斜溝煤礦單斜構造地下儲水庫技術研究

張建軍，田淵輝

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦（下簡稱“斜溝煤礦”）分兩個水平開采，一水平開采8#煤層，二水平開采13#煤層，隨著不斷進行的規模化開采，礦井水循環系統出現不平衡現象。每年6月至9月區域正值豐水期，礦井涌水量增加，使礦井現有配套的地面污水處理站超負荷運行，礦井水經地面污水處理站處理后回收利用，供井下生產，剩余部分礦井水外排；每年12月至次年2月區域正值枯水期，礦井涌水量減少，礦井生產用水除處理后的礦井水外，還需開采地下水進行補充。斜溝煤礦為實現綠色開采與可持續發展特開展單斜構造地下儲水庫技術研究。

1 礦井地質概況

斜溝井田及周邊地表大部分被新近系上新統（N2b）和第四系上更新統（Q3m）、全新統（Q4）所覆蓋，基巖僅在溝谷中出露，自東向西依次出露奧陶系中統峰峰組、石炭系中統本溪組、上統太原組、二疊系下統山西組、下石盒子組、上統上石盒子組、石千峰組和三疊系下統劉家溝組。井田內主要含水層自下而上依次為：奧陶系巖溶含水巖組、石炭系太原組碎屑巖類裂隙含水巖組、二疊系下統下石盒子組與山西組砂巖裂隙含水巖組、二疊系上統上石盒子組、石千峰組和三疊系下統劉家溝組碎屑巖類裂隙含水巖組及第四系、新近系松散巖類孔隙含水巖組。斜溝煤礦井田地質構造簡單，總體上為一走向近南北、傾向西的單斜構造，地層傾角小于15°，一般為9～12°，在井田勘探和礦井開拓、掘進、回采過程中未發現巖漿巖侵入、陷落柱現象，揭露斷層118條，斷層最大落差12.4 m。

2 采空區儲水庫的位置選擇

斜溝煤礦18205采空區位于一水平主要開拓巷道下山區域12 采區中部位置，四周均為實煤區，2015 年11月開始回采，采用走向長壁式大采高一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板，2019 年1 月回采結束。18205 采空區隨著時間推移垮落狀態已基本穩定，有利于建設地下儲水庫進行儲水；12采區下伏的22采區受奧灰水影響未來十年內不計劃進行回采作業，為采空區儲水庫位置選擇創造了有利條件；斜溝煤礦礦井水采用接力式排水方式，一水平布置采空區儲水庫，既可接受一水平、二水平采掘工作面產生的礦井廢水，又可接受采空區上覆巖層中的裂隙水，能充分收集礦井水，可提高礦井水利用率；18205采空區材料巷側較皮帶巷側高約40 m，底板為泥巖、砂質泥巖，具有良好隔水性，向上距二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層約50 m，空間高度越高，儲水量越大；18205 采空區周邊工作面均未回采，防隔水煤柱寬度約300 m，可確保采空區儲水庫安全運行。綜合18205采空區采掘資料和礦井采掘計劃，選定在18205采空區建設地下儲水庫，利用采空區與防水閘墻形成的封閉空間進行儲水［1］。

3 采空區儲水庫的凈水原理

煤礦采空區儲水庫的凈水原理主要是通過垮落區巖石過濾作用和采空區沉淀作用實現礦井水凈化。從采空區地勢較高的材料巷注入礦井水，礦井水在向地勢較低處流動過程中與垮落巖石充分接觸過濾，同時礦井水在采空區沉淀一段時間后實現污水凈化的功能，如圖1所示。采空區作為礦井水的儲存場所，具有容積大、范圍廣、平流速度小、停留時間長、沉淀效果好的優點；采空區內垮落的巖石多為砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖等，在垮落過程中裂隙發育，泥巖易泥化充填空隙，泥巖中含有的黏土礦物，吸附能力強，有利于礦井水懸浮物的凈化；采空區巖石中存在煤灰及砂巖顆粒，粒度較小，孔隙率大，具有較大的納污能力，也能有效去除礦井水中的懸浮物。

圖1 煤礦采空區儲水庫凈化示意圖

采空區儲水庫除具有過濾和沉淀凈化作用外，生化作用也是去除污染物和有機物成分的重要環節，采空區煤粉與水中污染物反應生成化學沉淀物，垮落區煤矸石中的黏土礦物對水中陽離子的吸附作用使采空區微生物可以氧化、分解、吸附水體中的有機物，從而使礦井水得到凈化［2］。

4 采空區儲水庫的庫容計算

采空區儲水庫的儲水空間主要由采空區、垮落帶和裂隙帶組成，礦井水主要賦存于采空區、垮落帶與裂隙帶巖石組成的空隙和巖石本身孔隙中［3］。采空區儲水庫是利用優先開采的煤層形成一個相對密閉空間進行儲水，且儲水空間一般位于采空區垮落帶，礦井水主要儲存于垮落帶巖石空隙中［4］。

針對斜溝煤礦18205采空區單斜地質構造及頂板垮落特點，采用頂板垮落法估算采空區儲水庫的容積，同時采用采空區儲水系數對計算方法進行合理性驗證［5］。基于采空區垮落帶的孔隙率變化規律，采空區儲水能力大小取決于垮落巖體與采空區形成的儲水空間大小，主要與垮落帶巖體碎脹系數和采煤高度相關。

采空區垮落帶高度計算公式如下：

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為煤層采高，取值4.7 m；C1、C2、C3為垮落帶高度系數，根據表1 中硬巖參數取值。經計算，垮落帶高度為20.7 m。

表1 垮落帶高度計算系數

采空區垮落帶的孔隙率采用如下公式計算：

式中：φ為垮落帶孔隙率；b為垮落巖體碎脹系數，巖體碎脹系數1.0～1.5，取1.2。經計算，采空區垮落帶孔隙率為0.244 m。

式中：V1為采空區儲水容積，萬m3；V0為采空區體積，萬m3（僅為工作面采出煤炭體積，工作面長度280.4 m，推進長度有效儲水段2 575 m，采高4.7 m，采出煤體體積339.35萬m3）；φ為垮落帶孔隙率。經計算:

式中：K為采空區儲水系數；V2為采空區垮落后總體積，含采出煤炭體積和垮落后巖體體積，為1 833.96萬m3；V3為垮落后巖體體積，為1 494.6 萬m3，故K=18.5%。

斜溝煤礦18205 工作面為單斜地質構造，走向南北，傾向西，煤層底板等高線近等距分布，工作面傾斜長度為280.4 m，采煤厚度平均為4.7 m，采煤工作面推進長度為2 849 m，后端約有274 m高程較高無法注入礦井水，故采空區有效儲水長度為2 575 m。垮落帶主要為泥巖，碎脹系數取1.2。公式（1）計算可得到工作面垮落帶高度為20.7 m。公式（2）計算可得到垮落帶巖石孔隙率0.244。公式（3）計算可得到采空區儲水庫容積為82.8 萬m3，公式（4）計算可得到采空區調節水庫儲水系數為18.5%。據眾多專家與學者研究成果可知，采空區儲水系數為12.80%～33.80%（平均為22.30%），故計算結果采用的方法科學合理。

5 采空區儲水庫的水量調節

斜溝煤礦日常用水量約195～213 m3/h，鑒于斜溝煤礦豐水期礦井水須外排、枯水期需開采地下水進行補充的情況，為進一步提高礦井水資源利用率，通過在18205 采空區建設地下儲水庫來平衡豐、枯水期礦井水水量。每年6月至9月豐水期，將礦井水多余部分約7～20萬m3暫時儲存至儲水庫中，待每年12月至次年2月枯水期，將采空區儲水庫中的水通過出水口放出，經礦井排水系統排至地面污水處理站處理后再回用，替代枯水期開采的地下水水量［6］。采空區儲水庫注水時間主要集中在每年豐水期，排水時間在每年枯水期，間隔時間約為60 天，其余時間段為平水期，礦井水循環系統可基本保持平衡狀態，不需要排放廢水和額外開采地下水。

6 結語

采空區地下儲水庫建設的技術研究不是一蹴而就，需要不斷在實踐中檢驗和總結分析［7］。在后續的運行過程中將結合底板等高線情況，進一步分析18205工作面不同區域（包括采空區、塌陷區、裂隙區）的儲水特征和庫容量，分析枯水期和豐水期18205 采空區的儲水特征，構建適用于斜溝煤礦單斜地質構造的地下采空區儲水庫水循環利用技術，實現對礦井水資源進行“轉移、儲存、凈化和利用”的地下儲水庫技術，為我國煤炭的安全、高效、綠色開采提供借鑒。