强排水仓与中央水仓联合构建方式设计

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001）

1 规范、规程之要求

目前山西省大部分矿井浅部煤层已基本开采殆尽，下部煤层一般均受上覆采空区积水或底板奥灰水影响。据《煤矿防治水细则》，受采空区（老空区）、奥灰水影响的矿井，一般其水文地质类型为复杂类型或极复杂类型。按《煤矿安全规程》（2016版）第三百零八条规定应当在井底车场周围设置防水闸门或者在正常排水系统基础上另外安设由地面直接供电控制，且排水能力不小于最大涌水量的潜水泵。

2 潜水泵房与中央（采区）水仓联合之构建思路

2.1 潜水泵安装方式

一般潜水泵布置方式有立式、平卧式和斜卧式三种方式。立式安装工程量大，施工复杂，平卧式安装易受水中杂质影响而堵塞，因而，井下潜水泵多采用斜卧式安装。将其放置在倾斜的泵坐上，或将其放置在清理水仓的倾斜巷道内，倾斜的角度应按巷道标高、涌水量大小、水仓有效容积综合确定，倾角越大，越有利于潜水泵受力，延长潜水泵使用年限。

2.2 相关参数的确定

在矿井设计施工中，水仓入口一般均布置于开采区域的最低点。单独构建水仓时，在吸水井深度、泵房标高确定的基础上，为减少水仓掘进工程量且保证水仓容量的最大利用率，一般情况下，水仓断面（半圆拱形）墙高在500～1000 mm之间，水仓的最高储水液面由水仓入口水沟底板标高、泵房硐室电缆沟底板标高确定，此时设计矿井涌水达到最高储水液面高度时，水仓巷道为封闭巷道，有效容量满足《煤矿安全规程》之规定。

如此时再考虑强排水仓与正常水仓联合构建时，其设计主要考虑程序、因素有：

（1）潜水泵上吸水口不应高于离心泵房底板标高。

（2）强排水仓与原有水仓相连，为尽量确保水质相对较清；水仓与强排水仓连接处应设置挡煤泥墙或过水闸们（铁篦子），以防突水时，杂物汇入强排水仓，影响潜水泵正常工作。

（3）水仓与强排水仓连接处除设置挡煤泥墙或过水闸们外，应保留一定过水高度。保证水害时有一定的过水断面。

（4）强排水仓有效容积为“最高液面”和“最低液面”差值与巷道长度和宽度乘积。

①最高液面：水仓最高有效液面与巷道贯通处水沟底板。

②最低液面：潜水泵上吸口1m处（潜水泵布置倾斜巷道中的下部。与实际巷道布置情况综合确定，以满足“最小强排有效容量为依据”）。

3 工程实例

3.1 矿井水文地质类型

据《山西朔州平鲁区龙矿大恒煤业有限公司4号、9号煤层配采地质报告》及《煤矿防治水细则》，矿井水文地质类型划分为中等类型。

3.2 涌水量

据地质报告资料，涌水量采用富水系数比拟法预测数据。

（1）配采时期

采用富水比拟法计算矿井在年产3.0 Mt/a时，即4（4-1、4-2）号煤层生产能力为1.0 Mt/a，正常涌水量为8.4m3/h，最大涌水量为13.9m3/h；9（9-1、9-2）号煤层生产能力为2.0 Mt/a，正常涌水量为83.3m3/h，最大涌水量为100m3/h；故矿井正常涌水量为91.7m3/h，最大涌水量为114.0m3/h。

（2）单独开采9-1、9-2、11号煤层生产能力达到3.0 Mt/a 生产能力时，9-1、9-2号煤层矿井正常涌水量125m3/h，最大矿井涌水量150m3/h。

据煤层开采服务年限，矿井后期联合开采9、11号煤层，同时考虑消防洒水、黄泥灌浆析出水量，预测矿井正常涌水量为180m3/h，最大涌水量为220m3/h。

（3）综合考虑煤层带压开采、地质构造（煤层整体上为单斜，井田北部～重点开采区域，断层较为发育）及4号煤层采空区积水问题，为提高矿井抗水害灾变能力，经专家研究、会审确定增加强排系统。强排水量Q=300m3/h。

3.3 实际构建的参数

（1）采区水仓容量

据矿井开采4号煤层实际情况，4号煤层正常涌水量为35m3/h，最大涌水量为60m3/h；9号煤层正常涌水量为145m3/h，最大涌水量为160m3/h。

开采4号煤层的采区涌水自流至副斜井井底主排水泵房水仓；9号煤层采区涌水沿下组煤西翼回风巷排至副斜井井底主排水泵房水仓。

故9号煤层采区水仓有效容量Q≥4×145=580m3。

（2）强排水仓有效容量

强排水仓有效容量与设计突水量、排水路线密切相关。本矿井强排水量Q=300m3/h，据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》（GB/T 50451-2017）的相关要求，若设置地面钻孔安装排水管路，则强排水仓有效容量应为300m3，若沿巷道敷设排水管路，强排水仓有效容量约为700m3。

（3）联合构建方案

据地面是否适宜布置强排钻孔、水仓有效容量大小而确定的施工方式和水仓的成型，可分为“V型”和“大开挖V型”+“一字型”的构建方式。

①“V型”构建方式

在布置有地面钻孔、确保有效容量满足要求的前提下。强排水仓宜采用“V型”构建方式，即强排水仓巷道先以一定坡度向下掘进，掘至要求深度后布置一定长度的水平段后向上掘进与水仓入口斜段巷道贯通，见图1、图2。

图1 V字形强排水仓构建方案剖面

图2 一字形强排水仓构建方案平面

该布置方式水泵呈斜卧式布置，强排水仓断面共分两部分，一部分为5.0×1.8（直墙高）的半圆拱断面，另一部分为3.5×0.5（直墙高）的半圆拱断面。经计算，强排水仓实际有效容量即为图1阴影部分体积45.85×5+24.38×3.5=314.58m3＞300m3，满足设计要求。

②“大开挖V型”+“一字型”构建方式

假如强排管路沿巷道敷设至地面，则强排水仓宜采用“大开挖V型”+“一字型”构建方式，即强排水仓巷道与水仓入口斜段巷道底部呈直角相连，其布置方式见图3、图4。

图3 强排水仓构建方案剖面

图4 强排水仓构建方案平面

经计算，强排水仓实际有效容量即为图c阴影部分体积45.85×5+148.83×3.5=750.555m3＞700m3，满足设计要求。

通过对比以上两种构建方式，“V”型方式施工相对简单，储水量较小；而“大开挖V型”+“一字型”施工相对复杂，但储水量大。结合大恒煤业地面、井下巷道的布置情况，为简化排水系统，节省投资，设计在已有选煤厂变电所附近设置强排钻孔（h=300m，φ=315 mm）直通井下采区水仓，强排水仓与采区水仓采用“V”型构建方式。

4 结语

从以上两构建方式来讲，其主要的决定因素为强排管路的敷设路径和强排水量。在强排水量一定的情况下，从施工难易程度、工期、工程量和投资角度分析，如适宜布置地面钻孔则采用“V”型构建方式；如地面不易布置钻孔，则采用“大开挖V”十“一字型”的布置方式。