CN115710881B - 一种地下水库人工坝体选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下水库人工坝体的选型方法。包括以下步骤：对所述地下水库进行勘察，确定地下水库煤柱坝体、联络巷等空间结构；对地下水库煤柱坝体进行空间网格化划分，在划分的网格点处，合理钻探，取得煤柱样品，并在煤柱联络巷两侧缩小网格区间，重点取样；对地下水库煤柱样品进行实验室试验，获取煤柱样品具体参数；根据地下水库实际结构情况进行数值模拟，确定安全系数；根据数值模拟结果，并考虑安全性和成本，确定出该地下水库最适用的人工坝体类型；确定最适用的人工坝体类型，对人工坝体和周围煤柱进行加固。本发明降低了坝体易损坏、渗水的缺陷，达到节约成本、加快施工速度的要求，提高了地下水库长期安全运行的可行性。

Description

一种地下水库人工坝体选型方法

技术领域

本发明涉及地下水库建设技术领域，特别涉及一种地下水库人工坝体选型方法。

背景技术

煤矿地下水库是通过构筑人工坝体将不连续的煤柱坝体连接起来，形成地下水库坝体，利用采空区岩体间的自由空隙来进行储水，能够有效的对水资源进行保护和利用。

煤矿地下水库储水量大，而人工坝体的构筑是一项核心技术，其稳定性受众多因素的影响，包括坝体库内水压、上覆岩层压力、采动应力、地震和矿震等众多非线性力的复合作用，其安全是地下水库正常运行的前提，因此人工坝体的合适选型对地下水库的安全、稳定运行十分重要。

人工坝体的结构一般为平板型，当输入的振动荷载与坝体墙面垂直时，平板型人工坝体内会产生较大的剪切应力，结构一般会发生剪切破坏。近年来提出了新型煤矿地下水库拱型人工坝体，其凸面朝向地下水库，其优点是在矿震中，由于拱的作用，使得煤柱对人工坝体的反作用力中产生了部分压应力，避免了混凝土坝体只承受较大的剪力，减少了坝体内的剪切应力和拉应力，降低了人工坝体的厚度，节约成本，也使得人工坝体在矿震作用下更加稳定安全；其缺点是，现有的防渗方法对拱型人工坝体的适用性不强，且施工方面比平板型人工坝体较复杂。因此本专利提供了多种新型人工坝体：防渗平板腋角型人工坝体、梯型人工坝体、防渗梯型人工坝体和防渗拱型人工坝体来解决此类问题。

因此研究一种地下水库人工坝体选型方法，根据实际情况选出最适合运用在地下水库中的人工坝体，并提高坝体结构强度和稳定性，降低坝体易损坏、渗水的缺陷，达到节约成本、加快施工速度的要求，以此来解决问题，是十分有必要的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明解决上述问题的技术方案是：一种地下水库人工坝体选型方法，包括以下步骤：

a.对所述地下水库进行勘察，确定地下水库煤柱坝体、联络巷等空间结构。

b.根据实际情况，对地下水库煤柱坝体进行空间网格化划分：

地下水库煤柱坝体的水平位置划分为长25m、宽15m的网格单元；

地下水库的纵向位置划分为：

当地下水库煤柱坝体的高度小于6m时，以地下水库中心为分割点，将地下水库分为上下两部分，以地下水库煤柱的上、下中心位置作为划分的网格点；

当地下水库煤柱的高度大于6m时，每隔3m划分为纵向网格点。

在煤柱联络巷两帮缩小网格区间，重点取样：在相邻联络巷的单元体，缩小网格区间为长5m、宽2.5m的网格单元。

在划分的空间网格点处，合理钻探，取得煤柱样品。

c.对地下水库煤柱样品进行实验室试验，获取煤柱样品具体参数：经单轴压缩实验获取联络巷两帮煤柱样品的抗压强度σ，该煤层整体煤样的抗压强度均值为σ_n；由角模压剪实验获取联络巷两帮煤柱样品的岩石粘聚力C，该煤层整体煤样的粘聚力均值为C_n。

d.实地测量地下水库的联络巷宽度l，高度为h，地下水库水位为H，根据实际现场勘测，测得人工坝体两帮所受的力σ₁、上方所受的力σ₂，当水位H等于联络巷高度h时，水压力为σ₃。

对不同厚度的平板型、梯型和拱型三种坝体进行数值模拟，按实际情况预设应力值σ₁、σ₂和σ₃。根据数值模拟结果，分析剪切应变云图，三类人工坝体于应力集中区的剪切应变最大值为τ_max，混凝土的抗剪强度为τ_s，设立安全系数n为：

当n等于1.2时，认为该类型人工坝体符合强度标准，记下此时三种类型坝体的厚度为μ₁、μ₂、μ₃。

e.人工坝体可分为以下类型：平板型人工坝体、防渗平板型人工坝体、防渗平板腋角型人工坝体、梯型人工坝体、防渗梯型人工坝体、拱型人工坝体和防渗拱型人工坝体。地下水库各类型人工坝体尺寸为：

平板型人工坝体、防渗平板型人工坝体、防渗平板腋角型人工坝体、梯型人工坝体、防渗梯型人工坝体的长为1.2l，高为1.1h；

腋角高为0.4h，底座长为0.4h，宽为0.1l；

拱型人工坝体、防渗拱型人工坝体的外径为R₁＝1.1r₁，θ＝120°；

在实际工程中，浇筑人工坝体和腋角的材料均为钢筋混凝土，各尺寸可根据实际情况适当调整。

f.防渗帷幕紧贴于地下水库人工坝体后侧，为单层煤矸石实心砖，尺寸为 240mm×115mm×53mm，防渗帷幕用来降低地下水库人工坝体周围的渗透压力和渗透量。三类人工坝体防水帷幕搭建标准为：

当

时，此时平板型、梯型、拱型人工坝体不需要搭建防水帷幕；

当

时，此时平板型、梯型、拱型人工坝体需要紧贴地下水库人工坝体搭建防水帷幕；

当

时，此时需根据实际情况，在搭建防水帷幕后，平板型、梯型、拱型人工坝体还需增加相应数量的腋角。

h.根据实际情况和数值模拟数据，平板型、梯型、拱型三种人工坝体在符合强度的条件下，计算在不同厚度和类型时坝体整体造价，选择所需造价最低的人工坝体作为选型结果，降低成本。

i.在实际工程的装配过程中，在浇筑钢筋混凝土人工坝体前，应在煤柱两侧以及联络巷底部，经计算预留出适合安装不同类型人工坝体的卡槽，尽量保证卡槽周围煤岩体完整。

j.在人工坝体装配完成后，使用倒楔式金属锚杆进行加固，倒楔式金属锚杆长度不得小于人工坝体厚度的1.5倍。

当

时，在联络巷的两侧，人工坝体与煤柱处，每侧均匀布置2根倒楔式金属锚杆，锚杆沿纵向打入，斜向穿过人工坝体，与煤柱固定。在联络巷的底部卡槽，均匀布置2根倒楔式金属锚杆，锚杆沿纵向打入，锚杆斜向穿过人工坝体，与煤柱固定；

当

时，在联络巷的两侧，人工坝体与煤柱处，每侧均匀布置4根倒楔式金属锚杆，锚杆沿纵向交叉打入，斜向穿过人工坝体，与煤柱固定。在联络巷的底部卡槽，均匀布置4根倒楔式金属锚杆，锚杆沿纵向交叉打入，锚杆斜向穿过人工坝体，与煤柱固定。

在人工坝体装配完成之后，在人工坝体底部的卡槽、联络巷两侧的卡槽和锚杆的连接处涂抹防水凝胶，提高人工坝体与煤柱连接处的密封，降低周围渗透量。

附图说明

图1是本发明实施例中一种地下水库人工坝体选型方法的流程图；

图2是本发明实施例中该地下水库整体示意图；

图3是本发明实施例中平板型人工坝体示意图；

图4是本发明实施例中防渗平板型人工坝体示意图；

图5是本发明实施例中防渗平板腋角型人工坝体示意图；

图6是本发明实施例中梯型人工坝体示意图；

图7是本发明实施例中防渗梯型人工坝体示意图；

图8是本发明实施例中拱型人工坝体示意图；

图9是本发明实施例中防渗拱型人工坝体示意图；

图10是本发明实施例中平板型人工坝体装配倒楔式金属锚杆俯视图；

图11是本发明实施例中平板型人工坝体装配倒楔式金属锚杆主视图；

图12是本发明实施例中平板型人工坝体装配倒楔式金属锚杆侧视图。

图中：煤柱坝体1、地下水库人工坝体2、联络巷3、卡槽4、平板型人工坝体5、防渗帷幕6、腋角7、梯型人工坝体8、拱型人工坝体9、倒楔式金属锚杆10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，如图1所示，以某矿区的人工坝体工程来具体说明本发明的施工工艺流程。

一种地下水库人工坝体选型方法，包括以下步骤：

a.如图2所示，对所述地下水库进行勘察，确定地下水库煤柱坝体、联络巷3等空间结构。

b.根据地下水库实际情况，对地下水库煤柱坝体1进行空间网格化划分：

地下水库煤柱坝体的水平位置划分为长25m、宽15m的网格单元；

地下水库的纵向位置划分为：

当地下水库煤柱坝体的高度小于6m时，以地下水库中心为分割点，将地下水库分为上下两部分，以地下水库煤柱的上、下中心位置作为划分的网格点；

当地下水库煤柱的高度大于6m时，每隔3m划分为纵向网格点。

在煤柱联络巷3两帮缩小网格区间，重点取样：在相邻联络巷3的单元体，缩小网格区间为长5m、宽2.5m的网格单元。

在划分的空间网格点处，合理钻探，取得煤柱样品。

c.对地下水库煤柱样品进行实验室试验，获取煤柱样品具体参数：经单轴压缩实验获取联络巷两帮煤柱样品的抗压强度σ，该煤层整体煤样的抗压强度均值为σ_n；由角模压剪实验获取联络巷两帮煤柱样品的岩石粘聚力C，该煤层整体煤样的粘聚力均值为C_n。

d.实地测量地下水库的联络巷宽度l，高度为h，地下水库水位为H，根据实际现场勘测，测得人工坝体两帮所受的力σ₁、上方所受的力σ₂，当水位H等于联络巷高度h时，水压力为σ₃。

对不同厚度的平板型、梯型和拱型三种坝体进行数值模拟，按实际情况预设应力值σ₁、σ₂和σ₃。根据数值模拟结果，分析剪切应变云图，三类人工坝体于应力集中区的剪切应变最大值为τ_max，混凝土的抗剪强度为τ_s，设立安全系数n为：

当n等于1.2时，认为该类型人工坝体符合强度标准，记下此时三种类型坝体的厚度为μ₁、μ₂、μ₃。

e.如图3至图8所示，人工坝体可分为以下类型：平板型人工坝体5、防渗平板型人工坝体、防渗平板腋角型人工坝体、梯型人工坝体8、防渗梯型人工坝体、拱型人工坝体9和防渗拱型人工坝体。地下水库各类型人工坝体尺寸为：

平板型人工坝体、防渗平板型人工坝体、防渗平板腋角型人工坝体、梯型人工坝体、防渗梯型人工坝体的长为1.2l，高为1.1h；

腋角高为0.4h，底座长为0.4h，宽为0.1l；

拱型人工坝体、防渗拱型人工坝体的外径为R₁＝1.1r₁，θ＝120°；

在实际工程中，若联络巷3宽度和高度差异过大，可适当调整地下水库人工坝体2尺寸。

f.在实际工程中，浇筑人工坝体和腋角的材料均为C40钢筋混凝土。

g.如图4、图5、图7、图9所示，防渗帷幕6紧贴于地下水库人工坝体后侧，为单层煤矸石实心砖，尺寸为240mm×115mm×53mm，防渗帷幕用来降低地下水库人工坝体周围的渗透压力和渗透量。

h.三类人工坝体防水帷幕搭建标准为：

当

时，此时平板型、梯型、拱型人工坝体不需要搭建防水帷幕。

当

时，此时平板型、梯型、拱型人工坝体需要紧贴地下水库人工坝体搭建防水帷幕。

当

时，此时需根据实际情况，在搭建防水帷幕后，平板型、梯型、拱型人工坝体还需增加相应数量的腋角。

i.根据实际情况和数值模拟数据，平板型、梯型、拱型三种人工坝体在符合强度的条件下，计算在不同厚度和类型时坝体整体造价，选择所需造价最低的人工坝体作为选型结果，降低成本。

j.在实际工程的装配过程中，在浇筑钢筋混凝土人工坝体前，应在煤柱两侧以及联络巷 3底部，经计算预留出适合安装不同类型人工坝体的卡槽4，尽量保证卡槽4周围煤岩体完整。

k.选型后依照卡槽4位置，预设钢筋，使用C40混凝土浇筑人工坝体和腋角7。

l.在人工坝体装配完成后，使用倒楔式金属锚杆10进行加固，倒楔式金属锚杆10长度大于人工坝体厚度的1.5倍。

m.人工坝体锚杆加固标准为：

当

时，在联络巷3的两侧，人工坝体与煤柱处，每侧均匀布置2根倒楔式金属锚杆10，锚杆沿纵向打入，斜向穿过人工坝体，与煤柱固定。在联络巷3的底部卡槽，均匀布置2根倒楔式金属锚杆10，锚杆沿纵向打入，锚杆斜向穿过人工坝体，与煤柱固定。

当

时，在联络巷3的两侧，人工坝体与煤柱处，每侧均匀布置4根倒楔式金属锚杆10，锚杆沿纵向交叉打入，斜向穿过人工坝体，与煤柱固定。在联络巷3的底部卡槽，均匀布置4根倒楔式金属锚杆10，锚杆沿纵向交叉打入，锚杆斜向穿过人工坝体，与煤柱固定。

n.在人工坝体装配完成之后，在人工坝体底部的卡槽4、联络巷3两侧的卡槽4和锚杆的连接处涂抹防水凝胶，提高人工坝体与煤柱连接处的密封，降低周围渗透量。并在卡槽4、锚杆孔洞处注浆，增强锚杆的耐腐蚀性。

o.整体施工完成后，对每一个施工步骤重新检查，确保无误。

本发明根据实际情况选出最适合运用在地下水库中的人工坝体，并提高坝体结构强度和稳定性，降低坝体易损坏、渗水的缺陷，达到节约成本、加快施工速度的要求，提高了地下水库长期安全运行的可行性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同型式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种地下水库人工坝体选型方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.对所述地下水库进行勘察，确定地下水库煤柱坝体、联络巷空间结构；

b.对地下水库煤柱坝体进行空间网格化划分，根据实际情况，在划分的网格点处，合理钻探，取得煤柱样品，并在煤柱联络巷两侧缩小网格区间，重点取样；

c.对地下水库煤柱样品进行实验室试验，获取煤柱样品具体参数：经单轴压缩实验获取联络巷两帮煤柱样品的抗压强度σ，该煤层整体煤样的抗压强度均值为σ_n；由角模压剪实验获取联络巷两帮煤柱样品的岩石粘聚力C，该煤层整体煤样的粘聚力均值为C_n；

d.根据地下水库实际结构情况进行数值模拟，确定安全系数：实地测量地下水库的联络巷宽度l，高度为h，地下水库水位为H，根据实际现场勘测，测得人工坝体两帮所受的应力σ₁、上方所受的应力σ₂，当水位H等于联络巷高度h时，应力为σ₃；对不同厚度的平板型、梯型和拱型三种坝体进行数值模拟，按实际情况预设应力值σ₁、σ₂和σ₃；根据数值模拟结果，分析剪切应变云图，三类人工坝体于应力集中区的剪切应变最大值为τ_max，混凝土的抗剪强度为τ_s，设立安全系数n为：

当n等于1.2时，认为该类型人工坝体符合强度标准，记下此时三种类型坝体的厚度为μ₁、μ₂、μ₃；

e.根据数值模拟结果，并考虑安全性和成本，确定出该地下水库最适用的人工坝体类型；

f.确定地下水库最适用的人工坝体类型后，对人工坝体和周围煤柱进行加固，保证地下水库长期稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种地下水库人工坝体选型方法，其特征在于，所述步骤b中根据实际情况，地下水库煤柱坝体空间网格化划分为25m×15m×3m的网格单元，可根据煤柱高度适当调整；在煤柱联络巷两帮缩小网格区间，重点取样，在相邻联络巷的单元体，缩小网格区间为5m×2.5m；在划分的空间网格点处，合理钻探，取得煤柱样品。

3.根据权利要求1所述的一种地下水库人工坝体选型方法，其特征在于，所述步骤d中，传统人工坝体类型有：平板型人工坝体、防渗平板型人工坝体和拱型人工坝体；新增人工坝体类型有：防渗平板腋角型人工坝体、梯型人工坝体、防渗梯型人工坝体和防渗拱型人工坝体；各类型人工坝体尺寸为：平板型人工坝体、防渗平板型人工坝体、防渗平板腋角型人工坝体、梯型人工坝体、防渗梯型人工坝体的长为1.2l，高为1.1h；

腋角高为0.4h，底座长为0.4h，宽为0.1l；

拱型人工坝体、防渗拱型人工坝体的外径为R₁＝1.1r₁，θ＝120°；

在实际工程中，浇筑人工坝体和腋角的材料均为钢筋混凝土，各尺寸可根据实际情况适当调整。

4.根据权利要求1所述的一种地下水库人工坝体选型方法，其特征在于，所述步骤e中，根据实际情况和数值模拟数据，平板型、梯型、拱型三种人工坝体在符合强度的条件下，计算不同厚度和类型人工坝体的整体造价，选择所需造价最低的人工坝体作为选型结果，降低成本。

5.根据权利要求1所述的一种地下水库人工坝体选型方法，其特征在于，所述步骤f中，在人工坝体装配完成后，使用倒楔式金属锚杆进行加固，倒楔式金属锚杆长度不得小于人工坝体厚度的1.5倍。

6.根据权利要求1所述的一种地下水库人工坝体选型方法，其特征在于，所述步骤f中，人工坝体锚杆加固标准为：

当

时，在人工坝体与煤柱连接处，每侧均匀布置2根倒楔式金属锚杆，锚杆沿纵向打入，斜向穿过人工坝体，与煤柱固定；在底部卡槽，均匀布置2根倒楔式金属锚杆，锚杆沿纵向打入，锚杆斜向穿过人工坝体，与煤柱固定；

当

时，在人工坝体与煤柱连接处，每侧均匀布置4根倒楔式金属锚杆，锚杆沿纵向交叉打入，斜向穿过人工坝体，与煤柱固定；在底部卡槽，均匀布置4根倒楔式金属锚杆，锚杆沿纵向交叉打入，锚杆斜向穿过人工坝体，与煤柱固定；坝体装配完成、锚杆加固后，在人工坝体底部的卡槽、联络巷两侧的卡槽和锚杆的连接处涂抹防水凝胶。/>

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