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淺析三道溝煤礦礦井水復(fù)用及采空區(qū)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(qū)內(nèi)對礦井涌水進(jìn)行過濾凈化、存儲、利用。為確保礦井儲水安全，根據(jù)國內(nèi)已有的分析校核方法，對防水密閉墻進(jìn)行理論承壓計(jì)算，并將理論計(jì)算分析結(jié)果、實(shí)際觀測、礦井涌水量和復(fù)用水系統(tǒng)運(yùn)行情況對比介紹，確定各采空區(qū)儲水安全水位，保證礦井安全生產(chǎn)。
【關(guān)鍵詞】污水 復(fù)用 水位 涌水 密閉墻 采空區(qū)
三道溝煤礦位于陜西省榆林市府谷縣廟溝門鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力900萬噸/年。井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，瓦斯礦井，平硐單水平開拓。礦井采用綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板。
煤礦生產(chǎn)需要消耗大量的凈水，采空區(qū)內(nèi)部也將儲存大量的采空水，通過采空區(qū)儲水凈化復(fù)用、有效利用采空區(qū)空間、提高經(jīng)濟(jì)環(huán)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(fù)用水系統(tǒng)及大量采空區(qū)，通過國內(nèi)已經(jīng)比較成熟的密閉、煤柱承壓分析校核方法，對采空區(qū)的水位進(jìn)行計(jì)算分析，從而確定合理安全水位。
一、礦井采空儲水及用水現(xiàn)狀
1.1 礦井復(fù)用水系統(tǒng)
35101復(fù)用水倉 三盤區(qū)各用水點(diǎn)，供水能力為73.5m?/h。
八盤區(qū)復(fù)用水倉 四八盤區(qū)各用水點(diǎn)， 供水能力為165m?/h。
1.2 其它說明
井下復(fù)用水量不足時，從地面井下消防水池取水，向井下供水。復(fù)用量富余時，85201復(fù)用水進(jìn)入八盤區(qū)水倉排水系統(tǒng)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(fēng)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(jù)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(qū)范圍內(nèi)小窯老空積水量81.92萬m3，本礦采空區(qū)積水量8.48萬m3，積水情況清楚。
三、各儲水區(qū)最高水位計(jì)算分析
3.1 85201、85203采空區(qū)
參照國內(nèi)已經(jīng)成熟的分析、校核方法，從防水密閉墻結(jié)構(gòu)受力出發(fā)，通過對物理模型的簡化，參考材料力學(xué)、彈性力學(xué)等學(xué)科知識，對防水密閉墻進(jìn)行安全性評估，確定安全水壓。
(1)根據(jù)防水密閉墻混凝土強(qiáng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa;C20強(qiáng)度取9.6;
γ0―結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.2;
γh―混凝土折減系數(shù)，取0.85;
計(jì)算得安全水頭高度h=219m。
(2)按防水密閉墻混凝土抗剪強(qiáng)度及本礦井實(shí)際施工的防水密閉墻主要承載結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)墻體長度，m;取1m;
―混凝土允許抗剪強(qiáng)度，經(jīng)驗(yàn)公式 ;
―混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa;
C20強(qiáng)度取9.6;
―混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa;
C20強(qiáng)度取1.1;
其它參數(shù)同上。
計(jì)算得安全水頭高度145m。
(3)根據(jù)圍巖強(qiáng)度校核。根據(jù)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(jié)構(gòu)墻體長度，m;取1m;
γc―掏槽施工對圍巖影響系數(shù)，取1.6;
τ―巖體允許抗剪強(qiáng)度，巖體允許抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式τ=0.060～0.078R MPa;
R―巖體抗壓強(qiáng)度，MPa，R=ξa×Rc;
RC―巖石抗壓強(qiáng)度，MPa;因密閉墻在煤體中，取煤體抗壓強(qiáng)度，取6.3MPa;
ξa―巖體裂隙系數(shù)，取0.45;
其它參數(shù)同上。
計(jì)算得安全水頭高度7.4m。
(4)根據(jù)密閉墻的抗?jié)B性驗(yàn)算。
L>L抗?jié)B=48KHF
上述公式的物理意義為密閉墻墻體長度應(yīng)大于依據(jù)水頭高度、墻體滲透系數(shù)確定的最小抗?jié)B長度的要求。
根據(jù)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(shù)，混凝土強(qiáng)度等級C20對應(yīng)的K值為0.00001;
F―砌筑密閉墻處巷道掘進(jìn)斷面積，m2;
H―水頭高度值，m;
其它參數(shù)同上。
比較上述計(jì)算值，取最小值，安全水頭高度為7.4m。
儲水區(qū)應(yīng)留設(shè)的安全煤柱尺寸計(jì)算如下：
L=0.5KM =11.4m
式中：L―煤柱留設(shè)的寬度，m;
K―安全系數(shù)，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(qiáng)度，MPa，取0.42MPa。
現(xiàn)八盤區(qū)所有煤柱尺寸均在20米以上，大于11.4米，滿足計(jì)算要求。
3.2 35101采空區(qū)
同上述計(jì)算方法，35101采空區(qū)各參數(shù)取值如表2。
按墻體抗壓強(qiáng)度計(jì)算的安全水頭高度(m) 按墻體抗剪強(qiáng)度計(jì)算的安全水頭高度(m) 按煤層抗剪強(qiáng)度計(jì)算的安全水頭高度(m) 按墻體抗?jié)B性計(jì)算的安全水頭高度(m)
178 36 3.4 26
根據(jù)上述計(jì)算，取最小值，安全水頭高度為3.4米，1700米聯(lián)巷密閉處(非最低點(diǎn))安全水頭高度為3m。
儲水區(qū)應(yīng)留設(shè)的安全煤柱尺寸計(jì)算如下：
L=2.25m;
現(xiàn)三盤區(qū)煤柱尺寸在20米以上，大于2.25米，滿足計(jì)算要求。
3.3 其它非復(fù)用水采空區(qū)
回采綜采面相鄰采空區(qū)聯(lián)巷間密閉采用磚墻+黃土+磚墻形式，其防水強(qiáng)度遠(yuǎn)低于砼墻，為安全起見，取砼墻強(qiáng)度一半值，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際觀測，得出八盤區(qū)回采工作面采空區(qū)安全水頭高度為3米，三盤區(qū)為1.4m，煤柱留設(shè)也滿足要求。
3.4 總述
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，同時結(jié)合神東公司井下復(fù)合結(jié)構(gòu)防水密閉墻建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，如表4。
參照井下復(fù)合結(jié)構(gòu)防水密閉墻建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，水頭高度應(yīng)在5-10m之間，但根據(jù)公司最新《采空區(qū)儲水管理辦法》，采空區(qū)儲水水頭高度不能超過6m，而目前85201機(jī)頭硐室密閉墻處水位控制在3.5m，復(fù)用系統(tǒng)最低點(diǎn)(85203回撤通道3#聯(lián)巷處)水位高已達(dá)6.616m。
所以確定八盤區(qū)儲水采空區(qū)最高水位6m，三盤區(qū)儲水采空區(qū)最高水位3.4m，八盤區(qū)其他非復(fù)用水采空區(qū)最高水位3m，三盤區(qū)其他非復(fù)用水采空區(qū)最高水位1.7m。
四、儲水采空區(qū)保持最高水位時的儲水量計(jì)算
4.1 85201、85203采空區(qū)
八盤區(qū)儲水采空區(qū)最高水位6m，目前控制85201機(jī)頭硐室密閉墻水位最高3.5m，最低點(diǎn)閉墻水位高6.616m(85203回撤通道3#聯(lián)巷處)，則復(fù)用水倉內(nèi)最大儲水量約為47.8萬m3。計(jì)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(shù)，取0.27
M---煤層采高，取6.3m
S---采空區(qū)淹沒面積，m2，取305.75*570+305*350。
Q---采空區(qū)積水量，m3
八盤區(qū)儲水采空區(qū)出水孔高度距離底板1.3m，可計(jì)算出儲水采空區(qū)可放出復(fù)用水22.3萬m3，同理，向儲水采空區(qū)注入污水，在達(dá)到最高水位時，可注入22.3萬m3。
4.2 35101采空區(qū)
三盤區(qū)儲水采空區(qū)最高水位3.4m，則復(fù)用水倉內(nèi)最大儲水量約為8.7萬m3。計(jì)算過程如下：
Q=0.14*2.2*285*1000/cos1=8.7萬m3
三盤區(qū)儲水采空區(qū)出水孔高度距離底板0.3m，可計(jì)算出儲水采空區(qū)可放出復(fù)用水0.17萬m3，同理，向儲水采空區(qū)注入污水，在達(dá)到最高水位時，可注入0.17萬m3。
五、結(jié)語
通過上述礦井涌水介紹及對密閉規(guī)格驗(yàn)算可以得出如下結(jié)論：
(1)85201復(fù)用水倉安全水位為6m，85201機(jī)頭硐室密閉墻處水位目前控制在3.5m以下，根據(jù)井下現(xiàn)場觀測，儲水水位達(dá)到4米時，儲水區(qū)域各閉墻附近滲漏量可達(dá)到20m?/h;所以從經(jīng)濟(jì)、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(fù)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(qū)其他非復(fù)用水采空區(qū)最高水位3m，三盤區(qū)其他非復(fù)用水采空區(qū)最高水位1.7m。
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