CN109826667B - 煤矿地下水库工字型挡水坝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿地下水库工字型挡水坝，所述工字型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，从上至下包括上翼板、腹板和下翼板，坝体立面上呈“工”字型，上翼板伸入巷道顶板，腹板两端嵌入煤柱坝体内，下翼板伸入底板。由于工字型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工字型挡水坝上部薄弱部渗水现象，同时减小了坝体对巷道底板的冲切应力，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工字型挡水坝。
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挡水坝，以壁式挡水坝为主，在实际使用中，在挡水坝承受较大围岩压力时，坝体对上部围岩以及底板都会产生较大的压力，在这种较大压力作用下，容易造成相应的裂隙增加或者局部失稳破坏，通常是坝体上部出现顶板垮落以及渗水现象，底板隆起产生不均匀沉降，对实际安全使用造成一定影响。
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。该专利还进一步在坝体四周设置锚杆。虽然该专利对煤矿地下水库的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，并未考虑坝体与顶板和底板交接处局部薄弱问题，更未提出任何处理手段。
因此，在现有情况下，设计一种坝体，以克服煤巷顶板薄弱易垮塌，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工字型挡水坝，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技术的不足，提供一种坝体直接受力小，同时能够克服煤巷顶板薄弱部，以及减少底板局部受力过大，提高整体地下水库安全性的工字型挡水坝。
一种煤矿地下水库工字型挡水坝，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，所述工字型挡水坝坝体从上至下依次包括上翼板、腹板和下翼板，坝体垂直于坝面的竖向截面呈“工”字型，上翼板、腹板和下翼板的左右两端嵌入到煤柱坝体中，上翼板嵌入到巷道顶板围岩中，下翼板嵌入到巷道底板围岩中。
优选地，所述上翼板在腹板的长度和厚度基础上向四周延伸形成上翼板；和/或，所述下翼板在腹板的长度和厚度基础上向四周延伸形成下翼板；优选延伸至少50cm。
优选地，所述上翼板下表面与巷道顶板持平；和/或，所述下翼板上表面与巷道底板持平；优选上翼板、下翼板为厚度30-50cm的混凝土结构。
优选地，所述上翼板嵌入顶板围岩深度为50-100cm；和/或，所述下翼板嵌入底板围岩深度为50-100cm。
优选地，所述上翼板嵌入顶板围岩部分与顶板围岩之间的连接处在坝体宽度方向上设有多组锚杆，锚杆穿过所述顶板围岩的松动层，插入到稳定的岩体中；优选地，每组锚杆有3根，其中一根垂直于上翼板，另外两根与上翼板水平方向呈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，所述下翼板嵌入底板围岩部分与底板围岩之间的连接处在坝体宽度方向上设有多组锚杆，锚杆穿过所述底板围岩的松动层，插入到稳定的岩体中；优选地，每组锚杆有3根，其中一根垂直于下翼板，另外两根与下翼板水平方向呈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，所述腹板两侧帮部嵌入部分与煤柱坝体之间的连接处在坝体高度方向上插入多排锚杆，每一排锚杆垂直于煤柱坝体设置，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，所述腹板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，所述竖向的工字钢伸入到所述上、下翼板内。
优选地，所述下翼板在腹板所在的位置留有钢筋结构，便于与腹板连接，整体浇筑形成整体下翼板。
优选地，所述腹板向地下水库一侧还依次设置有防渗层、支撑层，腹板和防渗层、支撑层构成多层坝体结构的工字型挡水坝；优选地，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；优选地，所述支撑层为厚度1.5-2.0m的砖混结构层；优选地，所述支撑层、防渗层和腹板每层结构层之间涂抹有防水层。
优选地，所述工字型挡水坝的腹板厚度与巷道宽度之间的比值为0.1-0.3。
优选地，所述支撑层、防渗层和腹板每层结构层之间设置有管道口及应急观测孔。
有益效果：采用上述的技术方案后，(1)通过在腹板的下部增设下翼板，下翼板底面积大，故可减小基底压强，同时也可提高基底承载力，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；(2)通过在腹板的上部增设上翼板，上翼板面积相对较大，能够较为分散的分担上部围岩的围岩压力，减小上部围岩的应力集中，相应减小上部围岩连接处局部压强，有效减少上部围岩裂缝发展，提高安全性；(3)通过将上翼板、腹板和下翼板的左右两端嵌入到煤柱坝体中，上翼板嵌入到巷道顶板围岩中，下翼板嵌入到巷道底板围岩中，使得工字型挡水坝与周围煤柱坝体以及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；(4)相对于仅设置腹板而言，上、下翼板具有更长的长度和更宽的宽度，能够有效阻断水库水经由上、下围岩的渗流路径，防止上、下围岩薄弱部位渗水现象，确保坝体的稳定性和安全性；(5)加深上、下翼板在围岩中的嵌入深度，能进一步提高上、下翼板的稳定性，同时在更深的嵌入深度处，围岩的渗透系数更小，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；(6)上、下翼板以及腹板两侧设置锚杆锚固于稳定的围岩和煤柱坝体中，能进一步提高围岩和两侧帮部的稳定性；(7)锚杆注浆能够形成阻渗区，能够进一步增强下翼板基底的阻渗效果。
附图说明
图1是本发明实例煤矿地下水库工字型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为本发明下翼板阻渗区示意图；
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-腹板，2-下翼板，3-上翼板，4-巷道，5-地下水库，6-锚杆，7-围岩，8-煤柱坝体，9-工字钢，H-腹板厚度，L1-腹板宽度，L2-巷道宽度，S1-翼板在腹板长度基础上的延伸长度，S2-翼板在腹板宽度基础上的延伸宽度，Are-阻渗区。
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。
如图1、图2所示，煤矿地下水库5用于储存煤矿的地下水源，便于循环利用地下水资源。工字型挡水坝建设在巷道左右两侧的煤柱坝体8之间，用于隔离地下水库5和巷道4，封堵地下水库5中的水源。
本发明中的“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。参见图1、图2，图中，H表示腹板1的厚度，L1表示腹板1的宽度，L2表示巷道4的宽度，S1为翼板在腹板长度基础上延伸的长度，S2为翼板在腹板宽度基础上延伸的宽度，即腹板长度实际为L1+2*S1，腹板宽度为H+2*S2。
工字型挡水坝垂直于坝面的竖向截面呈“工”字型，坝体从上至下包括上翼板3、腹板1和下翼板2，上翼板3、腹板1和下翼板2整体浇筑。腹板1为壁式，腹板1的左右两侧伸入到煤柱坝体8中。本实施例中，腹板1的厚度为1.00m。工字型挡水坝受到来自围岩压力及自身重力作用，本发明通过在腹板的下部增设下翼板2，作为工字型挡水坝的下部基础，围岩压力及自身重力施加在坝体下部下翼板2上，下翼板由腹板的长宽基础上延伸形成，下翼板底面积大，故可减小基底压强，避免局部压力过大，同时也可提高基底承载力，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。
参见图1，下翼板2伸入到巷道底板围岩7中，下翼板2为厚度30-50cm的混凝土结构，较佳地，下翼板2伸入巷道底板自身厚度，即下翼板2上表面与巷道底板持平。下翼板2为混凝土结构，可提高地基的承载力，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。
另由于工字型挡水坝带有上翼板3，上翼板由腹板的长宽基础上延伸形成，上翼板面积相对较大，能够较为分散的分担上部围岩的围岩压力，有效减小了围岩上部出现的应力集中现象，同时能够降低巷道顶板的局部压力，避免局部压力过大，减低裂缝发展，进一步提高了安全性。
上翼板3伸入到巷道顶板围岩7中，上翼板3为厚度30-50cm的混凝土结构，较佳地，上翼板3伸入巷道顶板自身厚度，即上翼板3下表面与巷道顶板持平。上翼板3为混凝土结构，能够加强上部围岩与坝体连接处薄弱点，提高部分挡水作用，防止水流从连接处薄弱点流过，并对上方围岩7形成一定支撑及强化作用。
由于将上翼板、腹板和下翼板的左右两端嵌入到煤柱坝体中，上翼板嵌入到巷道顶板围岩中，下翼板嵌入到巷道底板围岩中，使得工字型挡水坝与周围煤柱坝体以及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。
本实施例中，上翼板3在腹板1长宽基础上每方向延伸至少50cm形成上翼板3最终尺寸，下翼板2在腹板1长宽基础上每方向延伸至少50cm形成下翼板2最终尺寸，即S1＝50cm，S2＝50cm，从而工字型挡水坝的坝体在立面上也呈“工”字型。如此，相对于仅设置腹板而言，上、下翼板具有更长的长度和更宽的宽度，能够有效阻断水库水经由腹板与上、下围岩连接处的渗流路径，防止上、下围岩薄弱部位渗水现象，确保坝体的稳定性和安全性。
腹板1本身具有较好的防渗性能，同时腹板1嵌入至周围的煤柱坝体8中，加上混凝土本身的力学特性，增加了工字型挡水坝的强度。
应当说明的是，工字型挡水坝上翼板、下翼板厚度不限于30cm，上翼板、下翼板在腹板长宽基础上延伸长度不限于50cm，腹板混凝土结构厚度不限于1.00m。
参见图2，图2是图1的A-A剖面图，本发明煤矿地下水库工字型挡水坝水平截面示意图，图2中，H表示腹板1的厚度，L2表示巷道5的宽度，腹板厚度H与巷道宽度L2之间的比值为0.1-0.3，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，来计算工字型挡水坝的厚度及嵌入围岩深度等，形成较为安全的工字型挡水坝。
参见图1、图3，上翼板3嵌入顶板围岩深度优选为50-100cm，下翼板2嵌入底板围岩深度为50-100cm。通过加深上、下翼板在围岩中的嵌入深度，能进一步提高上、下翼板的稳定性，同时在更深的嵌入深度处，围岩的渗透系数更小，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。
参见附图1，上翼板3伸入围岩7之间嵌入部也设有3组锚杆6，锚杆6的数量还可以为每组三根及以上，多根锚杆6间隔排布，可以每隔50cm设置一根锚杆6，其中一根垂直于上翼板，另外两根与上翼板水平方向呈45°角对称分布。锚杆6的长度为1.8-2.5m。较佳地，锚杆6插入岩体层的厚度为1.5-2.0m。
进一步参见图4，下翼板2伸入围岩7之间嵌入部也设有3组锚杆6，锚杆6的数量还可以为每组三根及以上，多根锚杆6间隔排布，可以每隔50cm设置一根锚杆6，其中一根垂直于下翼板，另外两根与下翼板水平方向呈45°角对称分布，如此既能够提高基底围岩的抗压强度，防止裂隙失稳破坏，又能够在注浆后形成稳定密实的阻渗区Are，有效阻止水从下翼板与围岩交接处渗流。锚杆6的长度为1.8-2.5m。较佳地，锚杆6插入岩体层的厚度为1.5-2.0m。
锚杆6穿过煤柱坝体8和围岩7的松动层后，在插入到岩体层中(图未示)。岩体层的质地较为致密，锚杆6插入岩体层后，有利于提升工字型挡水坝1与煤柱坝体3及围岩7的连接稳定性。
腹板1两端伸入煤柱坝体8，上翼板3、下翼板2伸入围岩7中，并在腹板1两端嵌入部分安装锚杆6，嵌入岩体保证安全性。
再参见图3，图3是图1的B-B剖面图，本发明煤矿地下水库工字型挡水坝竖向截面示意图，图3中，腹板1两端嵌入煤柱坝体8的深度为50-100cm。具体的，腹板1两端帮部与煤柱坝体8之间嵌入部均设有3根锚杆6，锚杆6的数量还可以为三根及以上，多根锚杆6间隔排布，可以每隔50cm设置一根锚杆6。锚杆6的长度为1.8-2.5m，锚杆6插入稳定的煤柱坝体8的厚度为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，起到连接工字型挡水坝坝体与煤柱坝体8的作用，进一步增强了工字型挡水坝的强度。
进一步地，如图3所示，腹板1中还设有横向和纵向的工字钢9，工字钢9呈“井”字型布置，形成在整个腹板1中，纵向工字钢9的长度等于腹板1的高度，纵向工字钢也可进一步伸入上下腹板中，横向工字钢9的长度等于腹板1的宽度。工字钢可以增强工字型挡水坝的整体强度，足够抵挡地下水库水压。较佳地，工字钢9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腹板中。
本实施例中，工字型挡水坝的横截面为矩形。
较佳地，下翼板4在腹板1所在的位置留有钢筋结构，便于与上部腹板连接，从而实现整体浇筑。
本实施例中，腹板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，在工字型挡水坝合适位置设置应急观测孔，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，保障阀门能够在达到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工字型挡水坝，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：所述工字型挡水坝坝体从上至下依次包括上翼板、腹板和下翼板，坝体的垂直于坝面的竖向截面呈“工”字型，上翼板、腹板和下翼板的左右两端嵌入到煤柱坝体中，上翼板嵌入到巷道顶板围岩中，下翼板嵌入到巷道底板围岩中。
2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述上翼板在腹板的长度和厚度基础上向四周延伸形成上翼板；和/或，所述下翼板在腹板的长度和厚度基础上向四周延伸形成下翼板。
3.根据权利要求2所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述上翼板和/或所述下翼板延伸至少50cm。
4.根据权利要求1所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述上翼板下表面与巷道顶板持平；和/或，所述下翼板上表面与巷道底板持平。
5.根据权利要求4所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述上翼板和下翼板为厚度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工字型挡水坝，其特征在于，所述上翼板嵌入顶板围岩深度为50-100cm；和/或，所述下翼板嵌入底板围岩深度为50-100cm。
7.根据权利要求1所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述上翼板嵌入顶板围岩部分与顶板围岩之间的连接处在坝体宽度方向上设有多组锚杆，锚杆穿过所述顶板围岩的松动层，插入到稳定的岩体中。
8.根据权利要求7所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，每组所述锚杆有3根，其中一根垂直于上翼板，另外两根与上翼板水平方向呈45°角对称分布，如此在注浆后形成稳定密实的阻渗区。
9.根据权利要求1所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述下翼板嵌入底板围岩部分与底板围岩之间的连接处在坝体宽度方向上设有多组锚杆，锚杆穿过所述底板围岩的松动层，插入到稳定的岩体中。
10.根据权利要求9所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，每组所述锚杆有3根，其中一根垂直于下翼板，另外两根与下翼板水平方向呈45°角对称分布，如此在注浆后形成稳定密实的阻渗区。
11.根据权利要求1所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述腹板两侧帮部嵌入部分与煤柱坝体之间的连接处在坝体高度方向上插入多排锚杆，每一排锚杆垂直于煤柱坝体设置，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。
12.根据权利要求1所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述腹板内设置有横向和竖向交错布置呈“井”字型排列的工字钢。
13.根据权利要求12所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述竖向的工字钢伸入到所述上翼板和下翼板内。
14.根据权利要求1所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述下翼板在腹板所在的位置留有钢筋结构，便于与腹板连接，整体浇筑形成整体下翼板。
15.根据权利要求1所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述腹板向地下水库一侧还依次设置有防渗层、支撑层，腹板和防渗层、支撑层构成多层坝体结构的工字型挡水坝。
16.根据权利要求15所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述防渗层为厚度1.5-2.5m的砾石结构层或黄土结构层。
17.根据权利要求15所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述支撑层为厚度1.5-2.0m的砖混结构层。
18.根据权利要求15所述的煤矿地下水库工字型挡水坝，其特征在于，所述支撑层、防渗层和腹板每层结构层之间涂抹有防水层。
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