井下复杂地段排水管道设计方案及选择研究.pdf

2 0 1 2年第 1 2期 煤炭 工程 井 下复杂地段排水 管道设计 方案及选 择研 究 王建胜 ，王成真 ，赵彦斌 ( 1 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 王台铺煤矿，山西 晋城o 4 8 o 0 6； 2 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 生产技术处，山西 晋城o 4 8 0 o 6 ) 摘要 ：在王台铺煤矿排水 系统改造过程 中，需要从 +6 9 5 m水平水泵房 管子道 口至 + 6 9 5 m 直排井之 间铺设排水管路 ，该段 区域巷道布置复杂 ，支护方式原始，施 工难度较 大。为解决这一 难题 ，结合该区域 的实际情况及现有的技 术方法，共设计 了三种方案 ，即巷道顶部铺设管路、施 工安装通道铺设管路和施工大直径斜孔铺设管路 。运 用价值工程理论对三种方案的价值 系数进行 了分析计算 ，结果表明：施 工大直径斜孔铺设管路方案价值 系数最大，排水管路施工工程量 小， 影响范围小，经济与技术优 势明显 ，为三种方案的最佳方案。 关键词 ：排水系统；管道 ；大直径斜孔 ；价值工程 中图分类号 ：T D 7 4 4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 2) 1 2 0 1 3 - 0 4 煤矿井下排水系统是最重要的生产系统之一，担负着 排除煤炭生产过程中产生的各种积水的重任 l2 。随着煤矿 采掘工作面的不断延伸 ，井下排水系统局部改造的工程会 经常出现。排水系统局部改造时，排水管道设计是一项最 重要工作，管道设计不仅要求经济合理 ，而且要求改造后 的排水系统不能影响其它生产系统的正常运行 ，4 J 。可见， 研究煤矿井下排水系统的管道设计与优化对于煤炭企业的 安全生产有着重要的意义。 1工程概况 王台铺煤矿于 1 9 5 8年建矿 ，现核定生产能力为 2 1 0万 Wa ，共有 3 、9 和 1 5 三层可采煤层。经过 5 0多年开采， 3 和9 煤层正规回采工作面已经全部开采完毕 ，1 5 煤层开 采也接近尾声，井下存在大面积采空区积水 ，特别是井田 范围内曾存在 1 5 9座小煤窑，2 2 4个井筒，其开采情况、破 坏范围以及小窑积水情况难以完全调查清楚。2 0 1 0年 1 1月 经有关专家组鉴定，确定该矿现阶段水文地质条件类型为 复杂型。近年来 ，王台铺煤矿的矿井正常涌水量和最大涌 水量逐年增加，为彻底解决水患问题 ，该矿先后在地面与 +6 9 5 m水平施工了4个直排井，用于直接从井底水仓向地 面抽水 ，在不同程度上解决 了原排水管腐蚀结垢严重、管 径变细 、排水效率不高等难题。 王台铺煤矿 + 6 9 5 m水平水泵房管子道口与直排井临近 巷道布置情况如图 1所示 ，现需要将 +6 9 5 m水平水泵房的 水经管子道 口输送至 + 6 9 5 m直排井底，然后排出地面。因 而从 +6 9 5 m水泵房管子道 口至 +6 9 5 m直排井之间的管道 铺设安装工程成为最大的难题。 + 6 9 5 m水泵房管子道 口与 西副井贯通 ，管子道 口为西副井底部 ，而 +6 9 5 m直排井在 + 6 9 5 m水平运输大巷附近，+6 9 5 m水泵房管子道口中线 与 + 6 9 5 m水平运输大巷巷帮之间距离为 1 4 m，西副井在王 台铺煤矿生产过程中承担全矿生产材料的提升运输任务。 管子道以里为 +6 9 5 m水泵房，紧靠水泵房临近有 +6 9 5 m 中央变电所，该变电所承担井下所有工作面的送 、变电任 务。在 + 6 9 5 m人车场至西副井的半煤岩煤柱之中还存在旧 候车室( 该候车室一端与西副井沟通，另外一端与 +6 9 5 m 人车场沟通) ，如图 1所示。 +6 9 5 m水平运输大巷、西副 井底、+ 6 9 5 m水泵房管子道支护方式均为料石砌碹 ，该区 域巷道布置复杂，巷道支护方式原始，从管子道 口至直排 井之间需安装4个 2 1 9 m m排水管路 ，该段的管道设计合 理与否直接影响矿井的正常生产。 2 排水管道设计方案 从管道设计与施工的可操作性考虑， + 6 9 5 m水平水泵 房管子道口至 + 6 9 5 m直排井有三种方方案。 2 1 方案 A：巷道顶部铺设管路 1 )方案 A排水路线为： + 6 9 5 m水泵房一管子道口一 西副井一西副井底材料车场一 +6 9 5 m水平运输大巷一 + 6 9 5 m直排井一地面，如图 2所示。管子道 口至 +6 9 5 m直 排井段的管道铺设时，首先在巷道顶部两帮料石墙体内施 工梁窝 ，将预先加工好的 1 2 工字梁安装在梁窝内，然后在 工字梁上方铺设排水管路。待管路铺设完成后，根据现场 情况及实际需要对西副井和材料车场进行卧底改造，使西 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 3 3 0 作者简介：王建胜( 1 9 7 4一) ，男，山西晋城人，一级建造师，现任山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司王台铺煤矿 生产技术科主任工程师。 l 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 2年第 l 2期 副井能够满足运输要求。 点位 A B C D E F G 标高 7 I 1 9 8 0 7 0 3 2 4 0 7 0 0 7 0 9 7 0 0 7 7 2 7 0 1 6 8 4 6 9 5 1 4 1 6 9 5 0 1 7 图1 + 6 9 5 m水平水泵房管子道口与直排井临近巷道布置( m) 图2 方案A：巷道顶部铺设管路方案示意图 ( m) 2 )施工技术要求 ：管路铺设必须紧贴巷道顶板，确 保巷道卧底改造工程量最小；管道铺设后，巷道轨道上 平面至顶部工字梁下平面之问的距离不小于 2 2 m ；管道 铺设与巷道改造工程不得对西副井完成运输任务造成较大 的影响 。 3 )按照方案 A的技术特点及要求施工后，估算投资金 额约6 2 6万元( 管路费用 1 4万元、管路铺设人工费 6 7万 元、巷道卧底改造 4 1 9万元) 。 4 )该方案的缺点 ：管路铺设完毕后，局部或多处巷 道净高不能满足西副井的运输任务要求，需要对该部分巷 道进行卧底改造；巷道卧底改造必然会影响西副井的正 常运输 ，严重时导致矿井无法正常组织生产。 2 2 方案 B：施工管路安装通道 1 )方案 B 是从管子道 口开始沿垂直 + 6 9 5 m水平运输 大巷施工管路通道，然后在通道内铺设管路，如图 3所示。 安装通道施工过程中，采用 Y T一 7 6 5 5型风钻，配合中孔六 棱钢钻杆和 4 -2 mm “ 一”字钻头打眼，运用二级煤矿许用 1 4 乳化炸药与毫秒延期 电雷管进行爆破施工，顶、帮采用高 强度锚杆支护，并挂金属网喷 C 2 0混凝土封闭。施工通道 后的排水路线为 ：+6 9 5 m水泵房一管子道口一管路安装通 道一 +6 9 5 m水平运输大巷一 + 6 9 5 m直排井一地面。 图3 方案 B：施工管路安装通道方案示意图 ( m) 2 )施工技术要求 ：通道断面能满足安装管路的需 要，尺寸为长 宽 高 =1 4 m2 5 m2 3 m；管道施工 期间，爆破震动的影响范围必须足够小，确保不会由于爆 破震动影响而导致通道上方西副井受损 ，以及变电所 内高 爆 开关 突然跳 闸。 3 )按照方案 B的技术特点及要求施工后，估算投资金 额约 2 2 2万元( 管路费用 3万元、管路铺设人工费2万元、 管路安装通道施工 1 7 2万元 ) 。 4 )该方案的缺点： + 6 9 5 m水平运输大巷和西副井 底支护方式为料石砌碹，通道施工时 ，爆破震动将使 + 6 9 5 m水平运输大巷开口处和西副井贯通点遭到较严重的破 坏，安全性较差；受爆破震动影响，水泵房内正在运行 的水泵以及变电所内正在运行 的高爆开关存在突然跳闸的 可能，矿井的安全生产隐患较大。 2 3方案 C：施 工 大直径 斜孔 1 )方案 c是在管子道 口与 十6 9 5 m水平运输大巷的垂 直点施工大直径斜孔，其 中铺设套管。排水路线为： + 6 9 5 m水泵房一管子道 口一大直径斜孔一 +6 9 5 m水平运输 大巷一 +6 9 5 m直排井一地面。先利用 9 4 mm钻头在水平 运输大巷施工导孔与管子道贯通 ，再更换 1 1 m m钻头进 行二次钻进刷大完成，然后在斜孔中安装 2 1 9 mm排水管。 逐步完成4个管路安装后，在 +6 9 5 m水平运输大巷将 4根 排水管固定在预先加工好的一块钢板上，并用高强度锚杆 固定在巷帮，在管子道口一端利用面纱将空隙塞紧，最后 用水泥对管壁进行注浆封闭，如图 4所示。 2 )施工技术要求 ：大直径斜孔施工时定位难度较 大，需要反复校定 ，确保管道方位误差在控制范围内； 在施工前，必须预先清楚施工地段的地质状况，防止钻孔 时钻头受损或卡钻等事故 ；每一个钻孔内第一根管最外 端加工成法栏盘，最后一根管最外端加工成法拦盘；管 道孔开钻前要求在 + 6 9 5 m水平运输大巷打钻点施工固定管 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 2期 煤炭工程 路硐室。 3 )方案 C投资估算约 2 3 8万元 ( 大直径斜 孔费用 l 8 8万元、管路费用 4 5万元、管路安装费用 0 5万元) 。 图 4方案 C：施工大直径斜孔方案示意 图 ( m) 4 )该方案的缺点：大直径斜孔施工需要准确定位， 不得出现误差 ，否则将无法顺利安装管路；该施工地段 复杂 ，在王台铺矿乃至整个集团公司都无此类施工经验， 存在一定的施工风险。 3 施工方案选择 价值工程 ，也称价值分析 ，是指以产品或作业的功能 分析为核心，以提高产品或作业的价值为 目的，力求以最 低寿命周期成本实现产品或作业使用所要求的必要功能的 一 项有组织的创造性活动 j 。价值工程是一门工程技术理 论 ，其基本思想是以最少的费用换取所需要的功能。 价值工程把价值定义为：对象所具有的功能与获得该 功能的全部费用之比，即： V = F C 式中， 为价值；F为功能；C为成本。其中，功能对 于不同的对象有着不同的含义，对于作业或方法来说 ，功 能就是它所起的作用或要达到的目的；成本是指人力、物 力和财力资源的耗费 。 对于 +6 9 5 m水平水泵房管子道 口至 + 6 9 5 m直排井的 管道设计与施工，运用价值工程理论可以对施工方案进行 选择。对各方案分析选择时，先找出各种方案施工可能影 响到的场所或设备( 即方案功能) ，并根据实际情况确定方 案功能重要系数，然后对各方案对应的方案功能打分，各 方案功能得分情况及施工成本见表 1 ，其中，对某场所或设 备基本无影响时得 1 0 ，影响越大得分越小。 表 1 各方案功能得分情况及施工成本表 1 )各方案功能得分与系数计算 ：方案 A的功能得分 = 7 1 。同理，F =5 5 5 ；F c=9 2 。则功能总得 分为 ： + + F c= 2 1 8 5 。方案 A的功能系数 F o =0 3 2 。同理 ， F6 =0 2 5；Fo =0 4 2 。 2 )成本系数计算：方案 A的成本系数 C = 0 5 7 6 。同 理 ，C6 =0 2 0 4；C =0 2 1 9 。 3 )价值系数确定：方案 A的价值系数 =F 。 C ： 0 5 5 6 。同理， =1 2 2 5 ； =1 9 1 8 。 可见， ，即方案 c为三种方案 中的最佳 方案 。 4 大直径斜孔管路排水实际效果评价 经过分析论证，王台铺煤矿选择了施工大直径斜孔铺 设排水管路的方案 ，施工完成后 ，实际效果良好。 1 )在管子道口与 +6 9 5 m水平运输大巷的垂直点施工 大直径斜孔过程中，变电所运行、水泵房排水以及西副井 运输基本没有受到影响，矿井能够正常生产。 2 )大直径斜孔施工工程量小，影响范围小，与其它施 工方案相比具有一定的经济与技术优势，不仅可以在矿井 排水系统改造过程中得到应用，而且能够在排水、回风、 瓦斯排放、紧急避难等方面得到广泛的应用。 5 结论 1 )施工大直径斜孔铺设排水管路方法是矿井在复杂地 段排水系统改造过程 中的一种新技术 ，不仅具有良好的排 水功能 ， 而且改造工程不影响矿井的正常生产 ， 达到了排 ( 下转第1 8页) 】 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 2年第 1 2期 离情况时，可以考虑临近煤矿无煤区或富裕的排土空间进 行排土。这种方法将大大减少该煤矿的二次剥离，也充分 利用了相邻露天煤矿境界 内的无煤区的空间，使得相邻煤 矿露天开采效益实现最大化。排土空间的共享与时间协调 方案如图4所示，煤矿二排土场设置在煤矿三矿田范围内 的无煤区，与煤矿三的排土场连成一片。这样避免了煤矿 二的外排土场压煤导致二次剥离的成本。通过统筹考虑合 理安排露天群内各个煤矿可利用的排土空间也有利于相邻 露天煤矿的排土场连成片，形成大面积的排土场，复垦后 将与周围环境更加协调。 图 4排土空间及 工业场地 空间的 共享与时间协调方案示意图 3 2工业 场地 空 间协 调与 共 享 若露天煤矿全区均有露天可采煤炭资源赋存，工业场 地不能一次选址到位 ，在未来开采过程中需要进行工业场 地移设或重建。在工业场地选址时，利用露天煤矿群的优 势，可以将工业场地和在临矿矿田范围内的无煤区或本矿 露天煤矿服务年限内临矿开采不到的区域内，从而减少工 业场地搬家或重复建设的成本。 工业场地空间的共享与时间协调方案如图4所示 ，由 于煤矿一 、四服务年限较短，煤矿二服务年限较长，将煤 矿一、四的工业场地建设在煤矿二的北部暂不开采范围内。 当煤矿一、四开采结束时，工业场地可拆除，不影响煤矿 二的开采。煤矿二、三的工业场地建设在煤矿三的无煤区 、 ( 上接第 1 5页) 水系统改造安全、快捷、经济、实用的目的。 2 )施工工程有多种方案时，在施工周期相差不大，且 工程功能及成本比较明确的情况下 ，价值工程理论能够 比 较准确地选择出最优的方案，是工程项 目施工方案选择较 实用的一种理论方法。 3 )大直径斜孔施工工程量小 ，影响范围小，与其它施 工方案相比具有一定的经济与技术优势，可以在矿井排水 系统改造过程中推广应用。 参考文献 ： 1 杜计平 ，孟宪锐采矿学 M 徐 州 ：中 国矿业 大学 出版 1 8 内。通过这样时间和空间上的配合 ，煤矿一、四在开采期 间省去了工业场地与建筑搬家的成本，煤矿三的无煤 区得 到了充分的利用，临矿有偿使用煤矿三的无煤区场地。通 过减少了工业场地的搬家和排土场的二次倒运，间接创造 了效益。 4结语 由于鄂尔多斯地区中小型露天煤矿较多 ，露天煤矿矿 田面积不大。到界端帮压煤问题及排土场、工业场地空间 紧张问题严重影响煤炭资源回收，影响了煤矿开采效益， 制约了煤矿的发展和规划。本文依据鄂尔多斯地区露天煤 矿开采实践 ，总结 了回收露天煤矿边帮压煤 的技术方案， 给出了相邻露天煤矿排土空间、工业场地空间共享实现利 益最大化的解决问题思路。为露天煤矿群开采过程中遇到 类似问题提供了可以借鉴的方法。 参考文献 ： 1 刘勇，车兆学， 李志强，等露天煤矿端帮残煤开采及边 坡暴露 时 间分 析 J 中 国矿 业 大学 学 报 ，2 0 0 6 ，( 6 ) ： 7 2 7 7 31 2 李崇，才庆祥，袁迎菊，等露天煤矿端帮 “ 呆滞煤” 回采技术经 济评 价 J 采矿 与安 全工程学报，2 0 1 1 ， ( 2 )：2 6 3 2 6 6 3 尚涛，舒继森， 才庆祥露天煤矿端帮采煤与露天采排工 程的时空关 系 J 中国矿业 大学学 报，2 0 0 1 ，( 1 ) ： 2 7 2 9 4 彭洪阁 ，才庆祥 ，周伟 ，等露天煤矿靠帮开采端帮稳定 性关键影响因素研究 J 中国矿业，2 o o 8 ，( 5 ) ：7 1 7 4 5 李三川 ，秦文清 ，王勇元宝山露天煤矿一采区到界边 帮 压煤残采方案 J 露天采煤技术， 2 0 0 2 ，( 2 ) ：3 7 3 8 6 才庆祥，周伟 ， 舒继森，等大型近水平露天煤矿端帮边 坡时效 性 分 析 及 应 用 J 中 国矿 业 大 学 学 报 ，2 0 0 8 ， ( 6 ) ：7 4 0 7 4 4 7 云景明，赵艳娥浅谈露天煤矿提高煤炭回采率的方法 J 露天采矿技术， 2 0 1 2 ，( 2 ) ：1 3 1 6 ( 责任编辑张宝优) 、 社 。2 0 0 9 2 中华人民共和国住房和城乡建设部煤矿井下排水泵站及排 水管路设计规范 M 北京：中国计划出版社，2 0 1 1 3 李民主定向钻孔在矿井建设中的应用 J 水力采煤与 管道运输 ，2 o o 2 ，( 4 ) ：3 l 3 2 4 袁红献 ， 乔国军，李勇煤矿大口径钻孔施工工艺研究与 实践 J 中州煤炭 ，2 0 o 6 ，( 5 ) ：6 1 6 2 5 陈茂光价值工程 M 长沙：湖南科学技术 出版社， 2 01 1 ( 责任编辑张宝优) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m