井下共享吸水系統的研究與應用

姜啟彬 秦 濤 范備戰

（臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274700）

隨著煤礦采掘不斷延伸，工作面逐個進行回采，受大面積采空區影響，原有的采區生產系統可能受到影響，不能繼續使用。因采區回采接近尾聲，按照礦井主要水倉施工，又造成資源浪費且工期較長，不利于采區生產。利用現有采區巷道布置情況，選取合適區段進行水倉改造或施工符合要求的新水倉[1-3]，既能解決水倉排水要求，也不影響采區生產。

1 工程背景

根據四采區設計對工作面順槽布置的要求，向斜西部塊段煤層回采完畢后，在靠近DF61-1 斷層附近施工工作面順槽，與四采區軌道巷和四采區膠帶巷匹配形成工作面回收采區東南塊段煤層。工作面推采至F10 斷層位置時，回撤東部工作面，保留西部工作面繼續推采至停采線位置。結合現有生產實際現狀，4305 工作面回采完后，采區向斜西部塊段煤層全部回采完畢，需對向斜東部塊段煤層進行回采。原四采區水倉位置處于采區向斜東部塊段4306 工作面范圍內，待4306 工作面回采時將對采區水倉造成破壞。為確保采區正常排水，需另行設計采區水倉。

2 適用領域及技術路線

井下共享吸水系統借鑒礦井主要水倉的設計思路，通過單個吸水井配合管道閘閥對2 個以上的獨立水倉進行排水，優化了吸水井、排水泵站、配水巷關系，簡化了復雜的施工過程，在滿足采區水倉要求的情況下，盡量減少井巷工程施工量，同時減少設備投入維護。

共享吸水系統利用現有巷道布置吸水井和泵房，僅需施工獨立水倉，施工一處吸水井即可，不必施工配水巷、吸水井等復雜工程，特別適合頂板不穩定的巷道，可用于涌水量不超過100 m3/h 的采區布置或老采區水倉改造。

3 關鍵技術創新及經濟分析

3.1 技術研究內容及創新點

四采區向斜軸部為采區低洼點，但受4306 回采影響，新水倉不能布置在低洼點位置，且四采區尚有3 個工作面未回采，新水倉服務期限必須滿足剩余工作面回采要求。四采區軌順巷和膠帶巷沿煤層頂板掘進，巷道坡度高低起伏，臨時小水倉不能滿足需求，且受4307、4308 工作面布置影響，沒有合適位置布置傳統形狀的環形水倉。經過現場查看，結合采區開拓、工作面布局，利用巷道立交關系設計了“F 型水倉”，并利用F 型水倉特點，設計了井下共享吸水系統。

3.1.1 確定水倉規格

四采區正常涌水量69 m3/h，最大涌水量83 m3/h。為滿足排水要求，采區水倉需有不小于276 m3的容量，同時為滿足清淤檢修要求，應設置2個獨立水倉，且互不影響。水倉入口應位于巷道低洼點或局部低洼點處。

3.1.2 選定水倉位置

受4307、4308 工作面布置影響，水倉不能布置在采區巷道最低點，排水泵站應高于水倉入口，盡量利用現有巷道改造。根據水倉要求和現有巷道，將水倉布置在輔助進風巷與膠帶巷立交位置，利用兩巷道的層位關系在輔助進風巷布置排水泵站，在膠帶巷掘進2 個水倉。如圖1。

圖1 “F”水倉位置平面圖（mm）

3.1.3 巷道施工

在輔助進風巷與膠帶巷立交點以外10 m，平行于輔助進風巷向軌道巷方向施工2#水倉40 m，相隔10 m 施工1#水倉。兩水倉貫通后繼續向輔助進風巷施工，預留吸水井位置。水倉斷面8 m2，1#水倉有效容量為356 m3，2#水倉有效容量為222 m3，四采區水倉有效容量578 m3。

3.1.4 共享吸水系統

在1#水倉末端砌筑吸水井，砌筑的同時預埋2處Φ530 mm 鋼管。鋼管一端與1#、2#水倉連通，另外一端與閘閥連通。在1#水倉與2#水倉設置擋水墻，用于隔斷水流。吸水井上方用工字鋼和鋼板覆蓋，預留吸水口和梯子間，將閘閥開關引至鋼板上方，用于切換水倉水流。如圖2、圖3。

圖2 “F”水倉位置布置圖（mm）

圖3 “F”水倉剖面圖（mm）

3.2 創新點

《煤礦安全規程》和《采礦工程設計手冊》對礦井主要水倉有較為明確要求，對采區水倉僅僅是容量要求，因此各煤礦一般參照礦井主要水倉進行設計。標準的水倉雖然容量滿足要求，但是工程量大，施工繁瑣，對地質條件要求較高，投入比較大，施工周期長，不利于新采區快速投產。

與傳統的水倉相比，四采區共享吸水系統具有以下優點：

（1）利用巷道立交關系，巧妙選擇水倉位置，能兼顧后續所有工作面順槽排水進入采區水倉，利于后期工作布置，滿足服務年限要求。

（2）在滿足水倉容量要求的情況下，節省近一半巷道掘進量，減少成本投入，增加安全效益。

（3）通過隔水墻和配水閥的配合，形成獨立的吸水井，可解決臥泵配水問題，同時隔水墻也起到阻擋水倉淤泥的作用。

（4）兩個獨立水倉共享吸水井的設計，可減少設備投入和維護費用，減少機電事故。

（5）二級沉淀池配合1#、2#水倉，減少水倉淤泥，同時也便于1#、2#水倉清淤。

（6）利用巷道層位關系，合理布置泵房、移變硐室，不必新掘進專用泵房和移變硐室。

（7）通過與四采區輔助膠帶巷關系，在立交位置施工排水立眼，可將排水管路引入四采區輔助膠帶巷，避免輔助進風巷管路集中放置，減少安全隱患。

（8）系統布置簡單，不必施工大斷面、超高巷道，施工工序簡單，對頂板穩定性要求低。

（9）設備布置簡易整潔，便于實現無人值守。

3.3 經濟效益分析

3.3.1 經濟效益

（1）相比三采區水倉，四采區水倉容量是其容量60%，但是巷道掘進量（按矸石立方計算）僅為三采區水倉28%，巷道利用率高。且三采區水倉為單倉布置，不便于后期清淤。該水倉設計可節省巷道掘進90 m，節省工期30 d。費用90×6000=54萬元。

（2）沉淀池、擋水墻、配水閥均可起到污水沉淀作用，使得水倉淤泥達到1.2 m 以上時才需清淤，加之沉淀池和擋淤墻的設計，相比原四采區水倉，清淤次數大幅度減少。四采區水倉可服務四采區4 年，服務3 上二采區10 年以上，清淤費用：14 年×3 次/ 年×4 人×3 m/ 人×30 d×330 元/工=498.96 萬元。

（3）2 個水倉共用一個吸水井，相比二采區水倉減少了3 臺臥泵的投入，減少機電事故的發生概率，降低機電維護、維修費用。臥泵成本：3×15萬元=45 萬元。

（4）實現采區水倉、泵房無人值守。每年人均成本費用7 萬元，每日3 人值班，14 年人工費用為7×3×14=294 萬元。

水倉可節省費用：54+498.96+45+294=891.96萬元。

3.3.2 社會安全效益

（1）社會效益

可在開掘傳統環形水倉不便的已有巷道中進行布置；可在涌水量不超過100 m3/h 的采區布置。

（2）安全效益

減少巷道掘進，降低生產事故發生率；多級沉淀，設備投入少，降低設備故障率；無人值守，可降低人員傷害事故。

4 結論

共享吸水系統設計思路新穎，可利用巷道層位關系為后期采區水倉、現有水倉改造提供設計參考，以節省巷道掘進成本、施工工期和設備投入，提高經濟安全效益。

下一步計劃在二、三采區水倉改造中應用共享吸水系統設計思路，擴大水倉有效容量，提高抗災能力。