一种煤矿地下水库的人工挡水坝的制作方法

1.本发明涉及采矿工程与水利工程的交叉领域，尤其涉及一种煤矿地下水库的人工挡水坝。


背景技术：

2.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，属于典型的资源型缺水地区。
3.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。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浪费，另一方面会对地表生态环境产生污染。
4.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，建设地下水库，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。人工防水坝位于组成煤矿地下水库的各个采空区的回风巷、运输巷与主巷连接处等部位，是水库建设的重要环节，人工挡水坝结构设计关系到地下水库运行安全，尤其是人工挡水坝与煤柱坝体连接部位是水库坝体安全的薄弱环节，如何通过科学合理的设计保障其坝体安全稳定，是人工挡水坝建设的关键环节，也是水库运行安全的决定因素。
5.目前，关于煤矿分布式地下水库挡水坝建设还在进一步研究设计。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，但是地面水库坝体与地下水库挡水坝建设具有明显不同。
6.将煤矿地下水库坝体与地面水库坝体进行比较，地面水库坝体仅受到水压作用及自身重力作用；而煤矿地下水库坝体受力复杂，不仅受到水压作用，同时由于地下水库上方岩层尚未达到稳定状态，岩层垮落对坝体造成冲击，同煤层和不同煤层采动及矿震等对坝体均具有一定影响。
7.目前大量使用的煤矿地下水库的人工挡水坝，以壁式挡水坝为主，其周围设计有掏槽和锚杆，虽然相应减少了对人工坝体与煤柱坝体连接处的受力，但由于本身坝体混凝土结构的强度远大于巷道煤柱层的强度，以及巷道底板未作处理，在人工坝体承受较大围岩压力时，坝体对底板会产生较大的压力，可能造成相应的底板裂隙增加或者局部失稳破坏，出现不安全因素。
8.因此，在现有情况下，有必要设计一种坝体，以减小底板裂隙增加以及防止底板局部失稳破坏的煤矿地下水库的人工挡水坝，对煤矿地下水的有效利用，以及煤矿安全具有重要意义。


技术实现要素：

9.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种带基础板的多层人工挡水坝，该人工挡水坝坝体下部带有基础板，减小了坝体受到巷道围岩压力下，对巷道底板的冲切应力，提高了坝体及整体的稳定性，提高了安全性。
10.本发明的煤矿地下水库的人工挡水坝，所述的人工挡水坝位于煤柱坝体之间用于隔离地下水库和巷道，并且所述人工挡水坝的两端深入到所述的煤柱坝体中，其中，所述人工挡水坝包括位于所述煤柱坝体之间的多层坝体结构层，所述多层坝体结构层的底部设置有基础板。
11.在一个实施方式中，所述多层坝体结构层包括由内向外依次设置的支撑层、防渗层以及混凝土结构层，所述混凝土结构层的两端及上部深入到嵌入至周围的煤柱坝体和围岩中。
12.在一个实施方式中，所述混凝土结构层为壁式。
13.在一个实施方式中，所述多层坝体结构层的每层结构层间设置有一定厚度的防水材料形成的防水层。
14.在一个实施方式中，所述混凝土结构层嵌入部分与煤柱坝体之间的连接处设置有多根锚杆，所述锚杆穿过所述煤柱坝体的松动层后，插入至岩体围岩中。
15.在一个实施方式中，所述混凝土结构层内设有工字钢，其中工字钢设置呈“井”字型。
16.在一个实施方式中，所述多层坝体结构层的每层结构层间设置有管道口及水位监测孔。
17.在一个实施方式中，所述支撑层为厚度1.5～2.0m的砖混结构层，所述防渗层为厚度1.5～2.5m的砾石结构层或是黄土结构层。
18.在一个实施方式中，所述基础板的厚度为25～30cm，整体浇筑成筏形，所述基础板在多层坝体结构层长宽基础上每方向延伸50cm～60cm形成。
19.在一个实施方式中，所述人工挡水坝的混凝土结构层的厚度与巷道宽度之间的比值为0.18～0.20。
20.在一个实施方式中，在所述基础板处留有钢筋连接处，且在所述混凝土结构层所在位置留有钢筋结构。
21.与现有技术相比，本发明的煤矿地下水库的人工挡水坝具有以下优点：
22.1.将混凝土结构层嵌入到所述煤柱坝体以及围岩中，使得人工挡水坝与周围煤柱坝体或围岩结合共同组成地下水库挡水坝。
23.2.筏形基础板由于其底面积大，故可减小基底的压强，同时也可提高地基土的承载力，并能更有效地增强基础的整体性，调整不均匀沉降，有效减少底板下部岩体裂缝发展，降低底板失稳破坏。
24.3.人工挡水坝坝体为多层结构层设计，其防渗性能和结构强度能够满足地下水库
的储水要求。
25.上述技术特征可以各种技术上可行的方式组合以产生新的实施方案，只要能够实现本发明的目的。
附图说明
26.在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
27.图1显示了根据本发明的实施例煤矿地下水库的人工挡水坝的结构示意图(俯视图)；
28.图2显示了图1中的煤矿地下水库的人工挡水坝的混凝土结构层的结构示意图(b-b剖面图)；
29.图3显示了图1中的煤矿地下水库的人工挡水坝的a-a剖面图。
30.在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
31.其中，附图标记为：
32.1、混凝土结构层；2、防渗层；3、支撑层；4、基础板；5、煤柱坝体；6、地下水库；7、巷道；8、锚杆；9、工字钢；10、围岩。
具体实施方式
33.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
34.本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
35.本发明提供了一种煤矿地下水库的人工挡水坝。如图1和图3所示，本发明的煤矿地下水库的人工挡水坝位于煤柱坝体5之间用于隔离地下水库6和巷道7，并且所述人工挡水坝的两端深入到煤柱坝体5中，其中，人工挡水坝包括位于煤柱坝体5之间的多层坝体结构层，多层坝体结构层的底部设置有基础板4。
36.人工挡水坝用于封堵地下水库6，地下水库6用于储存煤矿的地下水源，便于循环利用地下水资源。由于人工挡水坝带有基础板4，有效减小了人工挡水坝对于底板围岩10的压强，从而降低了巷道底板的局部压力过大，提高了安全性。
37.在一个实施例中，如图1所示，图1为人工坝体的结构示意图，人工挡水坝的多层坝体结构层包括从内到外依次形成在巷道7中的支撑层3，防渗层2和混凝土结构层1，其中混凝土结构层1深入煤柱坝体5之间以及上部围岩10之间，多层坝体结构层与混凝土结构层1下部底板以下的基础板4，共同组成人工挡水坝。图1中，h表示人工挡水坝的混凝土结构层1的厚度，l表示巷道5的宽度。其中，本发明中的“内”是指靠近地下水库6的一侧，“外”是指靠近巷道7的一侧。
38.在优选的实施例中，支撑层3优选为厚度1.5～2.0m的砖混结构层，防渗层2优选为厚度1.5～2.5m的砾石结构层或是黄土结构层。本实施例中，支撑层3的厚度为1.5m的砖混结构层，防渗层2为厚度2.0m的砾石结构层或是黄土结构层，混凝土结构层为1.0m，人工挡水坝的总厚度为4.5m。
39.支撑层3由砖混结构层构成，能够承担部分挡水作用，并对上方围岩10形成一定支撑作用；防渗层2由砾石结构层或是黄土结构层构成相对密闭的墙体结构，一方面起到一定的防渗作用，同时直接利用煤矿开采过程中的废弃物作为原料，节约成本；混凝土结构层1本身就具有较好的防渗性能，同时混凝土结构层1嵌入至周围的煤柱坝体5和围岩10中，加上混凝土本身的力学特性，增加了人工挡水坝的强度。
40.更优选地，砖混结构层的厚度不限于1.5m，砾石结构层或是黄土结构层的厚度不限于2.0m，混凝土结构层的厚度不限于1.5m。
41.在一个更优选的实施例中，防渗层2的砾石结构层或是黄土结构层中可加入罗克休等防渗材料，以增强人工挡水坝的防渗性能。
42.在一个优选的实施例中，支撑层3与防渗层2之间，以及防渗层2和混凝土结构层1之间，涂有一定厚度的防水材料形成的防水层，可有效提高相应结构层的防渗特性，同时在使用过程中，也将有效降低多层坝体结构层在后续使用中表面裂纹等防水性能下降的可能。
43.图2是本发明实施例中人工挡水坝的混凝土结构层的结构示意图(b-b剖面图)。如图2所示，混凝土结构层1的两端深入煤柱坝体5，上端深入围岩10中。优选地，混凝土结构层1两端帮部嵌入煤柱坝体3深度优选为50～100cm，混凝土结构层1的上端深入围岩7中深度优选为30～80cm。混凝土结构层1在嵌入部分与煤柱坝体5连接处安装有锚杆8，嵌入岩体保证安全性。混凝土结构层1内部设置有“井”字型排列的工字钢9作为结构支撑。
44.优选地，锚杆8穿过煤柱坝体5和围岩7的松动层后，插入到岩体层中(图中示出)。岩体层的质地较为致密，锚杆8插入岩体层后，有利于提升人工挡水坝与煤柱坝体5及围岩10的连接稳定性。较佳地，锚杆8插入岩体层的厚度为1～1.5m。
45.人工挡水坝的混凝土结构层1的厚度h与巷道5的宽度l之间的比值优选为0.18～0.20。在实际应用中，以地下水库储水技术参数为基础，来计算人工挡水坝的厚度及围岩嵌入深度等，形成较为安全的人工坝体。
46.图3为混凝土结构层的结构示意图(a-a剖面图)，如图3所示，人工挡水坝受到的来自围岩10的压力及自身重力，施加在坝体下部的基础板4上，减少了人工挡水坝对于底板围岩10的局部压强过大的情况，有效的增加了下部基础受力面积，减少局部压强，降低了局部失稳和底板围岩裂缝的发展。如图2和图3所示，人工挡水坝的底部基础部分为基础板4，上表面与底板围岩10持平，两端深入之煤柱坝体5中，混凝土浇筑。
47.基础板4的厚度优选为25～30cm。优选地，基础板4在多层坝体结构层长宽基础上每方向延伸50cm～60cm形成。即，以人工挡水坝边界每边增加50cm～60cm形成基础板4的最终尺寸。优选为每边增加50cm，作为最终尺寸，其上表面与底部围岩10保持持平。
48.更优选地，基础板4留有钢筋连接处，在混凝土结构层1所在位置留有钢筋结构，便于基础板4与上部混凝土结构层1的连接，以及基础板4的整体浇筑。优选地，基础板4整体浇筑成筏形。
49.在一个优选地实施例中，在支撑层3、防渗层2和混凝土结构层1中均预留有管道口及水位监测孔(图中未示出)。为防止库内水压突增对地下水库安全运行产生影响，在人工挡水坝合适位置设置水位监测孔，一方面可以利用水位监测孔对库内水压水位和水质进行观测取样检测；另一方面可以利用阀门，设置阀门启动压力，保障阀门能够在警戒水压时自
动或人工启动，保障地下水库运行安全。
50.至此，本领域技术人员应该认识到，虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。