煤礦地下水庫建設適應性條件及其設計體系

張 保，曹志國，池明波，吳寶楊，張西斌，張 勇

（1.國家能源集團技術經濟研究院，北京 102211；2.國家能源集團煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京110011；3.華能煤業有限公司，北京 100070；4.華能云南滇東能源有限責任公司礦業分公司，云南曲靖 655508）

神東礦區位于干旱缺水的毛烏素沙漠邊緣地區，生態環境極其脆弱，水資源嚴重匱乏[1-2]。目前西部礦區已經成為我國煤炭資源開發的“主戰場”，煤炭大規模開采使生態環境和水資源情況加速惡化，造成了西部礦區缺水的局面[3-4]。隨著神東礦區建設規模不斷擴大，生產和生活用水量也隨之增加，而地面水資源日漸匱乏導致礦區用水的問題越來越突出，西部礦區水資源的保護與利用已成為國家戰略要求和煤炭企業必須解決的關鍵問題[5-6]。現有的保水采煤和將大量礦井水外排會引起水資源大量蒸發損失的問題[7-8]。針對上述神東礦區水資源保護與利用的問題，顧大釗院士首次提出了“導儲用”為核心的煤礦地下水庫礦井水保護與利用的理念，并在神東礦區13 個礦井進行了大量的工程實踐，目前已建成煤礦地下水庫33 座，儲水量最高時達3 300 萬m3，給礦區供應95%以上的用水，每年創造經濟效益10 億元以上，并在西部其他礦區積極推廣。

1 建設煤礦地下水庫的適應性條件

1）水資源匱乏、生態脆弱地區。我國水資源分布為南多北少、東多西少，而煤炭資源北富南貧，西多東少，水資源與煤炭資源呈現逆向分布的特點。晉陜蒙甘寧等省份已探明的煤炭資源儲量占全國總儲量的71.6 %，而水資源量僅占全國的3.9 %。我國西部礦區開發面臨2 個問題：一是水資源匱乏；二是生態環境脆弱。西部地區長期干旱，年降水量小，蒸發量遠大于降雨量，地表植被不良，這些地區隨著工農業和經濟社會的發展，加之煤炭高強度開發，缺水的問題日趨嚴重。據統計，西部地區正在生產和建設的大型煤炭基地，礦區水源地日供水能力僅為需水量的1/2。西部礦區是我國煤炭的主產區，產能關系到國家能源安全，傳統的保水采煤會對產能產生一定的影響。既要保證產能，又要對水資源進行保護和利用，煤礦地下水庫建設無疑是最佳的選擇。

2）采煤方法。根據不同的地質條件、開采條件、資源儲量和設計生產能力等，可選擇的采煤方法有很多種，總體來說柱式采煤法不適宜建設煤礦地下水庫。采用壁式采煤法中的走向長壁采煤法、傾斜長壁采煤法、大采高一次采全厚綜采、綜采放頂煤、水平分層采煤法等礦井均能形成面積較大且規整的采空區，且頂板管理采用全部垮落法，有利于井下儲水，適宜建設地下水庫。

3）煤層傾角和厚度及煤的硬度。①建設煤礦地下水庫較為適宜的是近水平煤層，煤層傾角0°～8°，煤層傾角越小，底板起伏越小，水庫儲水系數越高，反之，煤層角度越大，儲水系數越低，而且當水頭高度高于人工壩體時，礦井水通過人工壩體上部裂隙滲流，人工壩體上部有滲水的可能性；②建設煤礦地下水庫較為適宜的是中厚煤層和厚煤層，一般采高越大，采空區空間越大，儲水量越高，反之，薄煤層儲水空間小，而且隨著底板起伏，低洼處形成不可循環的靜水的可能性增大，不利于水庫間調水和水資源再利用；③煤礦地下水庫壩體大部分為設計留設的保護煤柱，煤的強度很關鍵，是煤體抗破壞能力的主要指標之一，直接影響到煤柱壩體的安全性，一般普氏系數f 大于2 的硬煤其強度能滿足水庫的建設要求，煤的普氏系數越高，煤柱壩體抗破壞能力越強，壩體越安全。

4）水文地質條件。一般水文地質條件為中等及簡單的礦井適宜建設煤礦地下水庫，礦井主要為孔隙、裂隙、巖溶含水，補給水量較穩定，有一定的補給水源，一般歷年礦井涌水量較穩定的礦井最佳。涌水量較大的礦井，水庫庫容短時間內注滿，調水空間很小，仍需依靠排水系統將大部分礦井水外排，不宜建設分布式地下水庫。

5）其他開采條件。①煤層頂板：偽頂、直接頂一般為中硬巖層，如頂板巖層普氏系數太高，頂板管理較復雜，容易發生頂板事故，尤其頂板大面積冒落事故，一般會引起小范圍礦震，不利于煤礦地下水庫壩體的穩定性，而頂板巖層普氏系數太低可能會導致采空區破碎巖體碎漲系數偏低，水庫儲水系數過低，不利于水庫蓄水；②煤層底板：水庫一般建設在底板巖層滲透性低的煤層中，且底板起伏較少，底板不能遇水泥化，易對出水口造成阻塞；③瓦斯：一般選擇瓦斯礦井，由于高瓦斯礦井一般會進行煤層瓦斯抽采，瓦斯抽采的過程會使煤柱裂隙擴展，而布置過瓦斯抽采鉆孔的煤柱不宜作為水庫煤柱壩體使用，建成后易滲水，水庫利用采空區建設而成，高瓦斯礦井采空區上方瓦斯積聚，而調水會影響瓦斯運移，有可能造成水庫周圍巷道瓦斯超限；④沖擊地壓：井巷或工作面周圍可能出現能量突然釋放的動力現象，一般有強烈震動、瞬間底（幫）鼓、煤巖彈射等現象，煤礦地下水庫煤柱壩體內一般存在應力集中，沖擊地壓不利于煤柱壩體的穩定性，由此，有強沖擊傾向性礦井不宜建設地下水庫；⑤地震烈度：由于自然地震有可能引起井下局部甚至大規模礦震，不利于煤礦地下水庫壩體的穩定性，因此，建設地下水庫的礦井其地震基本烈度不宜超過7 度。

6）多煤層開采順序。多煤層開采時在以下條件下可進行上行開采：上部煤層為劣質煤或薄煤層或不穩定煤層，開采困難，下部煤層為厚煤層或優質煤，且上行開采不影響上煤層完整性；上部煤層有沖擊地壓或煤與瓦斯突出危險，下部煤層作為解放層開采；上部煤層含水豐富，采下部煤層有利于疏水。多煤層開采可進行上行開采時，適宜在下煤層較低或有天窗位置布置煤礦地下水庫，該方法既能增加地下水庫使用年限，又能避免水庫壓覆和時空銜接的問題。

2 煤礦地下水庫設計體系

通過對煤礦地下水庫的提前規劃、布局和設計可將煤礦地下水庫設計體系的構建及其與礦井整體設計深度融合。煤礦地下水庫設計體系如圖1。

圖1 煤礦地下水庫設計體系Fig.1 Coal mine underground reservoir design system

1）水庫選址。分布式地下水庫由若干采區或工作面子水庫組成，根據初步設計確定的采區劃分，分析各采區覆巖含水層賦存情況、水力聯系、地下水補逕排條件、底板標高、底板滲透性和隔水層厚度和導水構造分布情況等[9-10]。上覆巖層含水層厚度較大、底板標高較低、滲透性差、隔水層較厚且無導水構造的采區適宜建設子水庫，實際選址時很難有采區能滿足以上全部條件，可視具體情況綜合評價，進行子水庫選址。當上下煤層同時布置子水庫時，下煤層水庫選址要充分考慮與上煤層水庫的安全距離，且要盡量減少上下水庫間的調水距離[11]。

2）庫容設計。子水庫的庫容主要受采空區巖體碎脹系數、采區面積、底板起伏和儲水系數等影響[12-13]。當子水庫不僅作為儲水單元，且在水循環中起到凈化水的作用，還應考慮采區涌水量、礦井水平衡等因素。如某采區地質條件好，建設條件和經濟性高，適宜建設長期服務的子水庫，但采區涌水量不穩定，為穩定出水量和增強凈化效果，應適當加大采區面積，增加庫容且加長礦井水凈化距離，使其出水流量穩定且可直接在井下回用[14]。

3）子水庫時空順序。采區銜接順序一般遵循距主副井先近后遠、埋深先淺后深、多煤層開采先上后下的原則，子水庫建設就是采區采空區形成的過程，因此，子水庫時空順序應主要考慮與采區銜接相協調。近水平煤層開采時，可適當調整采區開采順序，根據水庫選址先開采適宜建設長期服務子水庫的采區。在首個子水庫達到預警水位之前，需建設完成其他子水庫或及時泄水。根據各水庫不同凈化效果，提前規劃各水庫在水循環系統中的作用，依據各子水庫重要程度對子水庫建設進行排序，對采區銜接計劃進行微調。

4）管網及巷道布置。各子水庫需有至少1 個注水口和1 個出水口，通過給排水管路將各子水庫連接，用于各子水庫均不超過預警水位和常規的調水。各子水庫由于水流路徑及采空區巖體巖性不同，凈化效果不同，將各出水口水質進行檢測，根據不同的水質將各出水管分別接入消防灑水、采掘設備用水、水處理和排水等系統。沿走向推進的采區，一般注水口和出水口均在采區巷道側，管路、加壓泵房及其附屬設施可布置在進、回風巷道口和采區聯絡巷內，采用已有巷道改造或預留的方式布置。沿傾向推進的采區，一般注（出）水口在采空區最遠端，需提前預留2 條巷道用于布置給（排）水管路，掘進至凈化水路徑最遠端或底板最高（低）處，出（注）水口、管路、加壓泵房及其附屬設施可布置在進、回風巷道口和采區聯絡巷內。

5）煤柱壩體設計。煤礦地下水庫壩體由煤柱壩體和人工壩體組成，其中煤柱壩體一般為采區邊界保護煤柱或相鄰工作面間保護煤柱。根據水庫選址規劃，提前對保護煤柱進行定性定位，煤柱壩體寬度應符合《煤礦防治水細則》中防隔水煤柱尺寸不得小于20 m 的規定。巷道一側煤柱非彈性區受埋深、頂底板巖性、礦壓等因素影響，而地下水庫一側煤柱非彈性區還受到側向水壓、水浸時間、水浸次數等因素影響[15]，水壓致裂和水浸弱化煤體強度，多因素影響煤柱非彈性區的機理較為復雜，目前仍難以量化計算，由此，煤柱壩體寬度仍需要理論計算、物理實驗、現場經驗相結合的方法確定[16-17]。對于生產礦井，按照正常工作面回采留設了保護煤柱，有儲水需求而將采空區改造成地下水庫，原保護煤柱有滲漏的風險，儲水前應對煤柱進行安全評價，存在安全風險的區域需進行局部注漿加固。煤柱寬度可采用式（1）計算[18]：

式中：W 為煤柱壩體寬度，m；x0為地下水庫一側煤柱非彈性區寬度，m；x0′為巷道一側煤柱非彈性區寬度，m；k 為調整系數；M 為煤層厚度，m。

6）人工壩體設計。每個工作面回采后在進、回風巷道口構筑人工壩體，其安全性主要受尺寸、構筑形式、承載力和穩定性等影響。人工壩體目前的構筑形式主要有平板型、T 字型、工字型、梯形等。平板型人工壩體結構為磚、充填材料、素混凝土、鋼筋混凝土、工字鋼等構筑的單一或復合結構。人工壩體根據厚度計算公式保證壩體的承載力，通過選擇有針對性的構筑形式保證壩體的穩定性[19]。人工壩體厚度可采用式（2）計算：

式中：S 為人工壩體厚度，m；K1為調整系數，p為抗水壓強度，MPa；F 為壩體截面積，m2；［τ］為壩體抗剪強度，MPa；L 為煤柱壩體內掏槽槽體周長，m。

7）壩體連接處設計。壩體連接處是指人工壩體嵌入煤柱壩體的部分及其錨固部件。構筑人工壩體前需在煤柱上進行掏槽，掏槽深度在一定程度上增加了連接處煤體和混凝土之間的接觸面積，有利于連接處防滲。連接處連接工藝是指人工壩體與煤柱壩體之間錨固方式、參數，一般采用錨桿，也可采用工字鋼、鋼板或組合形式。錨桿間排距不宜過密或過疏，既要連接處煤體裂隙發育程度不宜過高，又能達到連接強度要求，錨桿間距一般為500～800 mm，排距一般為500～600 mm。連接處在開槽后需視界面破壞程度進行預注漿處理，人工壩體砌成后也需對縫隙進行注漿防滲處理，注漿漿液以水泥類、水泥—水玻璃雙漿液、水泥黏土類、黏土漿液等為主。注漿材料的性能主要包括粒度、黏稠度、凝結時間、穩定性、流動性、抗腐蝕性和抗滲性等，注漿材料的耐久性和抗滲性在地下水庫設計中尤為重要。掏槽深度可采用式（3）計算：

式中：E 為掏槽深度，m；K2為調整系數；［δ］為人工壩體和煤柱壩體抗壓強度較小值，MPa。

8）水庫安全監測監控系統。為了對煤礦地下水庫的相關安全參數進行全面監測監控，在水庫關鍵位置應布置相應的監測設備。在煤柱壩體和人工壩體外側關鍵位置布置有害氣體、應力應變監測傳感器，人工壩體外側除此之外還應布置水位、水質監測設備。設計用于收集和處理大量監測數據的地下水庫多信息數據分析及處理平臺，將各監測數據交互聯通，形成完整的水庫安全監測系統，并將其作為1個子系統納入礦井安全生產監控及自動化系統之中。根據監測數據反饋結果，對水庫日常運行安全進行實時監測，并在礦井主監控系統中實時顯示。設計基于傳感器收集、監測數據采集、智能處理的安全預警系統，實現水庫安全參數超標時能智能預警，并確定危險類型、級別和危險源位置。

9）調水系統。調水系統分為常規水循環調水、調蓄和應急排水系統。個別子水庫其凈化水效果較好，可代替常規水循環中的沉淀和過濾的流程，礦井水經凈化效果好的子水庫后，對出水口水質進行監測，若符合井下沖洗用水、設備用水或消防灑水水質要求，可接入相應的給排水管路。由此該子水庫、給排水管路及水泵被納入常規水循環調水系統。水庫安全監測系統中對每個子水庫水位進行監測，調蓄系統是為了保證每個子水庫水位保持在警戒線以下，利用調水管路將高水位水庫的礦井水調入低水位水庫。另外，根據上下煤層采區銜接計劃，確定子水庫時空順序，上下煤層子水庫間調水也屬于調蓄系統。某子水庫其涌水量會出現突變的情況，普通調蓄系統無法滿足排水要求，應設計有應急排水裝置，其閥門和管路應大于普通調蓄系統。若出現礦震或沖擊地壓會導致水庫壩體不穩定，具備建設條件的多個子水庫可在井下巷道最低點共建災變潛水泵排水系統，由地面直接供電并控制。以上各調水系統可將管路、閥門、水泵進行精簡優化設計，達到滿足功能的前提下經濟合理。

3 煤礦地下水庫設計與礦井整體設計深度融合

煤礦地下水庫設計的各個系統都與礦井設計密不可分，需要兩者深度融合[20]。煤礦地下水庫設計與煤礦設計對應關系如圖2。

圖2 煤礦地下水庫設計與煤礦設計對應關系Fig.2 Corresponding relation between underground reservoir design and coal mine design

根據采區水文地質條件進行水庫選址，根據采區劃分進行庫容設計，同時為了讓建設條件好的子水庫增加服務年限和庫容，也可適當調整采區劃分范圍。子水庫時序應與采區銜接計劃緊密結合，以采區銜接計劃為主，盡量兼顧由低到高的開采順序。根據子水庫具體設計，確定煤柱壩體和人工壩體位置，煤柱壩體寬度、人工壩體及其連接處結構、形式進行單項計算和設計，代替常規設計中的采區煤柱留設尺寸、工作面密閉墻及其防滲措施方面的設計。水庫安全監測監控系統進行專項設計，作為獨立子系統納入綜合監控及自動化系統中，實現對水庫日常運營和安全數據的實時監測。調水系統發揮著及其重要的作用，子水庫的凈化功能可代替水處理工藝中部分環節，該系統可與水處理系統相結合，同時也應將調水系統接入給排水和應急排水系統。

綜上所述，煤礦地下水庫設計工作應與新建礦井可行性研究報告、初步設計、安全設施設計、施工圖設計和竣工驗收等設計階段進行高度協調同步，與礦井設計做到“四同時”：即同時規劃、同時設計、同時施工、同時驗收。

4 結 語

基于顧大釗院士提出的以“導儲用”為核心的煤礦地下水庫理論框架和技術體系，論述了建設煤礦地下水庫的適應性條件，構建了以水庫選址、庫容設計、子水庫時序、煤柱壩體設計、人工壩體及連接處設計、管網及巷道布置、調水系統、安全監控系統為核心的設計體系。

隨著我國部分煤炭開發地區水資源短缺的問題日益嚴重，生態環境急劇惡化，環保政策日趨嚴格，煤礦地下水庫技術成為礦區水資源保護和利用的最佳選擇，能解決礦井水外排蒸發帶來的水資源損失問題，又能實現礦井水零排放，減少礦井水上下井的電力消耗，促使了礦井水的高效利用，減少了水處理的沉淀凈化環節，能為煤礦在環保、節能、經濟、技術等多方面發揮重要作用。