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主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會
煤礦地下水庫建設涉及哪些關鍵技術?各技術的研究進展如何?

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匿名 提出于2021-06-01 10:15
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煤礦地下水庫儲水示意

? ? ? ?煤礦地下水庫涵蓋規劃與設計、建設、運行與監控的技術體系,包括水源預測、水庫選址、庫容設計、壩體構建、安全運行和水質保障等六大關鍵技術。本節主要介紹煤礦地下水庫六大關鍵技術的研究進展。

  1.1 水源預測

  西部缺水礦區煤炭高強度開采引起覆巖結構遭到破壞,含水層水體以層間水平徑流向垂向徑流為主的新水循環模式轉變,使得大部分頂板砂巖弱含水層及第四系潛水含水層地下水滲流至煤礦采空區,導致區域地下水賦存、補給、循環模式發生改變。儲水預測是建設煤礦地下水庫的首要工作,包括水的來源、水的滲流路徑和水資源量三個部分。

  1.2 煤礦地下水庫庫容

  煤礦地下水庫主要利用采空區垮落巖體間空隙進行儲存礦井水,采空區儲水范圍內垮落巖體的空隙總量就是水庫的庫容??紤]采動覆巖破壞規律的影響因素,水庫庫容與工作面開采尺寸、開采方法,覆巖力學性質及垮落巖體塊度、堆積形態、碎脹性、有效應力等密切相關。其中,采空區垮落巖體空隙率與碎脹性是確定庫容的關鍵參數。煤礦地下水庫庫容采用儲水系數來表征采空區的儲水能力,將儲水系數定義為單位體積采空區的儲水量。

  1.3 煤礦地下水庫選址

  地下水庫位置的選擇應達到相應的地質和水文地質條件要求,須考慮一系列因素??傮w而言,煤礦(分布式)地下水庫選址時要遵循三原則:即煤層底板不漏水、采空區域可聚水、開采規劃好調水。按照地質和水文標準以及巖體工程方面劃分界限,確定選址區,其要求包括:煤層底板具有相應厚度和一定粘土礦物的泥巖、弱的或隱伏的斷裂結構、沒有或很少巖相和構造各向異性和較小的巖體滲透性等方面。

 ? ?1.4 儲水結構穩定性

  1.4.1 儲水的壩體結構

  煤礦地下水庫壩體是開采設計留設的開采邊界保安煤柱、防水煤柱及人工壩體的混合體,形成了地下水庫周邊的結構,起到承重、阻水和防滲的作用。煤礦地下水庫壩體具有非連續、變斷面、非均質等特性,相對于地面水庫壩體來說受力十分復雜,主要受到采動礦壓、水壓、覆巖壓力、采空區垮落巖體側向壓力、地震和礦震等眾多非線性力的聯合作用。

  針對安全煤柱穩定性,很多學者開展了大量的研究工作,分析了采礦與地質條件(采動應力分布、靜水壓力、頂底板巖性、采高、開采深度)等對煤柱的影響,提出了一系列煤柱屈服區寬度的理論計算公式,對煤礦安全煤柱留設具有指導意義。

  煤礦地下水庫儲水浸泡作用對煤柱壩體強度具有一定軟化作用,且隨著浸水時間的增加煤柱單向抗壓及抗拉強度均有所下降,從而現場煤柱壩體容易遭到破壞。為了比較重力壩體、地下水庫煤柱壩體和無覆巖煤柱壩體三種工況下煤柱壩體的抗震性,顏永國澆筑了這三種工況的物理模型,試驗結果表明水平煤層地下水庫煤柱壩體的抗震性最好,無覆巖的煤柱壩體抗震性次之,重力壩體抗震性最差。姚強嶺等運用彈塑性力學理論建立了考慮覆巖壓力、水壓力以及水的弱化作用下煤柱壩體寬度計算模型,發現煤層采厚對煤柱壩體寬度的影響最大。

  人工壩體多以混凝土壩為主,其穩定性的研究多集中在水工結構工程中,在采礦工程領域研究比較少。針對人工壩體穩定性問題,白東堯等構建了人工壩體簡化模型,得到了關于壩體的應力函數表達式,發現人工壩體外表面底邊中點處在地下水庫水壓作用下最易發生失穩破壞,依據所建模型計算得出李家壕煤礦地下水庫人工壩體的極限水頭值為17. 8 m。顧大釗等通過構建煤礦地下水庫相似材料模型平臺,研究了6~10度地震波荷載烈度下煤柱壩體動力響應,指出隨著地震波荷載烈度增加,壩體頂部的最大加速度與壩體最大剪切應變逐漸增大,認為煤礦地下水庫壩體較地面水庫壩體具有更好的抗震安全性。姚強嶺等以大柳塔煤礦地下水庫人工壩體所使用的C30混凝土試樣為例,研究了人工壩體在吸水-失水、采動及礦震等循環作用下強度變化規律,發現循環荷載作用影響下混凝土試樣強度下降最大為16.73%;而后對試樣繼續進行飽水,其強度最大下降幅度達45%。另外,人工壩體的結構形式對其抗震安全性有較大的影響,同等條件下,拱形人工壩體的抗震安全性要遠遠優于平板式人工壩體。

  人工壩體與煤柱壩體的的連接是保證水庫安全性的關鍵。目前使用最多的一種是“T”形結構,即在兩個煤柱之間嵌入人工壩體,壩墻內布置有工字鋼、錨桿等,再用混凝土澆筑,壩墻外有“T”形墻體支撐。人工壩體墻體厚度及其嵌入圍巖的深度是連接成功與否的關鍵參數,相關學者提出了這兩個參數的計算模型,根據模擬分析和現場工程實踐,計算出了神東礦區煤礦地下水庫人工壩體厚度為1 m左右,嵌入圍巖深度為0.3 ~0.5 m。此外,如果水庫壩體在各種力的作用下產生裂隙,還需采用注漿加固的方法實施壩體強度強化工程。

  1.4.2 儲水的圍巖結構

  儲水的圍巖體結構包括水庫底板和垮落空間側方巖體。煤礦地下水庫底板滲流是其安全運行的關鍵問題,文志杰等[38]研制了用以模擬煤礦地下水庫底板滲流的物理模擬試驗系統,揭示了滲流演化規律,為預防水庫底板滲流失穩提供了一種試驗途徑和方法。梁冰等認為煤礦地下水庫儲水結構穩定性的因素包括地質因素、儲水結構特征和其他人為因素,并基于AHP理論建立了儲水結構的多級模糊綜合評價體系。

  以大柳塔煤礦J60#鉆孔區域地層結構為地質原型建立相似材料模型,試驗結果表明,2-2煤層覆巖導水裂隙帶發育至地表,5-2煤層覆巖導水裂隙帶導通了2-2煤采空區,2-2煤采空區結構失穩。大柳塔煤礦52306工作面頂板導水裂隙帶現場探測結果表明,5-2煤層7m大采高層開采覆巖導水裂隙帶高度為137.32m,5-2煤層導水裂隙帶與2-2煤層底板采動裂隙貫通,層間巖層全部遭到破壞。由此可見,下部煤層開采會威脅上層煤地下水庫安全,采前必須對上層煤水庫下采煤的安全性進行評價。上層煤水庫下采煤的安全性需要滿足一定的條件,如圖5所示:①當上煤層地下水庫側下方煤層開采時,地下水庫壩體產生的拉伸變形小于其能承受的允許變形值,應留設足夠的水平安全距離;②當上煤層地下水庫正下方煤層開采時,應保證層間關鍵層穩定。

  目前,在儲水的圍巖結構穩定性方面研究還較少,需要在煤礦地下水庫底板滲流演化、下層煤開采覆巖采動裂隙對上煤層水庫的影響以及礦(地)震對儲水圍巖結構穩定性的影響等方面加強研究。

  1.5 安全運行

  煤礦地下水庫安全運行包括壩體安全監測、庫內水位水壓自動監測和特殊工況下水庫應急保障三大技術,對人工壩體的應力應變、水壓和水位、清水抽采量、礦井水回灌量、水質等進行24小時實時自動監測。壩體安全監測主要指壩體變形及其應力應變演化監測,變形監測的目是對擋水壩體與圍巖相對位移、特別是接觸縫的位移進行觀測,監測儀器采用振弦式基巖變位計。應力監測的目是對擋水壩體的應力應變和覆巖壓力進行觀測,監測儀器采用振弦式應變計。特殊工況下水庫應急保障三大技術包括防潰壩技術、防滲漏技術和防淤技術,通過在煤柱壩體內布置應力應變傳感器和滲流壓力器,實時監測壩體應力變化和滲漏量,一旦超過預警值,監控中心便可調整水庫中的水體或通過庫間水體調運技術將該水庫調至穩定狀態,并對滲漏嚴重部位實施防滲工程。

  基于影響地下水庫安全運行的關鍵因素,曹志國等應用軟件工程設計方法建立了煤礦地下水庫運行安全監測系統框架,系統模塊包括數據管理部分、地下水庫可視化部分、安全預警模塊、安全應急控制模塊和系統管理5個部分,并成功布置在了大柳塔煤礦目前運行的2-2煤層的3座地下水庫,對其運行狀況進行了實時監控,取得了良好的效果。煤礦分布式地下水庫是通過管道將多個地下水庫相互連接起來從而相互連通,可以實現水庫間水量聯合調度,劉曉麗等分析了地下庫容-水位之間的關系,進行了分布式地下水庫水資源的優化調度,確保了水庫儲水量的合理規劃和儲水安全。

  1.6 水質保障

  煤礦地下水庫水-巖作用下礦井水凈化機理是水質保障中的關鍵,采空區內堆積著具有裂隙、空隙屬性的垮落巖體,與礦井水的水巖作用包括水解作用、吸附作用,可溶礦物的溶解作用。在長期水-巖作用下,煤礦地下水庫巖體與礦井水產生物理化學作用,對礦井水中COD、懸浮物等沉淀、過濾和吸附發揮著重要作用。針對西部礦區排出的礦井水中有機氮和無機氮(硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮或氨氮)含量較高的問題,張慶等通過室內模擬實驗,開展了礦井水中有機氮及“三氮”在地下水庫的遷移轉化規律研究。于妍等利用三維熒光光譜技術分析了地下水庫礦井水中溶解性有機物的變化特征。張凱等通過水-巖相互作用模擬實驗,揭示了大柳塔煤礦地下水庫發生的主要水-巖相互作用為陽離子交換反應,黃鐵礦氧化、以及方解石、白云石以及硅酸鹽礦物的溶解。這些研究成果從機理上揭示了水巖作用,解釋了煤礦地下水庫儲存后水質得到凈化及Na+增多和Ca2+減少的離子變化規律。

  神華集團研發了煤礦地下水庫“三位一體”的水質保障技術,即入庫前沉淀池過濾→庫內巖體自然凈化→井下礦井水專門處理。大柳塔煤礦2號地下水庫礦井水應用該技術后,懸浮物、總硬度、溶解性有機質等指標含量大幅度降低,其水質完全可以滿足工業和綠化用水要求,實現了礦井水高效資源化利用。

參考文獻:《煤礦地下水庫研究進展與展望》

發布于 2021-06-01 10:18
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