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淺析三道溝煤礦礦井水復用及采空區儲水安全
【摘要】因三道溝煤礦地處陜北黃土高原北緣的干旱地帶，為降低用水成本，在礦井回采后的采空區內對礦井涌水進行過濾凈化、存儲、利用。為確保礦井儲水安全，根據國內已有的分析校核方法，對防水密閉墻進行理論承壓計算，并將理論計算分析結果、實際觀測、礦井涌水量和復用水系統運行情況對比介紹，確定各采空區儲水安全水位，保證礦井安全生產。
【關鍵詞】污水 復用 水位 涌水 密閉墻 采空區
三道溝煤礦位于陜西省榆林市府谷縣廟溝門鎮，設計生產能力900萬噸/年。井田地質構造簡單，瓦斯礦井，平硐單水平開拓。礦井采用綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板。
煤礦生產需要消耗大量的凈水，采空區內部也將儲存大量的采空水，通過采空區儲水凈化復用、有效利用采空區空間、提高經濟環保效益的同時，合理控制水位可以減少安全隱患。目前本礦有35101(1700m水倉)、85201兩個復用水系統及大量采空區，通過國內已經比較成熟的密閉、煤柱承壓分析校核方法，對采空區的水位進行計算分析，從而確定合理安全水位。
一、礦井采空儲水及用水現狀
1.1 礦井復用水系統
35101復用水倉 三盤區各用水點，供水能力為73.5m?/h。
八盤區復用水倉 四八盤區各用水點， 供水能力為165m?/h。
1.2 其它說明
井下復用水量不足時，從地面井下消防水池取水，向井下供水。復用量富余時，85201復用水進入八盤區水倉排水系統或反供至地面井下消防水池。
1.3 近期礦井用水情況
對我礦2014年7月至2015年4月礦井用水量進行統計，詳見表1。
二、礦井涌水量及礦井充水情況
三道溝煤礦礦床主要充水水源為地表水、基巖裂隙水和老空水，充水通道有采動裂隙、風化裂隙、燒變巖裂隙、斷層、裂隙密集帶、封閉不良鉆孔及小窯等。根據礦井歷年涌水量資料顯示，礦井正常涌水量64m3/h，最大涌水量106m3/h。
三道溝井田首采區范圍內小窯老空積水量81.92萬m3，本礦采空區積水量8.48萬m3，積水情況清楚。
三、各儲水區最高水位計算分析
3.1 85201、85203采空區
參照國內已經成熟的分析、校核方法，從防水密閉墻結構受力出發，通過對物理模型的簡化，參考材料力學、彈性力學等學科知識，對防水密閉墻進行安全性評估，確定安全水壓。
(1)根據防水密閉墻混凝土強度校核。
Ps=γh×fc×[(B+E1×2) ×(H+E2+E3)-S1]/(γ0×B×H) = 2.19MPa
式中：Ps―防水密閉墻承受的安全水壓，MPa;
B―巷道凈寬，m;取5.5m;
H―巷道凈高，m;取4.2m;
E1―幫槽深度，m;取0.5m;
E2―底槽深度，m;取0.2m;
E3―頂槽深度，m;取0.3m;
S1―墻體迎水端受水壓作用總面積，m2;取5.5×4.2=23.1;
fc―混凝土抗壓強度設計值，MPa;C20強度取9.6;
γ0―結構的重要性系數，取1.2;
γh―混凝土折減系數，取0.85;
計算得安全水頭高度h=219m。
(2)按防水密閉墻混凝土抗剪強度及本礦井實際施工的防水密閉墻主要承載結構的長度，確定其承受的安全水壓。
Ps=γh×[2×(H+B)×L]×[τ]/ (γ0×B×H) =1.45MPa
式中： ―防水密閉墻主要承載結構墻體長度，m;取1m;
―混凝土允許抗剪強度，經驗公式 ;
―混凝土抗壓強度設計值，MPa;
C20強度取9.6;
―混凝土抗拉強度設計值，MPa;
C20強度取1.1;
其它參數同上。
計算得安全水頭高度145m。
(3)根據圍巖強度校核。根據上述公式，可以推得安全水壓公式：
Ps=[2×(H+B)×L]×τ/(γ0×γc×B×H) =0.074MPa
式中： ―防水密閉墻主要承載結構墻體長度，m;取1m;
γc―掏槽施工對圍巖影響系數，取1.6;
τ―巖體允許抗剪強度，巖體允許抗剪強度經驗公式τ=0.060～0.078R MPa;
R―巖體抗壓強度，MPa，R=ξa×Rc;
RC―巖石抗壓強度，MPa;因密閉墻在煤體中，取煤體抗壓強度，取6.3MPa;
ξa―巖體裂隙系數，取0.45;
其它參數同上。
計算得安全水頭高度7.4m。
(4)根據密閉墻的抗滲性驗算。
L>L抗滲=48KHF
上述公式的物理意義為密閉墻墻體長度應大于依據水頭高度、墻體滲透系數確定的最小抗滲長度的要求。
根據上述公式，可以推得安全水頭高度H=L/(48KF)=91;
式中：K―混凝土滲透系數，混凝土強度等級C20對應的K值為0.00001;
F―砌筑密閉墻處巷道掘進斷面積，m2;
H―水頭高度值，m;
其它參數同上。
比較上述計算值，取最小值，安全水頭高度為7.4m。
儲水區應留設的安全煤柱尺寸計算如下：
L=0.5KM =11.4m
式中：L―煤柱留設的寬度，m;
K―安全系數，一般取2～5，本礦井取5;
M―煤層厚度或采高，m;5-2煤取6.3m;
p―水頭壓力，0.074MPa，取7.4m安全水頭高度;
Kp―煤的抗拉強度，MPa，取0.42MPa。
現八盤區所有煤柱尺寸均在20米以上，大于11.4米，滿足計算要求。
3.2 35101采空區
同上述計算方法，35101采空區各參數取值如表2。
按墻體抗壓強度計算的安全水頭高度(m) 按墻體抗剪強度計算的安全水頭高度(m) 按煤層抗剪強度計算的安全水頭高度(m) 按墻體抗滲性計算的安全水頭高度(m)
178 36 3.4 26
根據上述計算，取最小值，安全水頭高度為3.4米，1700米聯巷密閉處(非最低點)安全水頭高度為3m。
儲水區應留設的安全煤柱尺寸計算如下：
L=2.25m;
現三盤區煤柱尺寸在20米以上，大于2.25米，滿足計算要求。
3.3 其它非復用水采空區
回采綜采面相鄰采空區聯巷間密閉采用磚墻+黃土+磚墻形式，其防水強度遠低于砼墻，為安全起見，取砼墻強度一半值，結合現場實際觀測，得出八盤區回采工作面采空區安全水頭高度為3米，三盤區為1.4m，煤柱留設也滿足要求。
3.4 總述
根據上述計算結果，同時結合神東公司井下復合結構防水密閉墻建設標準，如表4。
參照井下復合結構防水密閉墻建設標準，水頭高度應在5-10m之間，但根據公司最新《采空區儲水管理辦法》，采空區儲水水頭高度不能超過6m，而目前85201機頭硐室密閉墻處水位控制在3.5m，復用系統最低點(85203回撤通道3#聯巷處)水位高已達6.616m。
所以確定八盤區儲水采空區最高水位6m，三盤區儲水采空區最高水位3.4m，八盤區其他非復用水采空區最高水位3m，三盤區其他非復用水采空區最高水位1.7m。
四、儲水采空區保持最高水位時的儲水量計算
4.1 85201、85203采空區
八盤區儲水采空區最高水位6m，目前控制85201機頭硐室密閉墻水位最高3.5m，最低點閉墻水位高6.616m(85203回撤通道3#聯巷處)，則復用水倉內最大儲水量約為47.8萬m3。計算過程如下：
Q=KMS/cosα
=0.27*6.3*305.75*570/cos0.7+0.27*6.3*305*350/cos0.66
=47.8萬m3
式中：K---充水系數，取0.27
M---煤層采高，取6.3m
S---采空區淹沒面積，m2，取305.75*570+305*350。
Q---采空區積水量，m3
八盤區儲水采空區出水孔高度距離底板1.3m，可計算出儲水采空區可放出復用水22.3萬m3，同理，向儲水采空區注入污水，在達到最高水位時，可注入22.3萬m3。
4.2 35101采空區
三盤區儲水采空區最高水位3.4m，則復用水倉內最大儲水量約為8.7萬m3。計算過程如下：
Q=0.14*2.2*285*1000/cos1=8.7萬m3
三盤區儲水采空區出水孔高度距離底板0.3m，可計算出儲水采空區可放出復用水0.17萬m3，同理，向儲水采空區注入污水，在達到最高水位時，可注入0.17萬m3。
五、結語
通過上述礦井涌水介紹及對密閉規格驗算可以得出如下結論：
(1)85201復用水倉安全水位為6m，85201機頭硐室密閉墻處水位目前控制在3.5m以下，根據井下現場觀測，儲水水位達到4米時，儲水區域各閉墻附近滲漏量可達到20m?/h;所以從經濟、安全方面考慮，目前控制在3.5m水位處較為合理，此時最大儲水量約為47.8萬m3，可用水量22.3萬m3。
(2)35101復用水倉安全水位為3.4m，1700m處密閉墻水位必須控制在3m以下，最大儲水量約為8.7萬m3，可用水量0.17萬m3。
(3)八盤區其他非復用水采空區最高水位3m，三盤區其他非復用水采空區最高水位1.7m。
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