涌水采区煤巷内疏水系统的应用研究

刘书杰

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

随着开采深度、开采速度、开采规模的不断扩大，煤矿巷道突水问题日益加剧。煤矿突水不仅造成煤矿企业的经济损失，同时对井下施工人员的安全生产具有很大的威胁。因此，应该把煤矿巷道中的水害控制在局部范围内，再利用“疏导+利用”的综合技术手段，降低巷道内水害的不利影响，减少生命财产的损失。

本文以开滦(集团)有限责任公司林南仓矿2123工作面为背景，利用理论分析与解析计算的手段，针对突水采区巷道工作面的特点，研究应用地下水疏水系统的设计方案。

1 工程背景

2123工作面位于林南仓矿二水平西一采区，主采煤层为煤12煤层。2123工作面回风巷施工57 m，前12.6 m巷道标高-478.8 m。当工作面回风巷施工到27 m位置时，上方顶板淋水逐步加大，时测涌水量为0.5 m3/min；工作面回风巷继续掘进过程中，出水点涌水量增大到0.8 m3/min，出水点移至掘进头上顶偏左位置，涌水量逐步增大，最终稳定在2.0 m3/min。

2123工作面同层北部为西一采区1129工作面，距2123回风巷140 m左右，该工作面掘进中最大涌水量为0.35 m3/min，回采最大涌水量为0.2 m3/min，目前该工作面运输巷老空区往外出水量为0.01 m3/min。1129工作面上层北部为西一采区1119工作面，该工作面掘进中最大涌水量为0.1 m3/min，回采中基本无水。2123工作面同层北部为2121工作面，目前该工作面运输巷已有淋水现象，且水质化验结果与2123工作面回风巷出水相同。

在2123工作面巷道围岩内施工钻孔进行探查，其中：1#钻孔方位是N298°∠+1°，终孔深度为93.5 m，孔内无水；2#钻孔方位是N265°∠+6°，终孔深度为59.2 m，孔内0～51.3 m为煤12煤层，51.3～59.2 m为煤12煤层顶板粉砂岩。2#钻孔内，在54.5 m位置见水，57.4 m位置涌水量变大，59.2 m位置水量增大到2.4 m3/min，同时发生顶钻现象。目前，涌水量维持在1.5 m3/min。

2 涌水煤巷疏水系统分析

根据2123工作面回风巷涌水的水质检验结果及出水层位分析，基本判定涌水水源为煤12煤层-煤14煤层砂岩含水层，该含水层水位标高约为-33.68～-63.39 m。巷道涌水由裂隙导通上部含水层造成，具有以下特点：

(1)涌水量很大，水量大小经过初期的波动后，逐步稳定在3.5 m3/min，裂隙导水通道对巷道形成了持续稳定的水源补给。

(2)涌水的水压较高，经过现场实测，水压达到3 MPa。

(3)涌水的水质经过化验，水中不含重金属及其他有害的稀有元素，水质清澈且无异味，符合生产用水的标准。

鉴于以上巷道涌水的特点，考虑到地下水资源回收再利用的目的，通过“局部封闭+管路疏导”的设计思路，实现巷道涌水与矿山废水分别管理，从而变害为宝。因此，把巷道涌水分为有压水和无压水两种。有压水是指钻孔中涌出的地下水，水压达到3 MPa，水量为1.5 m3/min，可以排泄到-400 m 水平的水仓；无压水是指巷道围岩中的突水点涌出的地下水积聚在巷道内，对矿井生产系统产生了危害，水量为2 m3/min，可以封闭巷道，把地下水疏导到排水系统。

2.1 有压水疏导系统

2#钻孔的水压力测试值为3 MPa，涌水流量为1.5 m3/min，当按预定介质流速来确定管径时，采用以下公式选择管径：

D=18.81×V00.5×u-0.5

(1)

式中：D——管道内径，m；

V0——管内介质的体积流量，m3/s；

u——介质在管内的平均流速，m/s。

当水压力P=3 MPa时，管内水的体积流量V0=90 m3/s，管内水的平均流速u=3 m/s，根据式(1)计算得出管道内径D=103 mm。从安全角度出发，实际输水管内径应该大于103 mm，管道内径取值108 mm，因此，设计选取ø124 mm×8 mm无缝钢管(20#钢材)作为输水管。

有压水在管路中基本是满管流动，沿着管路会产生沿程水头损失hf。为了计算管路沿程水头损失hf，必须先判断管路内水流的流动状态，因此，采用雷诺系数Re进行判断，见公式(2)。

(2)

式中：Re——雷诺系数；

q——流量，m3/min；

v——运动粘滞系数，m2/s。

输水管内径D为108 mm，水流量q为1.5 m3/min，常温下水的运动粘滞系数v为1×10-6m2/s，雷诺系数Re为2.9×105，远大于2000，有压水流在输送管路中呈现紊流状态，因此，采用圆管液流沿程水头损失的达西公式：

(3)

式中：L——管路长度，m。

输水管内径D为108 mm，管路长度L为2000 m，水流量q为1.5 m3/min，常温下水的运动粘滞系数v=1×10-6m2/s，管路的局部水头损失很小，相对沿程水头损失来说，可以忽略不计，按照公式(3)进行计算，管路沿程水头损失hf为95 m，且水仓的相对高程为80 m，因此，水如果疏导到水仓需要的水头高度应大于175 m，即水力压力应大于1.75 MPa，钻孔涌出地下水的水压是3 MPa，完全满足水流的动力要求。

(4)

式中：P——钢管可承受的压力，MPa；

σ——钢管抗拉强度，MPa；

S——安全系数；

δ——钢管壁厚，m；

D外——钢管外径，m。

根据上述公式验算，材质为20#钢的124 mm×8 mm无缝钢管的可承受最大水压力为6.2 MPa，能够满足水压力3 MPa的技术要求。

2.2 无压水疏导系统

地下水从2123工作面回风巷围岩中涌出后，会在巷道内形成积水，如果涌水量达到2 m3/min，需要在回风巷入口处建造水闸墙进行局部封闭，且必须安装泄水管。水闸墙根据以下公式进行设计：

式中：L密——混凝土密闭体一段长度，m；

B——背水端硐室最大净宽，m；

n——密闭体段数；

R——混凝土设计轴心抗压强度，MPa；

m——安全系数；

p——硐室设计抗水压力，MPa；

α——密闭体斜面与巷道中心线夹角，(°)；

b——密闭体楔形体深度，m。

背水端硐室最大净宽B=4.58 m，密闭体段数n=3，C25混凝土设计轴心抗压强度R=11.9 MPa，安全系数1.2，硐室设计抗水压力p=4 MPa，密闭体斜面与巷道中心线夹角α=5°，按照式(5)计算，水闸墙混凝土密闭体长度L密≥7.6 m。考虑到水闸墙的经济性及施工难度，水闸墙混凝土密闭体长度L密取值7.6 m，按照式(6)计算，水闸墙墙体厚度嵌入围岩深度b≥0.7 m。2123工作面回风巷两帮的煤岩壁与水闸墙体容易密封，而回风巷顶底板岩体与水闸墙的密封难度大。因此，墙体嵌入煤岩壁顶底板深度0.7 m，嵌入煤岩壁两帮深度1.0 m。

泄水管管径d根据水管的最大流量确定，按照下述公式进行泄水管直径选择：

式中：Q′——通过硐室的最大计算流量，m3/s;

η——富裕系数，取1.2；

Q——通过硐室的最大实际流量，m3/s；

A——泄水管断面积，m2；

V——流速，m/s；

C——流速系数；

y——指数；

n——水管粗糙度，取0.012；

R——水力半径，m，本文取0.25d；

i——管路坡度，取0.01；

d——泄水管直径，m。

根据上述公式，结合类似工程经验，按照d取值由0.17～0.22 m按0.010 m的级差进行计算，结果如表1所示。

按照表1计算结果，泄水管管径d≥0.19 m就能满足技术要求。因此，泄水管应选取内径ø212 mm的无缝钢管。

管壁厚度δ根据输水管开启时管路的排水能力及水压力进行计算：

(13)

式中：dΔ——钢管附加厚度，mm；

R2——钢管许用压力，MPa。

经过计算得出管壁厚度δ≥6.7 mm。从安全方面考虑，本设计选用壁厚10 mm的无缝钢管。根据无缝钢管标准，拟选用的钢管规格为ø232 mm×10 mm，材质为20#钢材。现根据输水管承受的水压力公式(4)进行验算。根据公式(4)进行管路承压验算，材质为20#钢的ø232 mm×10 mm无缝钢管的可承受最大水压力为4.42 MPa，能够满足水压力3 MPa的技术要求。

因此，通过以上分析巷道内的疏水系统结构设计如图1所示。2123工作面回风巷疏水系统由局部密闭和管路疏导两部分组成，局部密闭以建造水闸墙为主，管路输导以水源的回收利用为主。水闸墙位于2#钻孔钻窝处，水闸墙墙体厚度7.6 m，墙体嵌入煤岩壁顶底板深度0.7 m，嵌入煤岩壁两帮深度1.0 m，分为三段进行施工，一段挡墙与钻窝整体浇筑，三段挡墙独立浇筑，挡墙之间密实填充矸石及块石，选用C25混凝土。2#钻孔涌出的地下水水压达到3 MPa，水量为1.5 m3/min，经过研究分析，可以自压排泄到-400 m水平的水仓；回风巷围岩中的突水点涌出的地下水水量为2 m3/min，可以封闭在巷道中，把地下水疏导到排水系统。输水管路选用ø232 mm×10 mm无缝钢管，材质为20#钢。

表1 泄水管直径计算表

图1 疏水系统平面布置图

3 结论

(1)2123工作面巷道涌水分为两种形式，一种是钻孔涌出的有压地下水，另一种是巷道围岩涌出的无压地下水，因此，两种不同形式产生的巷道涌水需要采用不同方式进行疏导。为了确保工作面的安全生产，采取了“局部封闭+疏导利用”的综合设计方案。

(2)钻孔内的有压地下水压力达到3 MPa，水流持续而稳定，通过水力学的解析分析，管路的沿程水头损失为95 m，高程差80 m，因此，利用有压地下水的水力势能，通过安设管路就能自流疏导到-400 m水仓，实现水资源的回收利用。

(3)2123工作面的局部封闭采用水闸墙的设计方式，水闸墙的迎水面设计水压力3 MPa，水闸墙形成的封闭空间不能处于满水状态，水闸墙管路应处于开启状态，避免水闸墙密闭空间地下水憋压，确保巷道内煤岩壁的稳定性。

(4)2123工作面疏水系统设计主要从地下水源的特点出发，因地制宜地采取分类处理的方法，利用水力学的理论分析及解析计算，把高压地下水和巷道分散涌水综合考虑，合理优化地选取密闭水闸墙及输水管路的技术参数。

参考文献：

[1] 刘梅秀.突水巷道的快速封堵技术[J].河北煤炭,2006(4)

[2] 刘书杰.老采空区上方拟建高层建筑物稳定性评估[J].中国煤炭,2017(9)

[3] 齐蓬勃.煤层中防水闸墙渗漏治理技术[J].陕西煤炭,2010(6)

[4] 黑宇峰.开滦林南仓矿井水处理研究[J].煤炭技术,2012(2)

[5] 赵春景,丁立峰,霍志朝.林南仓矿涌水特征和涌水量数值模拟[J].煤炭工程,2011(5)