采空區周圍附近，如果有相鄰礦井或者有正在生產的小煤窯，要強調告訴小煤窯不能越界開采，預防水淹小窯。

定期巡檢：定期對井下采空區水位、人工壩體和煤柱壩體進行巡檢，發現異常及時采取有效措施進行處理。

水位調節：根據各水庫的水位情況進行控制調節，水庫間通過自流管路進行水位調節，也可通過自流系統向地面自流供水來調節水位。還有通過控制各水庫注水量也可調節水庫水位，確保水庫的安全。通過減小向高水位水庫的注水量，增大向低水位水庫的注水量的方法，也是水庫水位調節的另一種手段。

清潔生產：盡量在井下生產過程中做到清潔生產，不亂丟垃圾，廢舊油脂不亂倒，及時回收到地面，從而盡量減少對井下水的污染。

提高保護意識：煤礦企業主要領導要提高礦井水資源保護利用意識，提高對地下水庫重要性的認識，要樹立變“水害”為“水利”的觀念，是做好煤礦地下水庫技術推廣應用工作的前提和保證。

4 結語

大柳塔煤礦經過多年的實踐與研究，形成了一套高效建設與安全運行地下水庫的關鍵技術，包括水庫選址、壩體建設、污水回灌和清水取用管網布置等，該系統具有“循環型、環保型、節能型、效益型”4大特點和“井下供水、井下排水、礦井水處理、水災防治、環境保護、節能減排”6大功能，使礦井水資源得到安全高效利用，取得了非常可觀的經濟效益。未來也可研究在煤層群開采且層間距很大的條件下儲水蓄能發電的可行性；也可研究在礦井煤炭資源全部開采結束以后，考慮將整個礦井全部規劃為地下水庫，儲存大量的水資源，建設大型水廠，由開采煤炭資源轉化為開采水資源，向社會供水，實現產業轉型，實現可持續發展。