強排水倉與中央水倉聯合構建方式設計

（煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001）

1 規范、規程之要求

目前山西省大部分礦井淺部煤層已基本開采殆盡，下部煤層一般均受上覆采空區積水或底板奧灰水影響。據《煤礦防治水細則》，受采空區（老空區）、奧灰水影響的礦井，一般其水文地質類型為復雜類型或極復雜類型。按《煤礦安全規程》（2016版）第三百零八條規定應當在井底車場周圍設置防水閘門或者在正常排水系統基礎上另外安設由地面直接供電控制，且排水能力不小于最大涌水量的潛水泵。

2 潛水泵房與中央（采區）水倉聯合之構建思路

2.1 潛水泵安裝方式

一般潛水泵布置方式有立式、平臥式和斜臥式三種方式。立式安裝工程量大，施工復雜，平臥式安裝易受水中雜質影響而堵塞，因而，井下潛水泵多采用斜臥式安裝。將其放置在傾斜的泵坐上，或將其放置在清理水倉的傾斜巷道內，傾斜的角度應按巷道標高、涌水量大小、水倉有效容積綜合確定，傾角越大，越有利于潛水泵受力，延長潛水泵使用年限。

2.2 相關參數的確定

在礦井設計施工中，水倉入口一般均布置于開采區域的最低點。單獨構建水倉時，在吸水井深度、泵房標高確定的基礎上，為減少水倉掘進工程量且保證水倉容量的最大利用率，一般情況下，水倉斷面（半圓拱形）墻高在500～1000 mm之間，水倉的最高儲水液面由水倉入口水溝底板標高、泵房硐室電纜溝底板標高確定，此時設計礦井涌水達到最高儲水液面高度時，水倉巷道為封閉巷道，有效容量滿足《煤礦安全規程》之規定。

如此時再考慮強排水倉與正常水倉聯合構建時，其設計主要考慮程序、因素有：

（1）潛水泵上吸水口不應高于離心泵房底板標高。

（2）強排水倉與原有水倉相連，為盡量確保水質相對較清；水倉與強排水倉連接處應設置擋煤泥墻或過水閘們（鐵篦子），以防突水時，雜物匯入強排水倉，影響潛水泵正常工作。

（3）水倉與強排水倉連接處除設置擋煤泥墻或過水閘們外，應保留一定過水高度。保證水害時有一定的過水斷面。

（4）強排水倉有效容積為“最高液面”和“最低液面”差值與巷道長度和寬度乘積。

①最高液面：水倉最高有效液面與巷道貫通處水溝底板。

②最低液面：潛水泵上吸口1m處（潛水泵布置傾斜巷道中的下部。與實際巷道布置情況綜合確定，以滿足“最小強排有效容量為依據”）。

3 工程實例

3.1 礦井水文地質類型

據《山西朔州平魯區龍礦大恒煤業有限公司4號、9號煤層配采地質報告》及《煤礦防治水細則》，礦井水文地質類型劃分為中等類型。

3.2 涌水量

據地質報告資料，涌水量采用富水系數比擬法預測數據。

（1）配采時期

采用富水比擬法計算礦井在年產3.0 Mt/a時，即4（4-1、4-2）號煤層生產能力為1.0 Mt/a，正常涌水量為8.4m3/h，最大涌水量為13.9m3/h；9（9-1、9-2）號煤層生產能力為2.0 Mt/a，正常涌水量為83.3m3/h，最大涌水量為100m3/h；故礦井正常涌水量為91.7m3/h，最大涌水量為114.0m3/h。

（2）單獨開采9-1、9-2、11號煤層生產能力達到3.0 Mt/a 生產能力時，9-1、9-2號煤層礦井正常涌水量125m3/h，最大礦井涌水量150m3/h。

據煤層開采服務年限，礦井后期聯合開采9、11號煤層，同時考慮消防灑水、黃泥灌漿析出水量，預測礦井正常涌水量為180m3/h，最大涌水量為220m3/h。

（3）綜合考慮煤層帶壓開采、地質構造（煤層整體上為單斜，井田北部～重點開采區域，斷層較為發育）及4號煤層采空區積水問題，為提高礦井抗水害災變能力，經專家研究、會審確定增加強排系統。強排水量Q=300m3/h。

3.3 實際構建的參數

（1）采區水倉容量

據礦井開采4號煤層實際情況，4號煤層正常涌水量為35m3/h，最大涌水量為60m3/h；9號煤層正常涌水量為145m3/h，最大涌水量為160m3/h。

開采4號煤層的采區涌水自流至副斜井井底主排水泵房水倉；9號煤層采區涌水沿下組煤西翼回風巷排至副斜井井底主排水泵房水倉。

故9號煤層采區水倉有效容量Q≥4×145=580m3。

（2）強排水倉有效容量

強排水倉有效容量與設計突水量、排水路線密切相關。本礦井強排水量Q=300m3/h，據《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》（GB/T 50451-2017）的相關要求，若設置地面鉆孔安裝排水管路，則強排水倉有效容量應為300m3，若沿巷道敷設排水管路，強排水倉有效容量約為700m3。

（3）聯合構建方案

據地面是否適宜布置強排鉆孔、水倉有效容量大小而確定的施工方式和水倉的成型，可分為“V型”和“大開挖V型”+“一字型”的構建方式。

①“V型”構建方式

在布置有地面鉆孔、確保有效容量滿足要求的前提下。強排水倉宜采用“V型”構建方式，即強排水倉巷道先以一定坡度向下掘進，掘至要求深度后布置一定長度的水平段后向上掘進與水倉入口斜段巷道貫通，見圖1、圖2。

圖1 V字形強排水倉構建方案剖面

圖2 一字形強排水倉構建方案平面

該布置方式水泵呈斜臥式布置，強排水倉斷面共分兩部分，一部分為5.0×1.8（直墻高）的半圓拱斷面，另一部分為3.5×0.5（直墻高）的半圓拱斷面。經計算，強排水倉實際有效容量即為圖1陰影部分體積45.85×5+24.38×3.5=314.58m3＞300m3，滿足設計要求。

②“大開挖V型”+“一字型”構建方式

假如強排管路沿巷道敷設至地面，則強排水倉宜采用“大開挖V型”+“一字型”構建方式，即強排水倉巷道與水倉入口斜段巷道底部呈直角相連，其布置方式見圖3、圖4。

圖3 強排水倉構建方案剖面

圖4 強排水倉構建方案平面

經計算，強排水倉實際有效容量即為圖c陰影部分體積45.85×5+148.83×3.5=750.555m3＞700m3，滿足設計要求。

通過對比以上兩種構建方式，“V”型方式施工相對簡單，儲水量較小；而“大開挖V型”+“一字型”施工相對復雜，但儲水量大。結合大恒煤業地面、井下巷道的布置情況，為簡化排水系統，節省投資，設計在已有選煤廠變電所附近設置強排鉆孔（h=300m，φ=315 mm）直通井下采區水倉，強排水倉與采區水倉采用“V”型構建方式。

4 結語

從以上兩構建方式來講，其主要的決定因素為強排管路的敷設路徑和強排水量。在強排水量一定的情況下，從施工難易程度、工期、工程量和投資角度分析，如適宜布置地面鉆孔則采用“V”型構建方式；如地面不易布置鉆孔，則采用“大開挖V”十“一字型”的布置方式。