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新疆硫磺沟煤矿矿井外排水工程

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获奖年度2023

专业分类工业工程设计

获奖等级二等奖

设计单位新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司

设计人员贾运甫、代立新、梁峰、郭建飞、赵锦程、孙红丽、唐涛、王健、李泽鑫、张万军、胡军、於文汇、陈军、王磊、魏香鸿

项目简介

硫磺沟煤矿位于昌吉市头屯河上游河畔,是一座生产能力达150t/年的大型煤矿,隶属昌吉市管辖。煤矿的生产对昌吉市、乌鲁木齐市的经济社会发展具有重要意义。煤矿东距乌鲁木齐市约40km,北距昌吉市50km,向南可达庙儿沟、天山林场等地,其间均有公路相通,交通方便。

新疆硫磺沟煤矿矿井外排水工程主要任务:解决煤矿矿井污水处理后的排放问题;污水处理后为下游昌吉市三工滩4640亩公墓地提供绿化、生态林灌溉用水,获得水资源变废为宝的效益。工程设计年排水量150m?,为等小(2)型工程。建筑物布置采用两池+连接管道的型式,即首部事故备用池、排水管线、末端蓄水池、事故泵站等建筑物组成,主要建筑物级别为5级。

根据排水系统运行方式,排水管道规模需矿井水外排与事故状态下水量的叠加,设计取480 m?/h。末端蓄水池作为下游生态用水水源工程,所需的调节容积为52.25m?,死容积1.10m?,总容积为53.35m?。事故备用水池主要承担管道常规检修期排水、管道紧急事故排水及夏季坡面冲沟洪水,设计容积9.0m?

首部事故备用池充分利用天然洼地地形窄长条状的特点,布置近似长方形水池,对地形等高线1124.0m以下洼地表面清废后形成的容积,满足9m?的设计容积。水池库盘平面最大开口长约450m,宽约110m,池底位于沟口挡水坝的正前方,底部长85m,宽10m,池底高程1112.5m,池顶高程为1124.0m。从底部按天然坡面坡比向上至池顶高程,水池顶部设5.0m宽交通通道与挡水坝顶连接,形成环向交通道路,水池顶圈全长约1060m。挡水建筑物最大坝高12.5m,坝长59.9m,坝体及全库盘采用土工膜防渗。采用规格为300g/m2/ 0.8mm/300g/m2的两布一膜(PE膜),为长丝纺粘针刺非织造布聚乙烯复合土工膜。

排水管道全长15.3km,起点接矿井高位水池,沿线穿越硫磺沟镇、天山水泥厂、头屯河水库等。末点位于昌吉市三工滩附近,线路中部留有分水口向沿线草地及绿化带分水,管线顺头屯河左岸布置。管线最大落差为252m,全线采用自流排水,管材采用螺旋焊钢管,外防腐采用0.8mmPE(改性聚乙烯)热浸塑,内防腐采用0.35mm厚喷热固性环氧树脂粉末。共布置2座托管桥,1处过路顶管。以上管线部位外露地面部分做保温处理,保温方式为聚氨酯保温瓦片+镀锌铁皮。沿线共设置9个事故备用水池,每个水池容积为50~100m?。管线放空时,管道内矿井水可排入事故备用水池。管道检修完成后,采用水车将水池内水抽走排出。

末端蓄水池为注入式平原水池。蓄水池设计利用天然地形采取挖填方式,挖填后形成满足工程设计规模的蓄水池容积。水池占地范围约为7.06万平米,总库容53.35m?。坝型采用复合土工膜斜墙坝,全库盘铺设土工膜进行防渗,最大坝高为14.5m,坝顶部周长约为854m

布置方式独特性:采用两池+连接管道的新颖布局方式。

鉴于工程的任务和环境保护的要求,既要保障矿井水的及时排放,又要保障生态环境的安全。结合工程区地形特点,工程区首部巧妙利用天然洼地作为事故备用水池;管线穿越地形条件复杂、高差大,采取埋管+明管结合布置的型式;末端簸箕型地形特点可布置为蓄水池作为调蓄水库;沿线根据地形特点在低洼处设置9个管道放空水池,用于管道检修期管内水的排放。 两池+连接管道的布局方式既保证矿井水在正常情况下及时通过管道排向末端水池,又保证管道事故检修情况水不外泄。本工程新颖的布局方式获得环保、水利审批部门专家的认可和肯定,得到了硫硫磺沟煤矿和昌吉政府部门的高度赞扬。

确保煤矿正常、安全生产

煤矿水灾是煤矿建设和生产的主要灾害之一,由于新建水文地质条件极为复杂,煤矿突水事故时有发生,它不仅严重破坏煤矿的正常建设和生产,造成巨大的经济损失,而且还时刻威胁矿工的生命安全。如果矿井废水不能及时排出,意味着硫磺沟煤矿不能正常生产,进一步影响到煤矿相关产业的正常运转。本工程的建设保障了矿井水及时排出井外,且紧急情况下启用备用水池及事故放空池,确保煤矿正常、安全的生产,保障了人民生命财产的安全。

保护头屯河流域生态环境

煤矿矿井水为工业废水,工程区附近即为二级水源保护区,且工程穿越居民区,需采取切实可行的工程措施,保证水利矿井水不外泄本工程通过布置事故备用水池、沿线事故放空水池、以及防漏监测系统等综合措施,确保不会发生矿井水外泄事故,有效的保护了头屯河流域的生态环境,避免环境污染,保障了下游工农业、居民生产生活、生态用水的安全。

水资源再生,废水再利用

煤矿开采中会伴生大量的矿井水,传统方法是将矿井水排到地表,继而蒸发,造成了水资源的严重浪费,毫无节制的排水不仅大大浪费水资源、增加了矿产成本,而且还导致地面塌陷、地下水资源流失,水质恶化等环境问题。本工程矿井水的主要来源为头屯河的渗水,本身为头屯河水资源的一部分,工程的建设可有效保护水资源,将矿井资源化,是变废为宝的典型运用。

节能减排与可持续发展

工程管线起末点地面高差约250m,但需跨越山峰,不具备自流排水的条件。考虑后期管理运行方便,降低运行成本,节约物质资源和能量资源,减少废弃物和环境有害物排放。工程设计采取降低局部山峰海拔高度,适当加大山峰前管道管径减少水头损失综合措施,最终实现了全线自流排水,达到了节能减排的目的。

硫磺沟煤矿上游同时开发有屯宝、宝平两大煤矿,这两座煤矿同时也存在废水排放的问题。得益于本工程的顺利建设成功运行,目前两处煤矿计划将废水接入本排水系统,从根本上解决头屯河流域源头水污染的问题,有力保障了流域生态环境治理工作,本工程为类似问题处理提供持续利用意义。

选线经济合理

工程管线全线15.7km,布置两座水池,管线跨越硫磺沟镇居民区、S101国防公路、天山水泥厂、头屯河水库等建筑设施,沿线地形地质条件复杂,山体陡峻,起、终点落差达250m,本工程通过合理的布置和选线,成功解决了上述难题。

建筑物设计合理、先进,节省工程投资

建筑物布置首先考虑利用已有的自然条件,首部事故备用水池充分利用天然洼地地形窄长条状的特点,仅在沟口布置不到60m长的坝体即可形成9.0m?容积的水池;末端蓄水池设计为半挖半填水池,通过挖填平衡设计计算,坝体填筑全部利用开挖料,水池土方开挖仅为22.0m?左右,即形成了53m?容积的水池;管道采用托管桥、顶管、傍山栈道等多种设计型式穿越复杂地形和建筑设施。

先进的土石方平衡设计理念

本工程主要由2座水池和15km长管线组成,工程建设将产生大量的土石方开挖弃料,同时坝体填筑亦需要大量土石方料。本工程在建筑物整体布置和选型时就先行考虑土石方平衡调配,将水池开挖料用作坝体填筑和土工膜保护层料,管道填筑料首先考虑利用开挖料等。工程土石方开挖总量约40.0m?,填筑约38.6m?。土石方填筑直接利用和二次利用比例为100%,工程整体未产生任何弃渣,有效降低了投资、避免了水土流失。

本工程为水利工程中环保项目的实践,自2021年建成运行以来,运行良好,解决了困扰煤矿已久的污水排放问题,避免对头屯河水体造成污染;同时也解决了生态林灌溉用水问题;实现了保障煤矿安全生产、保护当地环境、变废为宝的目标要求;切实体现了青山绿水就是金山银山设计理念;达到了节能减排的目的,为碳达峰碳中和做出自己的贡献;实现了经济效益、环境效益和社会效益的统一,实现了新的治水理念,达到人水和谐。其工程质量和建筑物各项性状指标良好,符合国家相关规范要求。对其他同类型工程的设计、建设具有重要的参考和借鉴意义