CN103422886A - 一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝及其筑坝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝，所述人工挡水坝包括从内向外依次形成在辅助巷道中的支撑层、防渗层和混凝土结构层，所述混凝土结构层嵌入到所述辅助巷道周围的保安煤柱和/或围岩中。本发明还公开一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝的筑坝方法。由于将混凝土结构层嵌入到所述辅助巷道周围的保安煤柱和/或围岩中，使得人工挡水坝与保安煤柱结合共同形成地下水库的挡水坝。又由于为多层设计，其防渗性能和结构强度能够满足地下水库的储水需求。

Description

一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝及其筑坝方法
技术领域
本发明涉及煤炭开采与水利工程交叉领域，尤其涉及一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝及其筑坝方法。
背景技术
能源“金三角”（晋陕蒙甘宁）煤炭资源具有浅埋深、薄基岩和煤层厚等特征，2011年该地区煤炭产量23.82亿吨，占全国总产量的67.7%，已成为我国煤炭资源的主产区。但是，西部“能源金三角”生态环境脆弱，该地区长期气候干旱，水资源短缺且时空分布不均匀。以陕北地区为例，该区域地处内陆，降水稀少，蒸发量大，人均水资源仅为927立方米，为全国平均水平的35.7%，属于典型的资源型缺水地区。
在该区域实施大规模高强度的煤炭开采，不可避免对水资源产生负面影响。煤炭开采形成的巷道和采空区，对地表水和地下水运移、赋存状态造成影响，改变了地下水的循环规律，引发一系列问题，如河水断流、地下水位下降、泉水流量锐减或干涸。水资源保护已成为“能源金三角”地区煤炭可持续开发的瓶颈，而由于该区域煤层地质赋存条件的约束，传统的保水开采技术（如充填法、限高开采）难以有效实施，必须进一步探索和研究针对该区域的煤炭开采水资源保护技术和方法。目前主要实施措施是矿井水外排。矿井水外排有多种不利，一方面造成了水资源的极度浪费，另一方面矿井水外排至地面产生污染，而“能源金三角”地区气候干旱，蒸发量大，外排后矿井水大多蒸发，得不到有效利用。
因此，在“能源金三角”地区保水开采的关键技术是如何实现矿井水不外排，而井工煤矿开采会形成采空区，若能对采空区加以利用，将煤炭开采过程中的矿井水储存于该空间内，同时辅以工程措施，实现水资源在地下的过滤净化，利用钻孔与地面相通，为未来水资源利用提供条件。多个储水采空区之间通过煤巷或管道进行相连，形成相互贯通的地下储水空间，即煤矿分布式地下水库。坝体建设是煤矿分布式地下水库的重要组成部分，保障了储水的安全性，同时通过构筑人工挡水坝，使得多个采空区练成一体，利用采空区高程差，实现矿井水在库内的自由流动，对矿井水进行净化处理。
目前，关于煤矿分布式地下水库挡水坝建设尚无资料参考。在《煤矿安全规程》和《煤矿防治水规定》中水闸门和水闸墙的建设进行了规范，主要基于防治水的角度，未考虑地下水库储水的长期作用；水利工程方面，对地面水库的坝体建设做了较为详细的规定，但与地下水库挡水坝建设具有明显不同。因此，如何筑建煤矿分布式地下水库的人工挡水坝具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、性能稳定的煤矿分布式地下水库的人工挡水坝及其筑坝方法。
本发明的一个技术方案提供一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝，所述人工挡水坝包括从内向外依次形成在辅助巷道中的支撑层、防渗层和混凝土结构层，所述混凝土结构层嵌入到所述辅助巷道周围的保安煤柱和/或围岩中。
优选地，所述混凝土结构层嵌入所述保安煤柱和/或所述围岩的深度为30-80cm。
优选地，所述混凝土结构层与所述保安煤柱和/或所述围岩之间设有多根锚杆。
优选地，所述锚杆的长度为180-210cm，所述锚杆***到所述保安煤柱和/或所述围岩的深度为30-80cm。
优选地，所述混凝土结构层中设有工字钢，所述工字钢呈“井”字形。
优选地，所述支撑层为厚度为1.5m的砖混结构层。
优选地，所述防渗层为厚度为2m的矸石结构层或黄土结构层。
优选地，所述人工挡水坝的横截面为矩形或弧形，弧形的所述人工挡水坝的凹面朝向所述地下水库。
优选地，所述支撑层、所述防渗层和所述混凝土结构层中均预留有观测应急孔。
本发明的另一技术方案提供一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝的筑坝方法，包括以下步骤：
在辅助巷道中的保安煤柱之间选取所述人工挡水坝的筑坝位置；
在所述辅助巷道中从内向外依次形成的支撑层、防渗层；
在紧贴所述防渗层外侧的所述辅助巷道周围的所述保安煤柱和/或围岩中开槽，形成凹槽；
在所述凹槽中向所述保安煤柱和/或围岩中打入多根锚杆；
将工字钢嵌入到所述凹槽中；
高压喷射混凝土，在所述凹槽中形成混凝土结构层。
优选地，所述选取所述人工挡水坝的筑坝位置的步骤进一步包括：
利用物探和钻探手段，对待施工巷道的煤岩性质、地层、构造进行勘探；
选择构造简单、煤岩性质稳定的部位作为所述人工挡水坝的筑坝位置。
优选地，所述在所述辅助巷道中依次形成的支撑层、防渗层的步骤之前还包括：
预估所述辅助巷道中的水压；
根据水压来设定所述人工挡水坝的截面形状。
采用上述技术方案后，具有如下有益效果：由于将混凝土结构层嵌入到所述辅助巷道周围的保安煤柱和/或围岩中，使得人工挡水坝与保安煤柱结合共同形成地下水库的挡水坝。又由于为多层设计，其防渗性能和结构强度能够满足地下水库的储水需求。
附图说明
图1是本发明一实施例中分布式地下水库的结构示意图；
图2是本发明一实施例中人工挡水坝的结构示意图；
图3是图2中A-A的截面图；
图4是本发明另一实施例中人工挡水坝的结构示意图。
附图标记对照表：
1——辅助巷道       2——保安煤柱       3——围岩
4——采空区         5——主巷           11——运输巷道
12——回风巷道      13——联络巷道      10——支撑层
20——防渗层        30——混凝土结构层  31——锚杆
32——工字钢        33——凹槽
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，保安煤柱2是为保护地表地貌、地面建筑、构筑物和主要井巷，防止塌陷，分隔矿田、井田、含水层、火区及破碎带等而留下不采或暂时不采的部分矿体，起到支撑作用，位于辅助巷道1的左右侧。围岩3（参见图3）是辅助巷道1掘进时候形成的，位于辅助巷道1的上下侧。辅助巷道1包括运输巷道11和回风巷道12，运输巷道11和回风巷道12之间通过联络巷道13连通。运输巷道11在开采煤时，起到运输的作用；回风巷道12在开采煤时，起到了通风的作用。当工作面开采完后，运输巷道11与回风巷道12之间形成采空区4，辅助巷道1的上覆岩层冒落，辅助巷道1和采空区4一起形成地下水库。本发明中，保安煤柱2位于地下水库与主巷5之间，利用保安煤柱2形成地下水库坝体的一部分。由于辅助巷道1与主巷5相通，因此只需要封堵辅助巷道1与主巷5之间的位置。
如图2所示，本发明中煤矿分布式地下水库的人工挡水坝，包括从内向外依次形成在辅助巷道1中的支撑层10、防渗层20和混凝土结构层30，混凝土结构层30嵌入到辅助巷道1周围的保安煤柱2和围岩3中。本实施例中，支撑层10为厚度为1.5m的砖混结构层，防渗层20为厚度为2m的矸石结构层或黄土结构层，混凝土结构层30的厚度为1.5m，人工挡水坝的总厚度为5m。
本发明中的“内”是指靠近地下水库的一侧，“外”是指靠近主巷5的一侧。从内向外的第一层，即砖混结构层承担部分挡水作用，并对上方围岩3形成支撑作用；第二层，即矸石或黄土结构层是利用矸石和黄土构成相对密闭的墙体结构，一方面起到防渗作用，同时也节约了人工挡水坝的成本，充分利用了煤矿开采过程中的废弃物作为原料。混凝土结构层30本身具有很好的防渗性能，更重要的是混凝土结构层30嵌入到辅助巷道1左右侧的保安煤柱2和辅助巷道1上下侧的围岩3中，增加了人工挡水坝的强度。
较佳地，砖混结构层的厚度不限于1.5m，矸石结构层或黄土结构层的厚度不限于2m，混凝土结构层30的厚度不限于1.5m。
较佳地，矸石结构层或黄土结构层中可加入罗克休等防渗材料，增强人工挡水坝的防渗性能。
较佳地，混凝土结构层30可以只嵌入到保安煤柱2中，也可以只嵌入到围岩3中。
本实施例中，如图3所示，混凝土结构层30嵌入保安煤柱2和围岩3的深度为30-80cm，深度的方向与混凝土结构层30的宽度方向相同。具体地，混凝土结构层30嵌入保安煤柱2的深度可以为50-80cm，混凝土结构层30嵌入围岩3的深度可以为30-60cm。混凝土结构层30与保安煤柱2和围岩3之间均设有三根锚杆31，锚杆31的数量还可以为三根以上，多根锚杆31间隔排布，可以每隔20cm设置一根锚杆31。锚杆31的长度为180-210cm，锚杆31***到保安煤柱2和围岩3的深度为30-80cm。具体地，锚杆31***到保安煤柱2中的深度可以为50-80cm，锚杆31***到围岩3的深度可以为30-60cm。同时锚杆31要保证垂直，以保证具有较好的稳定性。锚杆31可由钢筋支撑，起到连接人工挡水坝与保安煤柱2或围岩3的作用，进一步增强了人工挡水坝的强度。
较佳地，锚杆31还可以只形成在保安煤柱2与混凝土结构层30之间，也可以只形成在围岩3与混凝土结构层30之间。还可以是混凝土结构层30嵌入到保安煤柱2中，混凝土结构层30与围岩3之间***锚杆31。或者混凝土结构层30嵌入到围岩3中，混凝土结构层30与保安煤柱2之间***锚杆31。
本实施例中，如图3所示，混凝土结构层30中还设有工字钢32，工字钢32呈“井”字形，形成在整个混凝土结构层30中，纵向工字钢32的长度等于混凝土结构层30的高度，横向工字钢32的长度等于混凝土结构层30的宽度。工字钢可以增强人工挡水坝的强度，足够抵挡地下水库的水压。
较佳地，工字钢32还可以形成其他形状，例如，呈“米”字形或交叉形成在混凝土结构层中。
本实施例中，人工挡水坝的横截面为矩形。
较佳地，如图4所示，人工挡水坝的横截面还可以为弧形，弧形的人工挡水坝的凹面朝向地下水库。能有效缓冲突然水压增大对坝体的冲击。
较佳地，支撑层10、防渗层20和混凝土结构层30中均预留有观测应急孔（图未示）。为防止库内水压突增对水库安全运行产生威胁，发生溃坝风险，在人工挡水坝合适位置设置观测应急孔，作用包括：一是利用该孔对库内水压水位和水质等进行观测取样；同时利用阀门，设置阀门启动压力，当水压超过阀门核定安全警戒值时，自动或人工启动，排水泄压，保障地下水库运行安全。
本发明中煤矿分布式地下水库的人工挡水坝的筑坝方法，包括以下步骤：
步骤S101:在辅助巷道1中的保安煤柱2之间选取人工挡水坝的筑坝位置；
步骤S102:在辅助巷道1中从内向外依次形成的支撑层10、防渗层20；
步骤S103:在紧贴防渗层20外侧的辅助巷道1周围的保安煤柱2和围岩3中开槽，形成凹槽33；
步骤S104:在凹槽33中向保安煤柱和围岩中打入多根锚杆31；
步骤S105:将工字钢32嵌入到凹槽33中；
步骤S106:高压喷射混凝土，在凹槽33中形成混凝土结构层30。
凹槽33的深度可为30-80cm，并根据周边地质条件和地下水库库容进行调整。具体地，保安煤柱2的凹槽33的深度可以为50-80cm,围岩3的凹槽33的深度可以为30-60cm。本发明筑坝方法的优点与上述人工挡水坝的优点相同，在此不再累述。
较佳地，选取人工挡水坝的筑坝位置的步骤S101进一步包括：
步骤S201:利用物探和钻探手段，对待施工巷道的煤岩性质、地层、构造进行勘探；
步骤S202:选择构造简单、煤岩性质稳定的部位作为人工挡水坝的筑坝位置。
较佳地，在辅助巷道中依次形成的支撑层、防渗层的步骤S102之前还包括：
步骤S301:预估辅助巷道1中的水压；
步骤S302:根据水压来设定人工挡水坝的截面形状。
当水压较高时，或者处于水库较低位置的人工挡水坝可优先选择弧形，以缓冲水压。弧形的人工挡水坝在形成凹槽33时，围岩中的凹槽33也形成弧形。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝，其特征在于，所述人工挡水坝包括从内向外依次形成在辅助巷道中的支撑层、防渗层和混凝土结构层，所述混凝土结构层嵌入到所述辅助巷道周围的保安煤柱和/或围岩中。
2.根据权利要求1所述的人工挡水坝，其特征在于，所述混凝土结构层嵌入所述保安煤柱和/或所述围岩的深度为30-80cm。
3.根据权利要求1所述的人工挡水坝，其特征在于，所述混凝土结构层与所述保安煤柱和/或所述围岩之间设有多根锚杆。
4.根据权利要求3所述的人工挡水坝，其特征在于，所述锚杆的长度为180-210cm，所述锚杆***到所述保安煤柱和/或所述围岩的深度为30-80cm。
5.根据权利要求1所述的人工挡水坝，其特征在于，所述混凝土结构层中设有工字钢，所述工字钢呈“井”字形。
6.根据权利要求1所述的人工挡水坝，其特征在于，所述支撑层为厚度为1.5m的砖混结构层。
7.根据权利要求1所述的人工挡水坝，其特征在于，所述防渗层为厚度为2m的矸石结构层或黄土结构层。
8.根据权利要求1所述的人工挡水坝，其特征在于，所述人工挡水坝的横截面为矩形或弧形，弧形的所述人工挡水坝的凹面朝向所述地下水库。
9.根据权利要求1所述的人工挡水坝，其特征在于，所述支撑层、所述防渗层和所述混凝土结构层中均预留有观测应急孔。
10.一种煤矿分布式地下水库的人工挡水坝的筑坝方法，其特征在于，包括以下步骤：
在辅助巷道中的保安煤柱之间选取所述人工挡水坝的筑坝位置；
在所述辅助巷道中从内向外依次形成的支撑层、防渗层；
在紧贴所述防渗层外侧的所述辅助巷道周围的所述保安煤柱和/或围岩中开槽，形成凹槽；
在所述凹槽中向所述保安煤柱和/或围岩中打入多根锚杆；
将工字钢嵌入到所述凹槽中；
高压喷射混凝土，在所述凹槽中形成混凝土结构层。
11.根据权利要求10所述的筑坝方法，其特征在于，所述选取所述人工挡水坝的筑坝位置的步骤进一步包括：
利用物探和钻探手段，对待施工巷道的煤岩性质、地层、构造进行勘探；
选择构造简单、煤岩性质稳定的部位作为所述人工挡水坝的筑坝位置。
12.根据权利要求10所述的筑坝方法，其特征在于，所述在所述辅助巷道中依次形成的支撑层、防渗层的步骤之前还包括：
预估所述辅助巷道中的水压；
根据水压来设定所述人工挡水坝的截面形状。
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