斜沟煤矿单斜构造地下储水库技术研究

张建军，田渊辉

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602）

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿（下简称“斜沟煤矿”）分两个水平开采，一水平开采8#煤层，二水平开采13#煤层，随着不断进行的规模化开采，矿井水循环系统出现不平衡现象。每年6月至9月区域正值丰水期，矿井涌水量增加，使矿井现有配套的地面污水处理站超负荷运行，矿井水经地面污水处理站处理后回收利用，供井下生产，剩余部分矿井水外排；每年12月至次年2月区域正值枯水期，矿井涌水量减少，矿井生产用水除处理后的矿井水外，还需开采地下水进行补充。斜沟煤矿为实现绿色开采与可持续发展特开展单斜构造地下储水库技术研究。

1 矿井地质概况

斜沟井田及周边地表大部分被新近系上新统（N2b）和第四系上更新统（Q3m）、全新统（Q4）所覆盖，基岩仅在沟谷中出露，自东向西依次出露奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组和三叠系下统刘家沟组。井田内主要含水层自下而上依次为：奥陶系岩溶含水岩组、石炭系太原组碎屑岩类裂隙含水岩组、二叠系下统下石盒子组与山西组砂岩裂隙含水岩组、二叠系上统上石盒子组、石千峰组和三叠系下统刘家沟组碎屑岩类裂隙含水岩组及第四系、新近系松散岩类孔隙含水岩组。斜沟煤矿井田地质构造简单，总体上为一走向近南北、倾向西的单斜构造，地层倾角小于15°，一般为9～12°，在井田勘探和矿井开拓、掘进、回采过程中未发现岩浆岩侵入、陷落柱现象，揭露断层118条，断层最大落差12.4 m。

2 采空区储水库的位置选择

斜沟煤矿18205采空区位于一水平主要开拓巷道下山区域12 采区中部位置，四周均为实煤区，2015 年11月开始回采，采用走向长壁式大采高一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板，2019 年1 月回采结束。18205 采空区随着时间推移垮落状态已基本稳定，有利于建设地下储水库进行储水；12采区下伏的22采区受奥灰水影响未来十年内不计划进行回采作业，为采空区储水库位置选择创造了有利条件；斜沟煤矿矿井水采用接力式排水方式，一水平布置采空区储水库，既可接受一水平、二水平采掘工作面产生的矿井废水，又可接受采空区上覆岩层中的裂隙水，能充分收集矿井水，可提高矿井水利用率；18205采空区材料巷侧较皮带巷侧高约40 m，底板为泥岩、砂质泥岩，具有良好隔水性，向上距二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层约50 m，空间高度越高，储水量越大；18205 采空区周边工作面均未回采，防隔水煤柱宽度约300 m，可确保采空区储水库安全运行。综合18205采空区采掘资料和矿井采掘计划，选定在18205采空区建设地下储水库，利用采空区与防水闸墙形成的封闭空间进行储水［1］。

3 采空区储水库的净水原理

煤矿采空区储水库的净水原理主要是通过垮落区岩石过滤作用和采空区沉淀作用实现矿井水净化。从采空区地势较高的材料巷注入矿井水，矿井水在向地势较低处流动过程中与垮落岩石充分接触过滤，同时矿井水在采空区沉淀一段时间后实现污水净化的功能，如图1所示。采空区作为矿井水的储存场所，具有容积大、范围广、平流速度小、停留时间长、沉淀效果好的优点；采空区内垮落的岩石多为砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩等，在垮落过程中裂隙发育，泥岩易泥化充填空隙，泥岩中含有的黏土矿物，吸附能力强，有利于矿井水悬浮物的净化；采空区岩石中存在煤灰及砂岩颗粒，粒度较小，孔隙率大，具有较大的纳污能力，也能有效去除矿井水中的悬浮物。

图1 煤矿采空区储水库净化示意图

采空区储水库除具有过滤和沉淀净化作用外，生化作用也是去除污染物和有机物成分的重要环节，采空区煤粉与水中污染物反应生成化学沉淀物，垮落区煤矸石中的黏土矿物对水中阳离子的吸附作用使采空区微生物可以氧化、分解、吸附水体中的有机物，从而使矿井水得到净化［2］。

4 采空区储水库的库容计算

采空区储水库的储水空间主要由采空区、垮落带和裂隙带组成，矿井水主要赋存于采空区、垮落带与裂隙带岩石组成的空隙和岩石本身孔隙中［3］。采空区储水库是利用优先开采的煤层形成一个相对密闭空间进行储水，且储水空间一般位于采空区垮落带，矿井水主要储存于垮落带岩石空隙中［4］。

针对斜沟煤矿18205采空区单斜地质构造及顶板垮落特点，采用顶板垮落法估算采空区储水库的容积，同时采用采空区储水系数对计算方法进行合理性验证［5］。基于采空区垮落带的孔隙率变化规律，采空区储水能力大小取决于垮落岩体与采空区形成的储水空间大小，主要与垮落带岩体碎胀系数和采煤高度相关。

采空区垮落带高度计算公式如下：

式中：Hm为垮落带高度，m；M为煤层采高，取值4.7 m；C1、C2、C3为垮落带高度系数，根据表1 中硬岩参数取值。经计算，垮落带高度为20.7 m。

表1 垮落带高度计算系数

采空区垮落带的孔隙率采用如下公式计算：

式中：φ为垮落带孔隙率；b为垮落岩体碎胀系数，岩体碎胀系数1.0～1.5，取1.2。经计算，采空区垮落带孔隙率为0.244 m。

式中：V1为采空区储水容积，万m3；V0为采空区体积，万m3（仅为工作面采出煤炭体积，工作面长度280.4 m，推进长度有效储水段2 575 m，采高4.7 m，采出煤体体积339.35万m3）；φ为垮落带孔隙率。经计算:

式中：K为采空区储水系数；V2为采空区垮落后总体积，含采出煤炭体积和垮落后岩体体积，为1 833.96万m3；V3为垮落后岩体体积，为1 494.6 万m3，故K=18.5%。

斜沟煤矿18205 工作面为单斜地质构造，走向南北，倾向西，煤层底板等高线近等距分布，工作面倾斜长度为280.4 m，采煤厚度平均为4.7 m，采煤工作面推进长度为2 849 m，后端约有274 m高程较高无法注入矿井水，故采空区有效储水长度为2 575 m。垮落带主要为泥岩，碎胀系数取1.2。公式（1）计算可得到工作面垮落带高度为20.7 m。公式（2）计算可得到垮落带岩石孔隙率0.244。公式（3）计算可得到采空区储水库容积为82.8 万m3，公式（4）计算可得到采空区调节水库储水系数为18.5%。据众多专家与学者研究成果可知，采空区储水系数为12.80%～33.80%（平均为22.30%），故计算结果采用的方法科学合理。

5 采空区储水库的水量调节

斜沟煤矿日常用水量约195～213 m3/h，鉴于斜沟煤矿丰水期矿井水须外排、枯水期需开采地下水进行补充的情况，为进一步提高矿井水资源利用率，通过在18205 采空区建设地下储水库来平衡丰、枯水期矿井水水量。每年6月至9月丰水期，将矿井水多余部分约7～20万m3暂时储存至储水库中，待每年12月至次年2月枯水期，将采空区储水库中的水通过出水口放出，经矿井排水系统排至地面污水处理站处理后再回用，替代枯水期开采的地下水水量［6］。采空区储水库注水时间主要集中在每年丰水期，排水时间在每年枯水期，间隔时间约为60 天，其余时间段为平水期，矿井水循环系统可基本保持平衡状态，不需要排放废水和额外开采地下水。

6 结语

采空区地下储水库建设的技术研究不是一蹴而就，需要不断在实践中检验和总结分析［7］。在后续的运行过程中将结合底板等高线情况，进一步分析18205工作面不同区域（包括采空区、塌陷区、裂隙区）的储水特征和库容量，分析枯水期和丰水期18205 采空区的储水特征，构建适用于斜沟煤矿单斜地质构造的地下采空区储水库水循环利用技术，实现对矿井水资源进行“转移、储存、净化和利用”的地下储水库技术，为我国煤炭的安全、高效、绿色开采提供借鉴。