防水密閉墻安全性的研究及應用

陳團團

(中煤科工集團 武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

目前，傳統(tǒng)的礦井水處理方法是將礦井水由井下水倉排至地表，通過設置在地面的調(diào)節(jié)池以及礦井水處理站進行處理，達到水質(zhì)復用要求后，一部分在地面利用，另一部分返回到井下再利用。該種模式存在基建投資大、礦井水提升運行費用高、占地面積大等缺點。

為解決傳統(tǒng)模式礦井水復用存在的諸多弊端，西部某大型礦區(qū)某礦井，通過設置防水密閉墻，將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井水注入采空區(qū)進行沉淀、過濾、儲存，在充分利用地下開采空間的條件下，有效挖掘礦井內(nèi)水處理的潛能，實現(xiàn)礦井水的凈化、過濾、吸附、存儲，使礦井水可作為礦區(qū)生產(chǎn)、生活水源。該方法在有效解決礦區(qū)供水和污水外排問題的同時，要確保不對采區(qū)正常生產(chǎn)造成影響。因此，墻體的可靠性及承壓能力對礦井采區(qū)的安全開采、儲水采空區(qū)的穩(wěn)定儲水起到了重要的作用。

1 防水密閉墻安全性研究

1.1 模型的建立

1)采空區(qū)側(cè)儲水將水壓力作用在防水密閉墻主體受力結構上，主體受力結構通過墻體將作用力傳遞給嵌入圍巖的墻體及圍巖，該作用區(qū)域沿巷道軸線方向主要承受的作用力為壓應力，主體受力結構墻體強度應大于采空區(qū)水壓力。

2)當密閉墻四周被圍巖固定時，沿巷道軸線方向，作用在密閉墻主體受力結構上的作用力主要為剪切應力，密閉墻主體受力結構或圍巖抗剪強度應大于采空區(qū)水壓力。防水密閉墻受力結構圖見圖1.

圖1 防水密閉墻受力結構示意圖

1.2 影響因素分析

影響井下采空區(qū)儲水復用區(qū)礦井水處理安全性的因素很多，包括防水密閉墻墻體結構、圍巖條件、煤柱留設、水頭高度、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等，通過對各因素進行分析，確定其影響程度。

1)防水密閉墻結構。

防水密閉墻硐室結構主要指墻體形式、墻體與圍巖之間的有機組合，包括墻體的尺寸、嵌入圍巖的深度、材料、預埋管路、圍巖強度等。常用的井下防水密閉墻結構見圖2，3.

圖2 平板式防水密閉墻平面圖

圖3 平板式防水密閉墻剖面圖

防水密閉墻主要用于礦井水復用，設置在采空區(qū)儲水復用區(qū)與正常生產(chǎn)采區(qū)之間的相關巷道內(nèi)。其主要承受的是緩慢注入采空區(qū)的靜水壓力，對于采空區(qū)內(nèi)儲水高度達到50 m 水頭，墻體承受的水壓為0.5 MPa，單結構素混凝土防水密閉墻本身強度較大，采空區(qū)水體作用在整個防水密閉墻上的抗壓及抗剪強度將在墻體主體受力結構的承受范圍內(nèi)，在水壓較小的條件下能夠滿足安全條件的要求。

影響井下密閉墻及硐室可靠性的主要因素除了墻體自身的強度外，還與墻體周邊圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)、水體性質(zhì)及壓力大小、防水煤(巖)柱留設尺寸、墻體施工質(zhì)量及維護情況等因素有關。

2)圍巖條件。

井下防水密閉墻硐室作為一個由密閉墻及圍巖形成的整體，其強度及穩(wěn)定性取決于兩者的有機統(tǒng)一體。防水密閉墻一般設置在采空區(qū)煤層巷道中，由于煤層強度較低、裂隙發(fā)育，它是整個系統(tǒng)的薄弱因素，應根據(jù)其強度、完整性及裂隙發(fā)育程度確定墻體的相關參數(shù)。

參照防水閘墻計算公式，計算防水密閉墻尺寸參數(shù)，計算公式如下:

a)按圍巖抗壓條件計算硐室嵌入圍巖的砌體所需深度E:

式中:

P—防水密閉墻承受的安全水壓，MPa;

γ0—結構的重要性系數(shù);

γc—掏槽施工對圍巖的影響系數(shù);

S1—墻體迎水端受水壓作用總面積，m2;

S2—墻體與圍巖作用的承壓面積，m2;

R—巖體抗壓強度，MPa.

式中:

Rc—巖石抗壓強度，MPa;

ξa—巖體裂隙系數(shù)，取值見表1.

表1 巖體裂隙系數(shù)表

b)按圍巖抗剪條件計算硐室墻體主體受力結構厚度L:

式中:

τ—巖體允許抗剪強度，MPa;

S3—巖體承受剪切面積，m2;

其它公式及參數(shù)同式(1).

根據(jù)墻體圍巖強度確定的防水密閉墻尺寸參數(shù)，其與圍巖形成有機整體，共同抵抗采空區(qū)內(nèi)水壓作用，若墻體布置在節(jié)理、裂隙、巖溶較發(fā)育的巖層和斷層破碎帶時，應對圍巖進行注漿加固。

3)儲水區(qū)煤柱留設。

墻體所布置的巷道兩側(cè)應留設符合要求的安全煤柱，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》關于防水煤柱尺寸的內(nèi)容中“關于含水或?qū)當鄬臃栏羲?巖)柱的留設”計算煤柱寬度，儲水區(qū)防水煤柱物理模型近似為煤層直接與含水層相接觸，可參照下列經(jīng)驗公式計算:

式中:

L—煤柱留設的寬度，m;

K—安全系數(shù)，一般取2 ～5，建議取5;

M—煤層厚度或采高，m;

p—水壓，MPa;

Kp—煤的抗拉強度。

4)儲水區(qū)水頭高度。

防水密閉墻及硐室能承受的安全水頭高度，應結合礦井水及生產(chǎn)生活需水量要求，根據(jù)圍巖的強度確定，只有水頭在圍巖強度能夠承受的安全水頭高度范圍內(nèi)，才能確保采空區(qū)儲水復用區(qū)的安全可靠進行，不對生產(chǎn)采區(qū)造成不利影響。

5)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

為確保采空區(qū)儲水復用區(qū)內(nèi)的水頭高度處于墻體圍巖強度所能承受的安全水頭高度范圍之內(nèi)，同時對采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體進行監(jiān)控，應在墻體上增加氣體檢測管、排水管、注水管及壓力表等設備設施，時刻動態(tài)監(jiān)測采空區(qū)水體的水位、水壓及氣體狀態(tài)，嚴格控制水位，合理控制注排量，嚴禁井下水位超限。

a)氣體檢測管設備設施。

氣體檢測管路用于檢測采空區(qū)內(nèi)部的氣體成分與壓力，宜采用d34 mm ×3.0 mm 無縫鋼管，每趟配備DN25 PN1.0 MPa 閘閥1 個。

b)排水管設備設施。

采空區(qū)儲水區(qū)排水管路宜采用d168 mm ×5.0 mm、d219 mm×7.0 mm、d273 mm×8.0 mm 無縫鋼管或復合鋼管，管路數(shù)量及直徑根據(jù)采區(qū)排水量確定，排水管路上配備1 個與管路相匹配的壓力等級為PN1.0 MPa 閘閥。

同一排水系統(tǒng)的排水管路中，在其中1 趟管路配備壓力、流量儀器儀表，壓力及流量表配備見表2.

表2 壓力、流量儀器儀表配備表

c)注水管設備設施。

井下采空區(qū)儲水區(qū)注水管宜采用d168 mm ×5.0 mm、d219 mm×7.0 mm、d273 mm×8.0 mm 的無縫鋼管或復合鋼管，管路數(shù)量及直徑根據(jù)采區(qū)注水量確定，各趟注水管路上配備1 個與管路直徑及注水壓力等級相匹配的止回閥。

2 現(xiàn)場實踐及應用前景

某西部礦井水文地質(zhì)條件簡單，在工作面已回采穩(wěn)定的2－2煤采空區(qū)最低處，選擇3 個工作面進行礦井水井下再處理，最大積水深度9.0 m，積水總面積81.0 萬m2，積水量約76.3 萬m3，墻體承受的最大水壓0.065 MPa.

各防水密閉墻設置在回采巷道及大巷聯(lián)巷中，各密閉墻結構參數(shù)見表3，具體設置位置見圖4. 圖4 中陰影部分為儲存在采空區(qū)內(nèi)的礦井水，由于各工作面采空區(qū)為單獨設置的礦井水復用區(qū)，在各工作面采空區(qū)周邊均設置有防水安全煤柱，根據(jù)墻體及煤層參數(shù)，計算確定各工作面可承受的安全水頭高度見表4.由于各工作面采空區(qū)水位線只在采空區(qū)沿“三帶”高度方向分布，在相關墻體上設置監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，對采空區(qū)水位及氣體狀態(tài)進行實時監(jiān)測，嚴格控制各采空區(qū)的積水高度，確保墻體及圍巖安全，在保證礦井安全生產(chǎn)的同時，實現(xiàn)礦井水供排結合。

圖4 礦井水井下再利用具體設置位置平面圖

根據(jù)實際，每年該礦通過井下礦井水再利用，節(jié)約污水處理費208.3 萬元，節(jié)約水費627.0 萬元，節(jié)約排污費10.0 萬元，直接經(jīng)濟效益達845.3 萬元。在解決礦井水資源再利用的同時，實現(xiàn)了一定的環(huán)境、經(jīng)濟及社會效益。

表3 墻體參數(shù)表

表4 安全水頭高度計算表

該項技術在西部某大型礦區(qū)多對礦井得到成功應用，對其他存在礦井水供排矛盾的煤炭基地及礦區(qū)具有良好的示范作用。

3 結 論

1)防水密閉墻主要用于礦井水復用，其主要承受的是緩慢注入采空區(qū)的靜水壓力，而非瞬間突水造成的集中水壓，作用在整個防水密閉墻的抗壓及抗剪強度將在其主體受力結構的承受范圍內(nèi)。

2)井下防水密閉墻硐室作為一個由密閉墻及圍巖形成的整體，其強度及穩(wěn)定性將取決于兩者的有機統(tǒng)一體，圍巖強度、完整性及裂縫發(fā)育程度是影響墻體儲水復用安全進行的關鍵因素，也是確定墻體參數(shù)及安全儲水水頭高度的重要參數(shù)。

3)防水密閉墻可結合礦井一通三防的功能要求，在單結構防水密閉墻基礎上，建成復合多層結構墻體。

［1］ 李福勤，何緒文，呂曉龍，等.煤礦礦井水井下處理新技術及工程應用［J］.煤炭科學技術，2014，42(1):117－120.

［2］ 陳蘇社，鞠金峰.大柳塔煤礦礦井水資源化利用技術［J］.煤炭科學技術，2011，39(2):125－128.

［3］ 神華集團有限責任公司.煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法:02129397［P］.2005－10－05.