煤矿地下水库人工挡水坝安全性分析_张国恩

★ 煤 炭 ★
煤矿地下水库人工挡水坝安全性分析
张国恩
（神 华 神 东 煤 炭 集 团 公 司 乌 兰 木 伦 煤 矿 ， 内 蒙 古 自 治 区 鄂 尔 多 斯 市 ，０１７２０９）
摘 要 针对煤矿地下水库人工挡水坝的安全性，分析了影响坝体承压能力及稳定性的 潜在因素，即人工挡水坝墙体自身强度、墙体围岩强度、完整性及裂隙发育程度和水压大小 及性质，剖析了人工挡水坝的受力情况，建立了人工挡水坝安全分析数学模型，对评估单元 进行了定性及定量评估。以神东矿区乌兰木伦矿地下水库挡水坝体进行了实证分析，研究表 明，目前构筑的人工挡水坝能够满足井下储水安全要求，该方法成功应用，为后续坝体建设 提供了技术参考。
８０
５８０８ｍ３／ｄ，排水量为１４６８８ ｍ３／ｄ，水 位 控 制 密 闭 强 底 板 以 下 ３．２ ｍ。
由于矿井生产 巷 道 掘 进 及 采 空 塌 陷，３１＃ 煤 层 采空区 储 水 区 分 别 布 置 在 处 于 最 低 标 高 位 置 的 ３１１０４～３１１１６ 工 作 面 采 空 区， 在 已 采 采 空 区 与 现 有井下生产巷道之间设置人工挡水坝，各人工挡水 坝主要设置在３１＃ 煤 层 一 盘 区 北 部 最 外 侧 的 ３１１１６ －２工作面与大巷之间的辅运巷 道、 回 撤 巷 道 及 联 络巷中，共设置５道人工挡水坝将采空区储水进行 封闭，主要承受水压及以后承受最大水压的人工挡 水坝均为 ＭＢ－１号人工挡水坝。 ３．１．２ 坝 体 结 构
水坝围岩上的水压力大小，公式右边为围岩自身抗
剪强度所能承受的力，该公式物理意义为围岩承受
的水压大小应在围岩自身抗剪强度所能承受的作用
力范围之内。
岩体裂隙系数 Ｒａ在岩体 节 理 不 发 育 时 ＞０．７５； 岩体节理较 发 育 时 取 ０．４５～０．７５； 岩 体 节 理 发 育
时 取 ０．４５～０．７５； 岩 体 节 理 很 发 育 时 取 ＜０．４５。
２ 人 工 挡 水 坝 安 全 可 靠 性 分 析 方 法
２．１ 人 工 挡 水 坝 受 力 分 析 经分析研究影响人工挡水坝可靠性的主要因素
有墙体自身强度、墙体周边围岩工程地质性质、水 体性质及压力大小、安全煤柱留设尺寸、墙体施工 质量及维护情况等，同时挡水坝构筑位置附近围岩 完整性、裂隙发育程度、墙体及其与围岩结合部分 的施工质量等也对其安全稳定性及承压能力有较大 影响。人工挡水坝受力结构如图１所示。 ２．２ 人 工 挡 水 坝 安 全 评 估 数 学 模 型
中 国 煤 炭 ２０１４ 年 第 ４０ 卷 增 刊
性模数 ０．０７３ 压 强 度， 凝 聚 力 ３．３０～６．８９ ＭＰａ， 软 化 系 数 ０．５７， 其 水 稳 性 较 好 ， 属 半 坚 硬 岩 石 。 ３．２ 人 工 挡 水 坝 安 全 可 靠 性 分 析
目前，乌兰木伦煤矿井下施工的人工挡水坝实 际 承 受 的 水 头 高 度 ３．２ ｍ， 水 头 压 力 为 ０．０３２ ＭＰａ， 作 用 在 整 个 人 工 挡 水 坝 上 的 抗 压 及 抗 剪 强 度 将在其主体受力结构的承受范围内，各防水闸门均 采用嵌入煤体的平板式结构。
水坝上的水压力大小，公式右边为人工挡水坝墙体
自身抗剪强度所能承受的力，该公式物理意义为墙
体承受的水压大小应在墙体自身抗剪强度所能承受
的作用力范围之内。
根据上述公式，可以推得安全水压公式：
Ｐｓ
＝ γｈ
×２× （Ｈ ＋Ｂ）×Ｌ×τ γ０ ×Ｂ × Ｈ
（８）
７９
根据现场实际施工的各人工挡水坝的实际尺寸
体，对人工挡水坝的可靠性分析，根据受力性质的 不同，分别以人工挡水坝主体受力结构、围岩为研
究对象，建立数学模型。
图 １ 人 工 挡 水 坝 受 力 示 意 图
２．２．１ 根 据 人 工 挡 水 坝 混 凝 土 强 度 校 核
（１） 按人工挡水坝混凝土强度及乌兰木伦煤矿
实际施工的人工挡水坝嵌入围岩的深度参数 Ｅ， 确
定其可承受的安全水压。
γ０ＰｓＳ１ ＝γｈｆｃＳ２
（１）
Ｓ１ ＝ Ｂ × Ｈ
（２）
Ｓ２ ＝ （Ｂ ＋Ｅ１ ×２）× （Ｈ ＋Ｅ２ ＋Ｅ３）－Ｓ１ （３） 式 中 ：Ｐｓ——— 人 工 挡 水 坝 承 受 的 安 全 水 压 ，ＭＰａ；
Ｂ——— 巷 道 净 宽 ，ｍ；
Ｈ ——— 巷 道 净 高 ，ｍ；
（５） （６）
τ ＝０．７５× 槡ｆｃｆｔ
（７）
式中：Ｌ ———人工 挡 水 坝 主 要 承 载 结 构 墙 体 长 度，
ｍ；
Ｓ３ ———闸墙计算承受剪切面积，ｍ２； τ ——— 混 凝 土 允 许 抗 剪 强 度 ，ＭＰａ； ｆｃ ———混凝土抗压强度，ＭＰａ； ｆｔ ———混凝土抗拉强度，ＭＰａ。 式 （５） 左边为作用 在 沿 巷 道 轴 线 方 向 人 工 挡
图２ 乌兰木伦矿 ＭＢ－１人工挡水坝结构剖面图
３．１．３ 人 工 挡 水 坝 周 边 岩 性 情 况 井下各人工挡水坝主要设置在煤层顶底板岩层
中，３１＃ 煤层平均厚度３．６４ｍ，煤顶板岩性主要为 层状、厚层状的粉砂质泥岩，局部为砂岩。煤层底 板岩性主要为层状粉 砂 质 泥 岩 和 泥 质 粉 砂 岩。３１＃ 煤 层 抗 压 强 度 １１．７６ ～ ２９．３０ ＭＰａ， 平 均 ２０．５３ ＭＰａ；顶、 底 板 泥 岩 自 然 状 态 下 抗 压 强 度 ２８．４４ ＭＰａ，饱水后抗压强度降为 １８．５７ ＭＰａ， 弹
Ｅ１——— 帮 槽 深 度 ，ｍ； Ｅ２——— 底 槽 深 度 ，ｍ； Ｅ３——— 顶 槽 深 度 ，ｍ； Ｓ１——— 墙 体 迎 水 端 受 水 压 作 用 总 面 积 ，ｍ２；
Ｓ２——— 墙 体 与 围 岩 作 用 的 承 压 面 积 ，ｍ２； ｆｃ——— 混 凝 土 抗 压 强 度 ，ＭＰａ； γ０——— 结 构 的 重 要 性 系 数 ， 取 １．２； γｈ——— 混 凝 土 折 减 系 数 ， 取 ０．８５。 式 （１） 左边为作用 在 人 工 挡 水 坝 嵌 入 围 岩 段
３．１ 煤 矿 地 下 水 库 人 工 挡 水 坝 现 状 分 析 ３．１．１ 工 作 面 主 要 开 采 参 数
目前乌兰木伦煤矿井下作为储水利用区的主要 为３１＃ 煤 层 一 盘 区 ３１１０４～３１１１６ 工 作 面 采 空 区， 各工作面均为综采采空区，采高 ３．５ ｍ， 工作面宽 度２００ ｍ， 长 度 均 大 于 ２２７０ ｍ。３１１０４～３１１１６ 工 作面采空区积水面积２４９万 ｍ２，从北翼回风２９联 巷监测水压０．０２ ＭＰａ，积水标高１０９８．７ ｍ， 平均 积水 深 度 ５．２ ｍ， 积 水 量 ３８７．３ 万 ｍ３， 注 水 量
上的水压力大小，公式右边为人工挡水坝墙体自身
抗压强度所能承受的力，该公式物理意义为墙体承
受的水压大小应在墙体自身抗压强度所能承受的作
用力范围之内。
根据上述公式，可以推得安全水压公式：
Ｐｓ
＝
γｈ
×ｆｃ
×
［（Ｂ
＋Ｅ１ ×２）× （Ｈ γ０ ×Ｂ×Ｈ
＋Ｅ２
＋Ｅ３）－Ｓ１］
（４）
煤矿地下水库人工挡水坝安全性分析
根据上述公式，可以推得安全水压公式：
Ｐｓ
＝
２× （Ｈ ＋Ｂ）×Ｌ×τ γ０ ×γｃ ×Ｂ × Ｈ
（１１）
根据现场实际施工的各人工挡水坝的实际尺寸
及围岩材料参数确定的人工挡水坝安全水压如大于
实际水压，则该人工挡水坝是可靠的，承压是安全
的；反则，是不安全的，需对不安全的人工挡水坝
进行整改。
３ 应 用 实 例
人工挡水坝作为煤矿地下水库坝体的主要组成 部分，也是其安全薄弱环节，对保障井下储水安全 起到关键作用。因此，人工挡水坝的可靠性及承压 的安全性问题，对矿井生产采区的安全开采、煤矿 地下水库的稳定储水起到了至关重要的作用。针对
７８
此，本文运用系统分析方法，分析了影响坝体承压 能力及稳定性的潜在因素，即人工挡水坝墙体自身 强度、墙体围岩强度、完整性及裂隙发育程度和水 压大小及性质，剖析了人工挡水坝的受力情况，建 立了人工挡水坝安全分析数学模型，进行了定性及 定量评估。以神东矿区乌兰木伦矿地下水库挡水坝 体进行了实证分析，研究表明目前构筑的人工挡水 坝能够满足井下储水安全要求，同时该方法成功应 用也为后续坝体建设提供了技术参考。
（９）
Ｓ３ ＝２× （Ｈ ＋Ｂ）×Ｌ
（１０）
式 中：γｃ———掏 槽 施 工 对 围 岩 的 影 响 系 数， 取
１．６；
Ｒ——— 岩 体 抗 压 强 度 ，ＭＰａ；
Ｒｃ——— 岩 石 抗 压 强 度 ，ＭＰａ； Ｒａ——— 岩 体 裂 隙 系 数 。 式 （９） 左边为作用 在 沿 巷 道 轴 线 方 向 人 工 挡
从人工挡水坝结构受力出发，通过对物理模型 的简化，参考材料力学、弹性力学等学科知识，结 合相关对人工挡水坝的研究成果，分析认为井下人 工挡水坝硐室作为一个由人工挡水坝及围岩形成的 整体，其强 度 及 稳 定 性 将 取 决 于 两 者 的 有 机 统 一
中 国 煤 炭 ２０１４ 年 第 ４０ 卷 增 刊
及材料参数确定的人工挡水坝安全水压如大于实际
水压，则该人工挡水坝是可靠的，承压是安全的；
反之，则是不安全的，需对不安全的人工挡水坝进
行整改。
２．２．２ 根 据 围 岩 强 度 校 核
按人工挡水坝围岩抗剪强度及本矿井实际施工
的人工挡水坝主要受力结构的尺寸参数，确定其承
受的安全水压。
γ０γｃＰｓＳ１ ＝ Ｓ３τＳ
根据现场实际施Байду номын сангаас的各人工挡水坝的实际尺寸
及材料参数确定的人工挡水坝安全水压如大于实际
水压，则该人工挡水坝是可靠的，承压是安全的；
反之，则是不安全的，需对不安全的人工挡水坝进
行整改。
（２） 按人工挡水坝混凝土抗剪强度及本矿井实 际施工的人工挡水坝主要承载结构的长度，确定其
承受的安全水压。
γ０ＰｓＳ１ ＝γｈＳ３τ Ｓ３ ＝２× （Ｈ ＋Ｂ）×Ｌ
由于现场实际施工的人工挡水坝为多层复合结 构，根据本次分析的内容，按照墙体主体受力结构 强度对其稳定性及抗压能力进行评估，同时结合主 体受力结构墙体抗渗性进行验算。乌兰木伦煤矿井 下人工挡水坝主体受力结构为混凝土砌碹墙体，混 凝土 强 度 等 级 为 Ｃ２５， 因 此， 混 凝 土 抗 压 强 度 为 １１．９０Ｎ／ｍｍ２，混 凝 土 抗 拉 强 度 为 １．２７ Ｎ／ｍｍ２， 人工挡 水 坝 巷 道 净 宽 Ｂ 为 ５．０ ｍ， 巷 道 净 高 Ｈ 为 ３．６ ｍ， 帮 槽 深 度 Ｅ１ 为 ０．５ ｍ， 底 槽 深 度 Ｅ２ 为 ０．２ｍ，顶槽深度 Ｅ３为０．３ ｍ， 墙 体 长 度 Ｌ 为 １．０ ｍ，岩石抗 压 强 度 Ｒｃ 为 １１．７６ ＭＰａ， 裂 隙 系 数 为 ０．４５。
关键词 煤矿地下水库 人工挡水坝 承压能力 数学模型 乌兰木伦矿 中 图 分 类 号 ＴＤ７４ 文 献 标 识 码 Ａ
１ 概 述
神东矿区地处西部晋陕蒙接壤区，是神华集团 的核心矿区，目 前 已 建 成 世 界 唯 一 的 ２ 亿 吨 级 矿 区，但是 该 地 区 位 于 西 部 生 态 脆 弱 区， 水 资 源 匮 乏，随着开采规模不断加大，矿区生产和生活用水 量逐年增加，水资源短缺已成为矿区科学发展的瓶 颈。由于矿区煤层埋深浅且煤层厚度大，煤炭开采 形成的冒裂带直接导通第四系含水层，进而导致传 统供水水源地水源日益枯竭，同时为保障井下安全 生产，大量矿井水外排地表很快蒸发损失。为充分 利用矿井水，减少矿井污水外排量，神东矿区研发 煤矿地下水库技术，即通过构筑人工坝体将不连续 的煤柱坝体连成一体，形成水库坝体，利用煤炭开 采形成的 采 空 区 空 隙 储 水， 将 矿 井 水 注 入 采 空 区 内，进行 沉 淀、 过 滤 储 存 并 作 为 矿 区 生 产 生 活 水 源，实现矿井水的自然储存和净化，同时确保不对 生产采区的正常生产造成影响，在充分利用地下开 采空间的条件下，有效解决了矿区供水和污水外排 问题。
乌兰木伦煤矿 ３１１０４～３１１１６ 工 作 面 采 空 区 人 工挡水坝结构形式基本类似，均为砖墙＋充填层＋ 砼墙的复合墙体结构。工作面巷道断面为 ５．０ ｍ× ３．７ｍ，施工完毕砼 底 板 后 断 面 为 ５．０ ｍ×３．７ ｍ。 ３１１０４～３１１１６采空区靠近大巷的 ＭＢ－１ 号 人 工 挡 水坝规格为 ０．５ ｍ 砖 墙 ＋０．８ ｍ 鹅 卵 石 玛 丽 散 ＋ ０．３７ｍ 砖墙＋１ ｍ 砼墙 ＋０．７５ ｍ 砖 墙， 墙 体 施 工 时帮槽深０．５ｍ，底 槽 ０．２ ｍ， 顶 槽 ０．３ ｍ， 人 工 挡水坝采用沙灰比 为 １∶３ 的 水 泥 沙 浆 固 定， 如 图 ２所示。