CN117432468A - 一种煤矿长距离斜井敞开式tbm掘进排水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿斜井施工技术领域，具体地说，是一种煤矿长距离斜井采用敞开式TBM掘进的排水系统，包括TBM系统、临时水仓，所述TBM系统设置于煤矿井筒底部的挖掘段；所述TBM系统内设置有后配套储水净化系统和刀盘，所述后配套储水净化系统的前端与刀盘的后端连通；所述临时水仓开设有若干个，均布置于斜井穿过的含水层下方，位于井筒的联络通道侧。该种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，增设了大容量带净化功能的TBM后配套排水设备架构，及斜井永久水仓，优选合理位置，布置临时水仓，实现数据联动，统筹煤矿长距离斜井应急排水能力，根据不同工程阶段设置多路排水方案。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿斜井施工技术领域，具体为一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统。
背景技术
自我国实施供给侧改革以来，煤炭产能逐步向西、北部优势地区集中；由此，内蒙古、陕西、宁夏等地逐步经历大规模的煤矿新井建设。与中、东部矿井建设相比，其具有斜井开拓为主、直径大、水文地质条件复杂、岩层遇水软化和砂化等特点。
国内外斜井现有的排水系统主要采用阶梯式分级排水，在斜井内间隔一定距离设置集水井，各集水井中间设抽水泵连接钢管将水逐级上排。
如发明专利202110922948.2公开了斜井集水井及斜井反坡排水系统的组建方法,包括集水井硐室、污水泵、抽水管、第一排水管、承载平台、潜水泵和第二排水管，集水井硐室内设有第一沉淀池和第二沉淀池，第一沉淀池和第二沉淀池之间具有隔墙。发明专利201710021412.7公开了一种斜井掘进机盾体内部抽水装置和排水系统，主要针对盾构管片安装后渗水设计的排水系统。发明专利202210147365.1公开了一种漫积式斜井运营期防突涌结构及施工。发明专利202110963941.5公开了一种长隧道斜井进洞施工反坡排水系统，有减少潜水泵抽水距离的效果。
对于深埋超长、连续下坡、含水层多的煤矿斜井，采用敞开式TBM施工，围岩渗水主要靠排水系统创造掘进条件，排水系统的设计是关乎该施工工法成败的关键，要求能够处理含砂量高、涌水量大、超高扬程等关键问题。现有反坡排水系统难以适用该种条件。
为了解决上述问题，我们对此做出改进，提出一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，包括TBM系统、临时水仓，所述TBM系统设置于煤矿井筒底部的挖掘段；所述TBM系统内设置有后配套储水净化系统和刀盘，所述后配套储水净化系统的前端与刀盘的后端连通；所述临时水仓开设有若干个，均布置于斜井穿过的含水层下方，位于井筒的联络通道侧。
作为本发明的一种优选技术方案，所述后配套储水净化系统内设置有四台吊挂式污水泵，四个所述吊挂式污水泵与刀盘后段底部固定连接，吊挂式污水泵排水量为×m3/h；所述后配套储水净化系统内还固定设置有两个污水箱，两个所述污水箱分别位于后配套储水净化系统内中部的左右两侧，污水箱容量为×m3；所述污水箱内开设有尘沙过滤箱，所述尘沙过滤箱与污水箱连通，且均与吊挂式污水泵通过管道连通，；所述污水箱内均设置有潜水泵，扬程为m，排水量为m3/h，所述潜水泵共设置有四个，其中三个安装于联络通道侧的污水箱内，另外一个安装于联络通道侧的相对侧的污水箱内并且与联络通道侧的污水箱通过管道连通。
作为本发明的一种优选技术方案，所述后配套储水净化系统内设置有两个储水箱，两个所述储水箱分别安装于后配套储水净化系统内后端的左右两侧，并且分别与同侧的污水箱内的潜水泵通过管道连通，储水箱容量为m3/箱；两个所述储水箱内均固定设置有排水泵，所述排水泵的排量为m3/h，联络通道侧的储水箱与联络通道侧相对侧的排水泵通过管道连通。
作为本发明的一种优选技术方案，所述TBM系统的外表面后端固定设置有两个应急排水泵，两个所述应急排水泵分别位于TBM系统背面表面的左右两端，且分别与同侧的排水泵通过管道连通；所述应急排水泵的排水量为m3/h，扬程m。
作为本发明的一种优选技术方案，煤矿斜井井筒内设置有一号φ排水管路和二号φ排水管路，所述一号φ排水管路固定安装于井筒内壁的联络通道侧表面，所述二号φ排水管路固定安装于井筒内壁联络通道侧相对侧的运输皮带架下方；所述一号φ排水管路以及二号φ排水管路的尾端分别与同侧的应急排水泵连通。
作为本发明的一种优选技术方案，所述临时水仓设置有混凝土墙体，所述混凝土墙体砌设于临时水仓内壁靠近井筒的一侧；井筒内斜井底板仰拱块路面的左右两侧均开设有集水沟，两条所述集水沟分别沿井筒内壁左右两侧底部开设；所述临时水仓所在位置的井筒内斜井底板仰拱块路面开设有截水沟和排水沟，所述截水沟和排水沟分别横向开设于井筒内斜井底板仰拱块路面的高地势位置和底地势位置，且均连通两条集水沟以及临时水仓。
作为本发明的一种优选技术方案，所述临时水仓与一号φ排水管路连通；所述临时水仓内部地面固定设置有临时水仓排水泵，所述临时水仓排水泵与一号φ排水管路连通；所述临时水仓内壁表面设置有水位计，所述水位计固定安装于混凝土墙体内壁顶端表面，并且与TBM系统无线信号连接。
作为本发明的一种优选技术方案，煤矿斜井筒的中部设置有中部驱动硐室，煤矿斜井筒在所述中部驱动硐室的位置区间内开设有若干联络通道；煤矿斜井筒在所述中部驱动硐室位置区间内的每一个联络通道的相邻位置均开设有副永久水仓；所述中部驱动硐室和TBM系统之间设置有临时水仓。
作为本发明的一种优选技术方案，所述副永久水仓内设置有副沉淀仓,所述副沉淀仓与副永久水仓连通；所述副永久水仓内还固定设置有卧泵，所述卧泵与二号φ排水管路通过管道连通，卧泵扬程米，排量为m3/h；所述副永久水仓内的副沉淀仓与一号φ排水管路连通。
作为本发明的一种优选技术方案，煤矿斜井筒内距离井口米左右的位置开设有联络通道及主永久水仓，所述主永久水仓位于联络通道相邻位置；所述主永久水仓内设置有主沉淀仓，所述主沉淀仓与主永久水仓连通，主沉淀仓与一号φ排水管路连通；所述主永久水仓内还固定设置有两个水泵，两个所述水泵均与一号φ排水管路连通；煤矿斜井井口外的地面设置有地面沉淀池，所述地面沉淀池与一号φ排水管路和二号φ排水管路的首部连通。
本发明的有益效果有以下几点：
创新点一：大容量带净化功能的TBM后配套排水设备架构。
该种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，与隧道盾构式掘进不同，煤矿斜井采用敞开式TBM施工，没有可靠的隔水帷幕，出水量大。长距离斜井的涌水汇流到底部掘进工作面积聚，对排水系统的抽水效率要求高。此外西部地区白垩系岩层遇水泥化和砂化，水中的砂粒含量非常高，常规方法直接抽水易于堵管。针对上述问题，设计了大于150m3/h排水量的TBM后配套排水系统。
创新点二：增设斜井永久水仓，优选合理位置。
该种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，与隧道斜井不同，煤矿斜井一般设计多个井筒并行到底，中间增设多路相连的联络通道。此外，煤矿斜井在建成后，受采煤影响，服务期几十年内，一直需要有较高的排水能力要求。针对上述特点，煤矿斜井TBM施工排水系统增设永久水仓，其位置优选设计在联络通道和斜井中部驱动硐室处，便于构建大硐室储水，且保障联络通道逃生安全。
创新点三：数据联动，优化布置临时水仓。
该种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，根据斜井地质条件，优选在斜井穿过的含水层下方布置临时水仓，临时水仓连接有截水沟和排水沟，采取分段截流、扬程接力、分级排水的方式进行处理。每个水仓均配有水位计，通过无线传输方式将数据上传到TBM数据中心，当相邻水仓水位均超过设定的预警值时，及时在两水仓之间再增设临时水仓。
创新点四：统筹煤矿长距离斜井应急排水能力，根据不同工程阶段设置多路排水方案。
斜井主排水管路选用DN159水管各两路，一号管路为正常排水管路，布置在联络通道侧，与井筒内临时水仓及主永久水仓相连；二号管路为应急管路，布置在斜井运输皮带架下方，直接与所有副永久水仓内布置的卧泵相连。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统的TBM系统结构示意图；
图2是本发明一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统的临时水仓平面布局结构示意图；
图3是本发明一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统的临时水仓平面结构示意图；
图4是本发明一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统的临时水仓侧视剖面结构示意图；
图5是本发明一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统的中部驱动硐室平面布局结构示意图；
图6是本发明一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统的井口下2000米深度平面布局结构示意图；
图7是本发明一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统的现实案例可可盖村矿井整体布局结构示意图；
图中：1、TBM系统；2、后配套储水净化系统；201、污水泵；202、污水箱；203、尘沙过滤箱；204、潜水泵；205、储水箱；206、排水泵；207、应急排水泵；3、刀盘；4、二号φ159排水管路；5、一号φ159排水管路；6、临时水仓；601、混凝土墙体；602、集水沟；603、截水沟；604、排水沟；605、临时水仓排水泵；606、水位计；7、中部驱动硐室；8、副永久水仓；801、副沉淀仓；802、卧泵；9、主永久水仓；901、主沉淀仓；902、水泵；10、地面沉淀池。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1-6所示，一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，包括TBM系统1、临时水仓6，TBM系统1设置于煤矿井筒底部的挖掘段；TBM系统1内设置有后配套储水净化系统2和刀盘3，后配套储水净化系统2的前端与刀盘3的后端连通；临时水仓6开设有若干个，均布置于斜井穿过的含水层下方，位于井筒的联络通道侧。
后配套储水净化系统2内设置有四台吊挂式污水泵201，四个吊挂式污水泵201与刀盘3后段底部固定连接，吊挂式污水泵201排水量为4×35m3/h；后配套储水净化系统2内还固定设置有两个污水箱202，两个污水箱202分别位于后配套储水净化系统2内中部的左右两侧，污水箱202容量为4×50m3；污水箱202内开设有尘沙过滤箱203，尘沙过滤箱203与污水箱202连通，且均与吊挂式污水泵201通过管道连通，；污水箱202内均设置有潜水泵204，扬程为35m，排水量为70m3/h，潜水泵204共设置有四个，其中三个安装于联络通道侧的污水箱202内，另外一个安装于联络通道侧的相对侧的污水箱202内并且与联络通道侧的污水箱202通过管道连通。
后配套储水净化系统2内设置有两个储水箱205，两个储水箱205分别安装于后配套储水净化系统2内后端的左右两侧，并且分别与同侧的污水箱202内的潜水泵204通过管道连通，储水箱205容量为50m3/箱；两个储水箱205内均固定设置有排水泵206，排水泵206的排量为150m3/h，联络通道侧的储水箱205与联络通道侧相对侧的排水泵206通过管道连通。
TBM系统1的外表面后端固定设置有两个应急排水泵207，两个应急排水泵207分别位于TBM系统1背面表面的左右两端，且分别与同侧的排水泵206通过管道连通；应急排水泵207的排水量为120m3/h，扬程150m。
煤矿斜井井筒内设置有一号φ159排水管路5和二号φ159排水管路4，一号φ159排水管路5固定安装于井筒内壁的联络通道侧表面，二号φ159排水管路4固定安装于井筒内壁联络通道侧相对侧的运输皮带架下方；一号φ159排水管路5以及二号φ159排水管路4的尾端分别与同侧的应急排水泵207连通。
临时水仓6设置有混凝土墙体601，混凝土墙体601砌设于临时水仓6内壁靠近井筒的一侧；井筒内斜井底板仰拱块路面的左右两侧均开设有集水沟602，两条集水沟602分别沿井筒内壁左右两侧底部开设；临时水仓6所在位置的井筒内斜井底板仰拱块路面开设有截水沟603和排水沟604，截水沟603和排水沟604分别横向开设于井筒内斜井底板仰拱块路面的高地势位置和底地势位置，且均连通两条集水沟602以及临时水仓6。
临时水仓6与一号φ159排水管路5连通；临时水仓6内部地面固定设置有临时水仓排水泵605，临时水仓排水泵605与一号φ159排水管路5连通；临时水仓6内壁表面设置有水位计606，水位计606固定安装于混凝土墙体601内壁顶端表面，并且与TBM系统1无线信号连接。
煤矿斜井筒的中部设置有中部驱动硐室7，煤矿斜井筒在中部驱动硐室7的位置区间内开设有若干联络通道；煤矿斜井筒在中部驱动硐室7位置区间内的每一个联络通道的相邻位置均开设有副永久水仓8；中部驱动硐室7和TBM系统1之间设置有临时水仓6。
副永久水仓8内设置有副沉淀仓801,副沉淀仓801与副永久水仓8连通；副永久水仓8内还固定设置有卧泵802，卧泵802与二号φ159排水管路4通过管道连通，卧泵802扬程350米，排量为150m3/h；副永久水仓8内的副沉淀仓801与一号φ159排水管路5连通。
煤矿斜井筒内距离井口1000米左右的位置开设有联络通道及主永久水仓9，主永久水仓9位于联络通道相邻位置；主永久水仓9内设置有主沉淀仓901，主沉淀仓901与主永久水仓9连通，主沉淀仓901与一号φ159排水管路5连通；主永久水仓9内还固定设置有两个水泵902，两个水泵902均与一号φ159排水管路5连通；煤矿斜井井口外的地面设置有地面沉淀池10，地面沉淀池10与一号φ159排水管路5和二号φ159排水管路4的首部连通。
如图7所示，可可盖煤矿位于陕西省榆林市榆阳区可可盖村。主斜井倾角5.6°，下山施工，斜长5335m(不包括煤巷段)。其中，设计明槽开挖段270.1m，TBM工法段5064.9m。主要承担矿井提煤、进风任务，兼做安全出口。主、副斜井间距40m平行布置，每隔650m设置一条联络通道(共7条)，每隔40m设一个深度0.7m的躲避硐。施工时，每个联络通道附近设置永久水仓一个，如果涌水较大，可根据实际需要增设临时水仓6；利用每隔650m的联络通道施工6m作为调车硐室；采用本发明提出的斜井排水系统，实现了分段截流、扬程接力、分级排水的目标。研发了适用于煤矿弱胶结、遇水泥化砂化、破碎围岩条件下斜井敞开式TBM掘进机后配套排水净水系统，设计排水系统由一号φ159排水管路5、二号φ159排水管路4、临时水仓6、主永久水仓9、副永久水仓8、排水沟604和截水沟603等组成。基于涌水量监测，优化临时水仓布置，实现了国内煤矿斜井工程大断面(φ7.13m)、5000m长距离TBM施工排水系统安全高效运营18个月无故障，创造了敞开式TBM煤矿斜井井筒施工月进尺812.6m的快速掘进记录。
工作原理：煤矿斜井一般设计多个井筒并行到底，井筒之间会开设多条相连的联络通道，从井口开始往工作面方向，联络通道从1号开始编号，该种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，根据施工进度及涌水情况，排水方式设计如下：
排水方式1(井口以下2000m，2号联络通道前)：TBM掘进工作面涌水→污水泵201→污水箱202(储水箱205、排水泵206)→各临时水仓6(一号φ159排水管路5)→主永久水仓9→地面沉淀池10。
排水方式2(2号至5号联络通道之间)：TBM掘进工作面涌水→污水泵201→污水箱202(储水箱205、排水泵206、应急排水泵207)→各临时水仓6(一号φ159排水管路5)→主永久水仓9→地面沉淀池10；
TBM掘进工作面涌水→污水泵201→污水箱202(储水箱205、排水泵206、应急排水泵207)→中部驱动硐室7的副永久水仓8(二号φ159排水管路4)→地面沉淀池10。
排水方式3(5号联络通道以下)：TBM掘进工作面涌水→污水泵201→污水箱202(储水箱205、排水泵206、应急排水泵207)→各临时水仓6(一号φ159排水管路5)→主永久水仓9→地面沉淀池10；
TBM掘进工作面涌水→污水泵201→污水箱202(储水箱205、排水泵206、应急排水泵207)→5号联络通道以下的副永久水仓8(二号φ159排水管路4)→中部驱动硐室7的副永久水仓8(二号φ159排水管路4)→地面沉淀池10。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，包括TBM系统(1)、临时水仓(6)，其特征在于，所述TBM系统(1)设置于煤矿井筒底部的挖掘段；所述TBM系统(1)内设置有后配套储水净化系统(2)和刀盘(3)，所述后配套储水净化系统(2)的前端与刀盘(3)的后端连通；所述临时水仓(6)开设有若干个，均布置于斜井穿过的含水层下方，位于井筒的联络通道侧。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，所述后配套储水净化系统(2)内设置有四台吊挂式污水泵(201)，四个所述吊挂式污水泵(201)与刀盘(3)后段底部固定连接，吊挂式污水泵(201)排水量为4×35m3/h；所述后配套储水净化系统(2)内还固定设置有两个污水箱(202)，两个所述污水箱(202)分别位于后配套储水净化系统(2)内中部的左右两侧，污水箱(202)容量为4×50m3；所述污水箱(202)内开设有尘沙过滤箱(203)，所述尘沙过滤箱(203)与污水箱(202)连通，且均与吊挂式污水泵(201)通过管道连通，；所述污水箱(202)内均设置有潜水泵(204)，扬程为35m，排水量为70m3/h，所述潜水泵(204)共设置有四个，其中三个安装于联络通道侧的污水箱(202)内，另外一个安装于联络通道侧的相对侧的污水箱(202)内并且与联络通道侧的污水箱(202)通过管道连通。
3.根据权利要求1、2所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，所述后配套储水净化系统(2)内设置有两个储水箱(205)，两个所述储水箱(205)分别安装于后配套储水净化系统(2)内后端的左右两侧，并且分别与同侧的污水箱(202)内的潜水泵(204)通过管道连通，储水箱(205)容量为50m3/箱；两个所述储水箱(205)内均固定设置有排水泵(206)，所述排水泵(206)的排量为150m3/h，联络通道侧的储水箱(205)与联络通道侧相对侧的排水泵(206)通过管道连通。
4.根据权利要求1、2、3所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，所述TBM系统(1)的外表面后端固定设置有两个应急排水泵(207)，两个所述应急排水泵(207)分别位于TBM系统(1)背面表面的左右两端，且分别与同侧的排水泵(206)通过管道连通；所述应急排水泵(207)的排水量为120m3/h，扬程150m。
5.根据权利要求1、2、3、4所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，煤矿斜井井筒内设置有一号φ159排水管路(5)和二号φ159排水管路(4)，所述一号φ159排水管路(5)固定安装于井筒内壁的联络通道侧表面，所述二号φ159排水管路(4)固定安装于井筒内壁联络通道侧相对侧的运输皮带架下方；所述一号φ159排水管路(5)以及二号φ159排水管路(4)的尾端分别与同侧的应急排水泵(207)连通。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，所述临时水仓(6)设置有混凝土墙体(601)，所述混凝土墙体(601)砌设于临时水仓(6)内壁靠近井筒的一侧；井筒内斜井底板仰拱块路面的左右两侧均开设有集水沟(602)，两条所述集水沟(602)分别沿井筒内壁左右两侧底部开设；所述临时水仓(6)所在位置的井筒内斜井底板仰拱块路面开设有截水沟(603)和排水沟(604)，所述截水沟(603)和排水沟(604)分别横向开设于井筒内斜井底板仰拱块路面的高地势位置和底地势位置，且均连通两条集水沟(602)以及临时水仓(6)。
7.根据权利要求5、6所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，所述临时水仓(6)与一号φ159排水管路(5)连通；所述临时水仓(6)内部地面固定设置有临时水仓排水泵(605)，所述临时水仓排水泵(605)与一号φ159排水管路(5)连通；所述临时水仓(6)内壁表面设置有水位计(606)，所述水位计(606)固定安装于混凝土墙体(601)内壁顶端表面，并且与TBM系统(1)无线信号连接。
8.根据权利要求1所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，煤矿斜井筒的中部设置有中部驱动硐室(7)，煤矿斜井筒在所述中部驱动硐室(7)的位置区间内开设有若干联络通道；煤矿斜井筒在所述中部驱动硐室(7)位置区间内的每一个联络通道的相邻位置均开设有副永久水仓(8)；所述中部驱动硐室(7)和TBM系统(1)之间设置有临时水仓(6)。
9.根据权利要求5、8所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，所述副永久水仓(8)内设置有副沉淀仓(801),所述副沉淀仓(801)与副永久水仓(8)连通；所述副永久水仓(8)内还固定设置有卧泵(802)，所述卧泵(802)与二号φ159排水管路(4)通过管道连通，卧泵(802)扬程350米，排量为150m3/h；所述副永久水仓(8)内的副沉淀仓(801)与一号φ159排水管路(5)连通。
10.根据权利要求5所述的一种煤矿长距离斜井敞开式TBM掘进排水系统，其特征在于，煤矿斜井筒内距离井口1000米左右的位置开设有联络通道及主永久水仓(9)，所述主永久水仓(9)位于联络通道相邻位置；所述主永久水仓(9)内设置有主沉淀仓(901)，所述主沉淀仓(901)与主永久水仓(9)连通，主沉淀仓(901)与一号φ159排水管路(5)连通；所述主永久水仓(9)内还固定设置有两个水泵(902)，两个所述水泵(902)均与一号φ159排水管路(5)连通；煤矿斜井井口外的地面设置有地面沉淀池(10)，所述地面沉淀池(10)与一号φ159排水管路(5)和二号φ159排水管路(4)的首部连通。
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