井下共享吸水系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

姜啟彬 秦 濤 范備戰(zhàn)

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)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(gè)進(jìn)行回采，受大面積采空區(qū)影響，原有的采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)可能受到影響，不能繼續(xù)使用。因采區(qū)回采接近尾聲，按照礦井主要水倉施工，又造成資源浪費(fèi)且工期較長(zhǎng)，不利于采區(qū)生產(chǎn)。利用現(xiàn)有采區(qū)巷道布置情況，選取合適區(qū)段進(jìn)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(qū)生產(chǎn)。

1 工程背景

根據(jù)四采區(qū)設(shè)計(jì)對(duì)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(qū)軌道巷和四采區(qū)膠帶巷匹配形成工作面回收采區(qū)東南塊段煤層。工作面推采至F10 斷層位置時(shí)，回撤東部工作面，保留西部工作面繼續(xù)推采至停采線位置。結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)實(shí)際現(xiàn)狀，4305 工作面回采完后，采區(qū)向斜西部塊段煤層全部回采完畢，需對(duì)向斜東部塊段煤層進(jìn)行回采。原四采區(qū)水倉位置處于采區(qū)向斜東部塊段4306 工作面范圍內(nèi)，待4306 工作面回采時(shí)將對(duì)采區(qū)水倉造成破壞。為確保采區(qū)正常排水，需另行設(shè)計(jì)采區(qū)水倉。

2 適用領(lǐng)域及技術(shù)路線

井下共享吸水系統(tǒng)借鑒礦井主要水倉的設(shè)計(jì)思路，通過單個(gè)吸水井配合管道閘閥對(duì)2 個(gè)以上的獨(dú)立水倉進(jìn)行排水，優(yōu)化了吸水井、排水泵站、配水巷關(guān)系，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的施工過程，在滿足采區(qū)水倉要求的情況下，盡量減少井巷工程施工量，同時(shí)減少設(shè)備投入維護(hù)。

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

3 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及經(jīng)濟(jì)分析

3.1 技術(shù)研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

四采區(qū)向斜軸部為采區(qū)低洼點(diǎn)，但受4306 回采影響，新水倉不能布置在低洼點(diǎn)位置，且四采區(qū)尚有3 個(gè)工作面未回采，新水倉服務(wù)期限必須滿足剩余工作面回采要求。四采區(qū)軌順巷和膠帶巷沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道坡度高低起伏，臨時(shí)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(tǒng)形狀的環(huán)形水倉。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)查看，結(jié)合采區(qū)開拓、工作面布局，利用巷道立交關(guān)系設(shè)計(jì)了“F 型水倉”，并利用F 型水倉特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了井下共享吸水系統(tǒng)。

3.1.1 確定水倉規(guī)格

四采區(qū)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(qū)水倉需有不小于276 m3的容量，同時(shí)為滿足清淤檢修要求，應(yīng)設(shè)置2個(gè)獨(dú)立水倉，且互不影響。水倉入口應(yīng)位于巷道低洼點(diǎn)或局部低洼點(diǎn)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(qū)巷道最低點(diǎn)，排水泵站應(yīng)高于水倉入口，盡量利用現(xiàn)有巷道改造。根據(jù)水倉要求和現(xiàn)有巷道，將水倉布置在輔助進(jìn)風(fēng)巷與膠帶巷立交位置，利用兩巷道的層位關(guān)系在輔助進(jìn)風(fēng)巷布置排水泵站，在膠帶巷掘進(jìn)2 個(gè)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(jìn)風(fēng)巷與膠帶巷立交點(diǎn)以外10 m，平行于輔助進(jìn)風(fēng)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(xù)向輔助進(jìn)風(fēng)巷施工，預(yù)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(qū)水倉有效容量578 m3。

3.1.4 共享吸水系統(tǒng)

在1#水倉末端砌筑吸水井，砌筑的同時(shí)預(yù)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(shè)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(yù)留吸水口和梯子間，將閘閥開關(guān)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(chuàng)新點(diǎn)

《煤礦安全規(guī)程》和《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)礦井主要水倉有較為明確要求，對(duì)采區(qū)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(jìn)行設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)的水倉雖然容量滿足要求，但是工程量大，施工繁瑣，對(duì)地質(zhì)條件要求較高，投入比較大，施工周期長(zhǎng)，不利于新采區(qū)快速投產(chǎn)。

與傳統(tǒng)的水倉相比，四采區(qū)共享吸水系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）在滿足水倉容量要求的情況下，節(jié)省近一半巷道掘進(jìn)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(dú)立的吸水井，可解決臥泵配水問題，同時(shí)隔水墻也起到阻擋水倉淤泥的作用。

（4）兩個(gè)獨(dú)立水倉共享吸水井的設(shè)計(jì)，可減少設(shè)備投入和維護(hù)費(fèi)用，減少機(jī)電事故。

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

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

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

（8）系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單，不必施工大斷面、超高巷道，施工工序簡(jiǎn)單，對(duì)頂板穩(wěn)定性要求低。

（9）設(shè)備布置簡(jiǎn)易整潔，便于實(shí)現(xiàn)無人值守。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）相比三采區(qū)水倉，四采區(qū)水倉容量是其容量60%，但是巷道掘進(jìn)量（按矸石立方計(jì)算）僅為三采區(qū)水倉28%，巷道利用率高。且三采區(qū)水倉為單倉布置，不便于后期清淤。該水倉設(shè)計(jì)可節(jié)省巷道掘進(jìn)90 m，節(jié)省工期30 d。費(fèi)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(dá)到1.2 m 以上時(shí)才需清淤，加之沉淀池和擋淤墻的設(shè)計(jì)，相比原四采區(qū)水倉，清淤次數(shù)大幅度減少。四采區(qū)水倉可服務(wù)四采區(qū)4 年，服務(wù)3 上二采區(qū)10 年以上，清淤費(fèi)用：14 年×3 次/ 年×4 人×3 m/ 人×30 d×330 元/工=498.96 萬元。

（3）2 個(gè)水倉共用一個(gè)吸水井，相比二采區(qū)水倉減少了3 臺(tái)臥泵的投入，減少機(jī)電事故的發(fā)生概率，降低機(jī)電維護(hù)、維修費(fèi)用。臥泵成本：3×15萬元=45 萬元。

（4）實(shí)現(xiàn)采區(qū)水倉、泵房無人值守。每年人均成本費(fèi)用7 萬元，每日3 人值班，14 年人工費(fèi)用為7×3×14=294 萬元。

水倉可節(jié)省費(fèi)用：54+498.96+45+294=891.96萬元。

3.3.2 社會(huì)安全效益

（1）社會(huì)效益

可在開掘傳統(tǒng)環(huán)形水倉不便的已有巷道中進(jìn)行布置；可在涌水量不超過100 m3/h 的采區(qū)布置。

（2）安全效益

減少巷道掘進(jìn)，降低生產(chǎn)事故發(fā)生率；多級(jí)沉淀，設(shè)備投入少，降低設(shè)備故障率；無人值守，可降低人員傷害事故。

4 結(jié)論

共享吸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路新穎，可利用巷道層位關(guān)系為后期采區(qū)水倉、現(xiàn)有水倉改造提供設(shè)計(jì)參考，以節(jié)省巷道掘進(jìn)成本、施工工期和設(shè)備投入，提高經(jīng)濟(jì)安全效益。

下一步計(jì)劃在二、三采區(qū)水倉改造中應(yīng)用共享吸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，擴(kuò)大水倉有效容量，提高抗災(zāi)能力。