煤矿地下水库储水示意

       煤矿地下水库涵盖规划与设计、建设、运行与监控的技术体系，包括水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障等六大关键技术。本节主要介绍煤矿地下水库六大关键技术的研究进展。

　　1.1 水源预测

　　西部缺水矿区煤炭高强度开采引起覆岩结构遭到破坏，含水层水体以层间水平径流向垂向径流为主的新水循环模式转变，使得大部分顶板砂岩弱含水层及第四系潜水含水层地下水渗流至煤矿采空区，导致区域地下水赋存、补给、循环模式发生改变。储水预测是建设煤矿地下水库的首要工作，包括水的来源、水的渗流路径和水资源量三个部分。

　　1.2 煤矿地下水库库容

　　煤矿地下水库主要利用采空区垮落岩体间空隙进行储存矿井水，采空区储水范围内垮落岩体的空隙总量就是水库的库容。考虑采动覆岩破坏规律的影响因素，水库库容与工作面开采尺寸、开采方法，覆岩力学性质及垮落岩体块度、堆积形态、碎胀性、有效应力等密切相关。其中，采空区垮落岩体空隙率与碎胀性是确定库容的关键参数。煤矿地下水库库容采用储水系数来表征采空区的储水能力，将储水系数定义为单位体积采空区的储水量。

　　1.3 煤矿地下水库选址

　　地下水库位置的选择应达到相应的地质和水文地质条件要求，须考虑一系列因素。总体而言，煤矿(分布式)地下水库选址时要遵循三原则：即煤层底板不漏水、采空区域可聚水、开采规划好调水。按照地质和水文标准以及岩体工程方面划分界限，确定选址区，其要求包括：煤层底板具有相应厚度和一定粘土矿物的泥岩、弱的或隐伏的断裂结构、没有或很少岩相和构造各向异性和较小的岩体渗透性等方面。

　   1.4 储水结构稳定性

　　1.4.1 储水的坝体结构

　　煤矿地下水库坝体是开采设计留设的开采边界保安煤柱、防水煤柱及人工坝体的混合体，形成了地下水库周边的结构，起到承重、阻水和防渗的作用。煤矿地下水库坝体具有非连续、变断面、非均质等特性，相对于地面水库坝体来说受力十分复杂，主要受到采动矿压、水压、覆岩压力、采空区垮落岩体侧向压力、地震和矿震等众多非线性力的联合作用。

　　针对安全煤柱稳定性，很多学者开展了大量的研究工作，分析了采矿与地质条件(采动应力分布、静水压力、顶底板岩性、采高、开采深度)等对煤柱的影响，提出了一系列煤柱屈服区宽度的理论计算公式，对煤矿安全煤柱留设具有指导意义。

　　煤矿地下水库储水浸泡作用对煤柱坝体强度具有一定软化作用，且随着浸水时间的增加煤柱单向抗压及抗拉强度均有所下降，从而现场煤柱坝体容易遭到破坏。为了比较重力坝体、地下水库煤柱坝体和无覆岩煤柱坝体三种工况下煤柱坝体的抗震性，颜永国浇筑了这三种工况的物理模型，试验结果表明水平煤层地下水库煤柱坝体的抗震性最好，无覆岩的煤柱坝体抗震性次之，重力坝体抗震性最差。姚强岭等运用弹塑性力学理论建立了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度计算模型，发现煤层采厚对煤柱坝体宽度的影响最大。

　　人工坝体多以混凝土坝为主，其稳定性的研究多集中在水工结构工程中，在采矿工程领域研究比较少。针对人工坝体稳定性问题，白东尧等构建了人工坝体简化模型，得到了关于坝体的应力函数表达式，发现人工坝体外表面底边中点处在地下水库水压作用下最易发生失稳破坏，依据所建模型计算得出李家壕煤矿地下水库人工坝体的极限水头值为17. 8 m。顾大钊等通过构建煤矿地下水库相似材料模型平台，研究了6~10度地震波荷载烈度下煤柱坝体动力响应，指出随着地震波荷载烈度增加，坝体顶部的最大加速度与坝体最大剪切应变逐渐增大，认为煤矿地下水库坝体较地面水库坝体具有更好的抗震安全性。姚强岭等以大柳塔煤矿地下水库人工坝体所使用的C30混凝土试样为例，研究了人工坝体在吸水-失水、采动及矿震等循环作用下强度变化规律，发现循环荷载作用影响下混凝土试样强度下降最大为16.73%;而后对试样继续进行饱水，其强度最大下降幅度达45%。另外，人工坝体的结构形式对其抗震安全性有较大的影响，同等条件下，拱形人工坝体的抗震安全性要远远优于平板式人工坝体。

　　人工坝体与煤柱坝体的的连接是保证水库安全性的关键。目前使用最多的一种是“T”形结构，即在两个煤柱之间嵌入人工坝体，坝墙内布置有工字钢、锚杆等，再用混凝土浇筑，坝墙外有“T”形墙体支撑。人工坝体墙体厚度及其嵌入围岩的深度是连接成功与否的关键参数，相关学者提出了这两个参数的计算模型，根据模拟分析和现场工程实践，计算出了神东矿区煤矿地下水库人工坝体厚度为1 m左右，嵌入围岩深度为0.3 ~0.5 m。此外，如果水库坝体在各种力的作用下产生裂隙，还需采用注浆加固的方法实施坝体强度强化工程。

　　1.4.2 储水的围岩结构

　　储水的围岩体结构包括水库底板和垮落空间侧方岩体。煤矿地下水库底板渗流是其安全运行的关键问题，文志杰等[38]研制了用以模拟煤矿地下水库底板渗流的物理模拟试验系统，揭示了渗流演化规律，为预防水库底板渗流失稳提供了一种试验途径和方法。梁冰等认为煤矿地下水库储水结构稳定性的因素包括地质因素、储水结构特征和其他人为因素，并基于AHP理论建立了储水结构的多级模糊综合评价体系。

　　以大柳塔煤矿J60#钻孔区域地层结构为地质原型建立相似材料模型，试验结果表明，2-2煤层覆岩导水裂隙带发育至地表，5-2煤层覆岩导水裂隙带导通了2-2煤采空区，2-2煤采空区结构失稳。大柳塔煤矿52306工作面顶板导水裂隙带现场探测结果表明，5-2煤层7m大采高层开采覆岩导水裂隙带高度为137.32m，5-2煤层导水裂隙带与2-2煤层底板采动裂隙贯通，层间岩层全部遭到破坏。由此可见，下部煤层开采会威胁上层煤地下水库安全，采前必须对上层煤水库下采煤的安全性进行评价。上层煤水库下采煤的安全性需要满足一定的条件，如图5所示：①当上煤层地下水库侧下方煤层开采时，地下水库坝体产生的拉伸变形小于其能承受的允许变形值，应留设足够的水平安全距离;②当上煤层地下水库正下方煤层开采时，应保证层间关键层稳定。

　　目前，在储水的围岩结构稳定性方面研究还较少，需要在煤矿地下水库底板渗流演化、下层煤开采覆岩采动裂隙对上煤层水库的影响以及矿(地)震对储水围岩结构稳定性的影响等方面加强研究。

　　1.5 安全运行

　　煤矿地下水库安全运行包括坝体安全监测、库内水位水压自动监测和特殊工况下水库应急保障三大技术，对人工坝体的应力应变、水压和水位、清水抽采量、矿井水回灌量、水质等进行24小时实时自动监测。坝体安全监测主要指坝体变形及其应力应变演化监测，变形监测的目是对挡水坝体与围岩相对位移、特别是接触缝的位移进行观测，监测仪器采用振弦式基岩变位计。应力监测的目是对挡水坝体的应力应变和覆岩压力进行观测，监测仪器采用振弦式应变计。特殊工况下水库应急保障三大技术包括防溃坝技术、防渗漏技术和防淤技术，通过在煤柱坝体内布置应力应变传感器和渗流压力器，实时监测坝体应力变化和渗漏量，一旦超过预警值，监控中心便可调整水库中的水体或通过库间水体调运技术将该水库调至稳定状态，并对渗漏严重部位实施防渗工程。

　　基于影响地下水库安全运行的关键因素，曹志国等应用软件工程设计方法建立了煤矿地下水库运行安全监测系统框架，系统模块包括数据管理部分、地下水库可视化部分、安全预警模块、安全应急控制模块和系统管理5个部分，并成功布置在了大柳塔煤矿目前运行的2-2煤层的3座地下水库，对其运行状况进行了实时监控，取得了良好的效果。煤矿分布式地下水库是通过管道将多个地下水库相互连接起来从而相互连通，可以实现水库间水量联合调度，刘晓丽等分析了地下库容-水位之间的关系，进行了分布式地下水库水资源的优化调度，确保了水库储水量的合理规划和储水安全。

　　1.6 水质保障

　　煤矿地下水库水-岩作用下矿井水净化机理是水质保障中的关键，采空区内堆积着具有裂隙、空隙属性的垮落岩体，与矿井水的水岩作用包括水解作用、吸附作用，可溶矿物的溶解作用。在长期水-岩作用下，煤矿地下水库岩体与矿井水产生物理化学作用，对矿井水中COD、悬浮物等沉淀、过滤和吸附发挥着重要作用。针对西部矿区排出的矿井水中有机氮和无机氮(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮或氨氮)含量较高的问题，张庆等通过室内模拟实验，开展了矿井水中有机氮及“三氮”在地下水库的迁移转化规律研究。于妍等利用三维荧光光谱技术分析了地下水库矿井水中溶解性有机物的变化特征。张凯等通过水-岩相互作用模拟实验，揭示了大柳塔煤矿地下水库发生的主要水-岩相互作用为阳离子交换反应，黄铁矿氧化、以及方解石、白云石以及硅酸盐矿物的溶解。这些研究成果从机理上揭示了水岩作用，解释了煤矿地下水库储存后水质得到净化及Na+增多和Ca²⁺减少的离子变化规律。

　　神华集团研发了煤矿地下水库“三位一体”的水质保障技术，即入库前沉淀池过滤→库内岩体自然净化→井下矿井水专门处理。大柳塔煤矿2号地下水库矿井水应用该技术后，悬浮物、总硬度、溶解性有机质等指标含量大幅度降低，其水质完全可以满足工业和绿化用水要求，实现了矿井水高效资源化利用。

参考文献：《煤矿地下水库研究进展与展望》