CN109630195B - 煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，位于煤柱坝体之间以用来隔离地下水库和相应煤巷，坝体包括主坝、强帮部，所述强帮部为在主坝厚度的基础上至少向地下水库的一侧延伸S1长度形成，所述延伸的S1长度部分同时形成为第一阻渗部，所述强帮部嵌入到两侧煤柱坝体中，所述主坝和强帮部的上端嵌入巷道顶板围岩中，主坝和强帮部的下端嵌入巷道底板围岩中。由于挡水坝位于地下煤岩层巷道中，受到的围岩应力较为复杂，本发明有效克服传统挡水坝巷道两侧帮部薄弱且易渗水现象，同时减小了坝体对巷道两端煤柱坝体的局部压强，提高了坝体及整体的稳定性，满足了煤矿地下水库的储水和安全性要求。
Description
技术领域
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强帮阻渗挡水坝。
背景技术
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，关于煤矿分布式地下水库挡水坝建设虽然有了相关方面的研究，但是地面水库坝体与地下水库挡水坝建设具有明显不同。
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较为复杂，不仅受到水压的侧向压力作用，还有来自于周围煤柱或岩体的围岩应力，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。
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，在实际使用中其帮部即人工坝体与煤柱坝体连接处，出现局部坝体失稳以及渗水现象，对实际安全使用造成一定影响。目前现有的人工挡水坝，其周围设计有掏槽和锚杆。虽然相应减少了对人工挡水坝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，以及人工坝体与煤柱坝体连接处接触面积较小，在人工挡水坝承受较大围岩压力时，坝体对煤柱坝体两帮都会产生较大的压力，可能造成相应的裂隙增加或者局部失稳破坏，进而诱发渗水现象，出现不安全因素。
公告号103422469B的中国发明专利公开一种煤矿地下水库的人工挡水坝，所述人工挡水坝嵌入到辅助巷道周围的煤柱坝体和围岩中，所述人工挡水坝的横截面为弧形，弧形的所述人工挡水坝的凹面朝向所述地下水库。本发明还公开了一种煤矿地下水库的人工挡水坝与煤柱坝体和围岩的连接方法。将人工挡水坝嵌入到煤柱坝体和围岩中，增强了人工挡水坝与煤柱坝体和围岩的连接，提高人工挡水坝抗滑性能。虽然该专利对煤矿地下水库的人工挡水坝进行了相关研究，但该专利关注的是水坝坝体的主坝面受力问题，并未考虑煤巷两侧煤柱坝体薄弱部的局部受力破坏和渗流问题。
公告号204299622U的中国实用新型专利《一种煤矿地下水库的人工挡水坝》公开了一种煤矿地下水库的人工挡水坝，所述挡水坝位于煤柱坝体之间用于隔离地下水库和巷道，并且所述挡水坝的两端伸入到所述煤柱坝体中，所述挡水坝为单拱形，所述挡水坝的凸面朝向所述地下水库。由于单拱形的挡水坝的凸面朝向地下水库，减少了坝体直接受力，将力分解到两侧的煤柱坝体上，降低了坝体厚度，节省了成本。该专利虽然进一步在坝体两侧帮部设置左右肩部，但肩部的作用是连接主坝和煤柱坝体，同时能将水库水压力从主坝传递到煤柱坝体，这就决定了其肩部嵌入煤柱坝体的深度较浅(0.3-0.5m)，且肩部的宽度也较窄(与坝体的厚度相同)，也未考虑煤巷两侧煤柱坝体薄弱部的局部受力破坏和渗流问题。
因此，在现有情况下，设计一种坝体，以提高两侧帮部的强度，减小局部帮部裂隙增加以及防止煤柱坝体局部失稳破坏、渗水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。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的技术的不足，提供一种坝体直接受力小，同时能够克服煤巷两侧煤柱坝体薄弱部，以及减少煤柱坝体局部受力过大，发生局部失稳破坏、渗水，提高整体地下水库安全性的人工挡水坝。
本发明提供一种煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，位于巷道左右两侧的煤柱坝体之间，用于隔离地下水库和巷道，封堵地下水库中的水源，所述强帮阻渗挡水坝坝体包括主坝，以及位于主坝左右两侧的强帮部，所述强帮部包括在主坝厚度的基础上至少向地下水库的一侧延伸S1长度而形成的第一阻渗部，所述强帮部嵌入到两侧煤柱坝体中，所述主坝和强帮部的上端嵌入巷道顶板围岩中，主坝和强帮部的下端嵌入巷道底板围岩中。
优选地，所述主坝和强帮部的上端嵌入上围岩深度为50-100cm；和/或，所述主坝和强帮部的下端嵌入下围岩深度为50-100cm。
优选地，所述强帮部内侧与巷道内壁持平；优选地，所述第一阻渗部的内壁设置有一层防渗层；优选地，所述强帮部为厚度30-50cm的混凝土结构。
优选地，所述强帮部嵌入煤柱坝体的深度至少为50cm，优选为60-200cm，更优选为80-150cm。
优选地，所述第一阻渗部的长度S1至少为50cm。
优选地，所述强帮部还包括在主坝厚度的基础上向巷道一侧延伸的S2长度而形成的第二阻渗部；优选地，所述第二阻渗部的长度S2不超过所述第一阻渗部的长度S1。
优选地，所述强帮部嵌入煤柱坝体部分与煤柱坝体连接处在坝体高度方向上插入多组锚杆，锚杆穿过所述煤柱坝体的松动层，插入到稳定的煤柱坝体中；优选地，每组锚杆有3根，其中一根垂直于强帮部，另外两根与强帮部水平方向呈45°角对称分布，如此在注浆后形成稳定密实的阻渗区。
优选地，所述主坝上部嵌入顶板围岩部分与顶板围岩连接处插入多根锚杆，锚杆穿过所述围岩的松动层，插入到稳定的岩体中；优选地，所述主坝下部嵌入底板围岩部分与底板围岩连接处插入多根锚杆，锚杆穿过所述围岩的松动层，插入到稳定的岩体中。
优选地，所述主坝内设置有横向和竖向交错布置呈“井”字型排列的工字钢；优选地，所述横向的工字钢伸入到所述强帮部内。
优选地，所述强帮部在主坝所在的位置留有钢筋结构，便于与主坝连接，整体浇筑形成整体强帮部。
优选地，所述主坝的厚度H与巷道宽度L之间的比值为0.1-0.3。
优选地，所述主坝中预留有应急观测孔。
有益效果：采用上述的技术方案后，(1)通过将主坝嵌入到上下围岩中，两侧强帮部嵌入煤柱坝体，使得人工挡水坝与周围煤柱坝体和围岩结合共同组成地下水库挡水坝，增强坝体整体的牢固程度、稳定性和安全性；(2)由于强帮部面积相对较大，增大其与煤柱坝体接触面积，既能够较为分散的分担帮部围岩的围岩压力，又相应减小煤柱坝体连接处局部压强，有效减少巷道煤柱坝体帮部岩体裂缝发展，降低连接处失稳破坏；(3)由于强帮部较长，能够有效阻断水库水的渗流路径，防止巷道两侧帮部薄弱部位渗水现象，确保坝体的稳定性和安全性；(4)加深强帮部在煤柱坝体中的嵌入深度，能进一步提高强帮部的稳定性，同时在更深的嵌入深度处，煤柱坝体渗透系数更小，岩体裂隙性更低，能够更加有效地阻隔渗流路径，降低水流的渗透；(5)两侧强帮部设置锚杆锚固于稳定的煤柱坝体中，能进一步提高两侧帮部的稳定性；(6)锚杆注浆能够形成阻渗区，能够进一步增强坝体两侧帮部的阻渗效果。
附图说明
图1是本发明第一实施方式强帮阻渗挡水坝的纵剖面结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是图1的B-B剖面图；
图4是图2的A区放大图；
图5是图2的A区第二种实施例放大图；
图6是本发明第二实施方式强帮阻渗挡水坝的纵剖面结构示意图；
图7是图6的A-A剖面图；
图8是图6的B-B剖面图；
图9是图7的B区放大图；
图10为本发明强帮部阻渗区示意图；
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。其中的附图标记表示：
1-主坝，2-强帮部，21-第一阻渗部，22-第二阻渗部，3-地下水库，4-巷道，5-煤柱坝体，6-锚杆，7-围岩，8-工字钢，H-主坝厚度，L-巷道宽度，h-强帮部厚度，S1-第一阻渗部长度，S2-第二阻渗部长度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
还需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
下面将结合附图进一步说明本发明的具体实施方法。
本发明中的“左”是指面向视图巷道纵向方向的左侧，“右”是指面向视图巷道纵向方向的右侧，“上”是指面向视图靠近巷道顶板的一侧，“下”是指面向视图靠近巷道底板的一侧。如图1、图2所示，煤矿地下水库3用于储存煤矿的地下水源，便于循环利用地下水资源。强帮阻渗挡水坝建设在巷道4左右两侧的煤柱坝体5之间，用于隔离地下水库3和巷道4，封堵地下水库3中的水源。
参见图2，图2中，H表示主坝1的厚度，L表示巷道4的宽度，h为强帮部的厚度，S1为强帮部在主坝厚度的基础上向内主坝内侧，也就是向地下水库一侧延伸的长度。
强帮阻渗挡水坝坝体包括主坝1，以及位于主坝左右两侧的强帮部2，主坝1与强帮部2整体浇筑，共同组成强帮阻渗挡水坝，所述强帮部为在主坝厚度H的基础上至少向地下水库3的一侧延伸S1长度形成，延伸的S1长度部分同时形成为第一阻渗部21，即强帮部的长度为主坝厚度H+S1。强帮部2嵌入到两侧煤柱坝体中，所述主坝和强帮部的上端嵌入巷道顶板围岩7中，主坝和强帮部的下端嵌入巷道底板围岩7中，参见图3。本发明的挡水坝将主坝嵌入到上下围岩中，同时在两侧设置强帮部并入煤柱坝体，由于上下围岩强度较高，使得人工挡水坝与周围煤柱坝体和围岩结合共同组成地下水库挡水坝，能够弥补由于两侧帮部薄弱而导致坝体整体强度和稳定性差的缺陷，增强坝体整体的牢固程度、稳定性和安全性。
本发明中强帮部延伸长度S1至少为50cm，优选80cm，并且根据需要可延伸达100cm，甚至200cm，通过在主坝厚度基础上至少向水库一侧设置足够长度的强帮部，获得较大面积的强帮部，增大其与煤柱坝体接触面积，既能够较为分散的分担帮部围岩的围岩压力，又相应减小煤柱坝体连接处局部压强，有效减少巷道煤柱坝体帮部岩体裂缝发展，降低连接处失稳破坏；同时，由于强帮部在主坝厚度基础上延伸一定长度，能够有效阻断水库水的渗流路径，对于即使不能阻断的渗流路径，也能通过改变水库水的流路而延长渗流路径，参见附图4，防止巷道两侧帮部薄弱部位渗水现象，确保坝体的稳定性和安全性。
本发明进一步在强帮部的第一阻渗部21的内壁设置有一层防渗层(图中未示出)，即在第一阻渗部21的地下水库一侧设置防渗层，如此进一步提高强帮部的阻渗效果。
再参见图1，本发明中主坝1为壁式，主坝1厚度为1.00m，主坝1为混凝土结构，具有较好的防渗性能，同时主坝1嵌入至上下围岩7中，加上混凝土本身的力学特性，增加了挡水坝的强度。
本发明中，优选地，主坝和强帮部的上端嵌入上围岩深度为50-100cm，主坝和强帮部的下端嵌入下围岩深度为50-100cm，但上下端的嵌入深度并不限于此，具体视上下围岩的质地、岩性以及隔水要求和坝体强度要求而定。
本发明强帮部为混凝土结构，厚度h优选为30-50cm，混凝土结构能够有效加强两侧帮部煤柱坝体5与人工坝体连接处薄弱点，提高部分挡水作用，同时对巷道两侧煤柱坝体形成一定支撑及强化作用。
应当说明的是，强帮部在主坝厚度基础上延伸长度不限于50cm，主坝混凝土结构厚度不限于1.00m，主坝厚度H与巷道宽度L之间的比值为0.1-0.3，优选0.18-0.20，在实际应用中，以地下水库储水技术参数为基础，来计算挡水坝的厚度及嵌入围岩深度等，形成较为安全的挡水坝。
参见图2，本发明中，强帮部2嵌入煤柱坝体的深度至少为50cm，优选为60-200cm，更优选为80-150cm，通过加深强帮部在煤柱坝体中的嵌入深度，能进一步提高强帮部的稳定性，同时在更深的嵌入深度处，煤柱坝体渗透系数更小，岩体裂隙性更低，能够更加有效地阻隔渗流路径，降低水流的渗透。
应当说明的是，强帮部2的厚度不限于30-50cm，强帮部在煤柱坝体的嵌入深度也不限于上述数值，实际工程中可以将强帮部的厚度与嵌入深度设计为相同，此时强帮部2内侧与巷道4内壁持平，能够得到更佳的结构外表，同时也便于施工作业。
继续参见图6-图9，公开了本发明强帮阻渗挡水坝的另一种实施方式，主要结构与第一种实施方式相同，不同之处在于强帮部2还包括在主坝1厚度的基础上向巷道4一侧延伸的S2长度部分，该部分同时形成为第二阻渗部22。通过在地下水库一侧第一阻渗部21的基础上在巷道一侧进一步设置第二阻渗部22，能够更加有效地阻隔水库水的渗流，即使有局部渗流水渗入煤柱坝体，也能被第二阻渗部22阻隔，形成第二道隔水屏障。
本发明中，第二阻渗部22的长度S2不超过第一阻渗部21的长度S1。
如图5，在不设置第二阻渗部22的情况下，即第二阻渗部22的长度S2＝0，可通过适当加长第一阻渗部21的长度，第一阻渗部21的长度S1可达到强帮部总长度的1/2、2/3甚至更多，以确保阻渗效果。
如图9，在设置第二阻渗部22的情况下，可适当缩短第一阻渗部21的长度，例如第一阻渗部21的长度S1可设计为强帮部总长度的1/3、2/5、1/2等，同时可使第一阻渗部21的长度与第二阻渗部22的长度S2相等，即S1＝S2，如此在确保阻渗效果的前提下，合理地节省工程量，降低工程成本。
需要说明的是，这里的第一阻渗部21、第二阻渗部22可以是强帮部的一部分，由强帮部向两侧延伸形成，也可以是与强帮部相互独立的部分，但在与强帮部接合处要做好密封防水处理，优选为强帮部的一部分，强帮部作为一个整体更能确保阻渗效果。
阻渗部可以与强帮部采用同样的混凝土结构一体形成，也可以采用具有特殊性能的混凝土，例如抗渗混凝土。
参见图2、图3、图7、图8，强帮部2嵌入煤柱坝体5部分与煤柱坝体连接处在坝体高度方向上插入多组锚杆6，锚杆穿过所述煤柱坝体的松动层，插入到稳定的煤柱坝体中。
具体的，主坝1两侧强帮部与煤柱坝体5之间嵌入部设有4组锚杆，4组锚杆均匀间隔排布，可以每隔50cm设置一组锚杆6。锚杆6的数量还可以为每组三根及以上，其中一根垂直于强帮部，另外两根与强帮部水平方向呈45°角对称分布。可进一步对锚杆进行注浆，如此既能够提高煤柱坝体的强度，防止裂隙破坏，又能够在注浆后形成稳定密实的阻渗区Are，参见图10，有效阻止水从强帮部与煤柱坝体交接处渗流。
锚杆6的长度为1.8-2.5m，锚杆6插入稳定的煤柱坝体5的深度为1.5-2.0m。同时锚杆6要保证垂直，以保证具有较好的稳定性。锚杆6可由钢筋支撑，起到连接挡水坝与煤柱坝体5的作用，进一步增强了挡水坝的强度。
作为本发明的一种具体实施方式，主坝1上部与围岩7连接处设有掏槽，嵌入顶板围岩部分与顶板围岩连接处插入多根锚杆6，锚杆6的长度为1.8-2.5m，多根锚杆6间隔排布，可以每隔50cm设置一根锚杆6，锚杆穿过所述围岩的松动层，插入到稳定的岩体中；所述主坝下部嵌入底板围岩部分与底板围岩连接处插入多根锚杆，锚杆穿过所述围岩的松动层，插入到稳定的岩体中，
锚杆6穿过围岩7的松动层后，插入到稳定的岩体层中(图未示)。岩体层的质地较为致密，锚杆6插入岩体层后，有利于提升主坝1与围岩7的连接稳定性。较佳地，锚杆6插入稳定岩体层的深度为1.5-2.0m。
如图3、图8所示，主坝1中还设有横向和竖向交错布置的工字钢8，工字钢8呈“井”字型，形成在整个主坝1中，竖向工字钢8的长度等于主坝1的高度，横向工字钢8的长度至少等于主坝1的宽度，也可连通伸入强帮部2内。工字钢可以增强挡水坝的整体强度，足够抵挡地下水库水压。工字钢8还可以形成其他形状，例如，配合加入钢筋网交叉形成在混凝土主板中。
较佳地，强帮部2可预先浇筑，留设钢筋接口，便于与主坝连接，整体浇筑形成整体强帮部。
本实施例中，主坝的横截面为矩形。
较佳地，在主坝1下部与底板围岩7连接位置提前掏槽，可提前预加数组锚杆6，增高下部围岩和挡水坝的整体稳定性和强度，参见图3、图8。
较佳地，主坝1中均预留有应急观测孔(图中未示)。为防止库内水压突增对地下水库安全运行产生影响，在挡水坝合适位置设置应急观测孔。作用包括：一是利用该孔对库内水压水位和水质进行观测取样检测；二是利用阀门，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。
至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (18)
1.一种煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，位于巷道左右两侧的煤柱坝体之间，用于隔离地下水库和巷道，封堵地下水库中的水源，其特征在于：所述强帮阻渗挡水坝坝体包括主坝，以及位于主坝左右两侧的强帮部，所述强帮部包括在主坝厚度的基础上至少向地下水库的一侧延伸S1长度而形成的第一阻渗部，所述强帮部嵌入到两侧煤柱坝体中，主坝和强帮部的上端嵌入巷道顶板围岩中，主坝和强帮部的下端嵌入巷道底板围岩中。
2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述主坝和强帮部的上端嵌入上围岩深度为50-100cm；和/或，所述主坝和强帮部的下端嵌入下围岩深度为50-100cm。
3.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述强帮部内侧与巷道内壁持平。
4.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述第一阻渗部的内壁设置有一层防渗层。
5.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述强帮部为厚度30-50cm的混凝土结构。
6.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述强帮部嵌入煤柱坝体的深度至少为50cm。
7.根据权利要求6所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述强帮部嵌入煤柱坝体的深度为60-200cm。
8.根据权利要求7所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述强帮部嵌入煤柱坝体的深度为80-150cm。
9.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述第一阻渗部的长度S1至少为50cm。
10.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述强帮部还包括在主坝厚度的基础上向巷道一侧延伸S2长度而形成的第二阻渗部，坝体横截面呈横向工字型。
11.根据权利要求10所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述第二阻渗部的长度S2不超过所述第一阻渗部的长度S1。
12.根据权利要求1-11任一项所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述强帮部嵌入煤柱坝体部分与煤柱坝体连接处在坝体高度方向上插入多组锚杆，锚杆穿过所述煤柱坝体的松动层，插入到稳定的煤柱坝体中。
13.根据权利要求12所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，每组锚杆有3根，其中一根垂直于强帮部，另外两根与强帮部水平方向呈45°角对称分布，如此在注浆后形成稳定密实的阻渗区。
14.根据权利要求12所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述主坝上部嵌入顶板围岩部分与顶板围岩连接处插入多根锚杆，锚杆穿过所述围岩的松动层，插入到稳定的岩体中。
15.根据权利要求12所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述主坝下部嵌入底板围岩部分与底板围岩连接处插入多根锚杆，锚杆穿过所述围岩的松动层，插入到稳定的岩体中。
16.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述主坝内设置有横向和竖向交错布置呈“井”字型排列的工字钢。
17.根据权利要求16所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述横向的工字钢伸入到所述强帮部内。
18.根据权利要求1所述的煤矿地下水库强帮阻渗挡水坝，其特征在于，所述强帮部在主坝所在的位置留有钢筋结构，便于与主坝连接，整体浇筑形成整体强帮部。
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