煤礦地下水庫(kù)人工擋水壩安全性分析

張國(guó)恩

（神華神東煤炭集團(tuán)公司烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209）

1 概述

神東礦區(qū)地處西部晉陜蒙接壤區(qū)，是神華集團(tuán)的核心礦區(qū)，目前已建成世界唯一的2 億噸級(jí)礦區(qū)，但是該地區(qū)位于西部生態(tài)脆弱區(qū)，水資源匱乏，隨著開(kāi)采規(guī)模不斷加大，礦區(qū)生產(chǎn)和生活用水量逐年增加，水資源短缺已成為礦區(qū)科學(xué)發(fā)展的瓶頸。由于礦區(qū)煤層埋深淺且煤層厚度大，煤炭開(kāi)采形成的冒裂帶直接導(dǎo)通第四系含水層，進(jìn)而導(dǎo)致傳統(tǒng)供水水源地水源日益枯竭，同時(shí)為保障井下安全生產(chǎn)，大量礦井水外排地表很快蒸發(fā)損失。為充分利用礦井水，減少礦井污水外排量，神東礦區(qū)研發(fā)煤礦地下水庫(kù)技術(shù)，即通過(guò)構(gòu)筑人工壩體將不連續(xù)的煤柱壩體連成一體，形成水庫(kù)壩體，利用煤炭開(kāi)采形成的采空區(qū)空隙儲(chǔ)水，將礦井水注入采空區(qū)內(nèi)，進(jìn)行沉淀、過(guò)濾儲(chǔ)存并作為礦區(qū)生產(chǎn)生活水源，實(shí)現(xiàn)礦井水的自然儲(chǔ)存和凈化，同時(shí)確保不對(duì)生產(chǎn)采區(qū)的正常生產(chǎn)造成影響，在充分利用地下開(kāi)采空間的條件下，有效解決了礦區(qū)供水和污水外排問(wèn)題。

人工擋水壩作為煤礦地下水庫(kù)壩體的主要組成部分，也是其安全薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)保障井下儲(chǔ)水安全起到關(guān)鍵作用。因此，人工擋水壩的可靠性及承壓的安全性問(wèn)題，對(duì)礦井生產(chǎn)采區(qū)的安全開(kāi)采、煤礦地下水庫(kù)的穩(wěn)定儲(chǔ)水起到了至關(guān)重要的作用。針對(duì)此，本文運(yùn)用系統(tǒng)分析方法，分析了影響壩體承壓能力及穩(wěn)定性的潛在因素，即人工擋水壩墻體自身強(qiáng)度、墻體圍巖強(qiáng)度、完整性及裂隙發(fā)育程度和水壓大小及性質(zhì)，剖析了人工擋水壩的受力情況，建立了人工擋水壩安全分析數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了定性及定量評(píng)估。以神東礦區(qū)烏蘭木倫礦地下水庫(kù)擋水壩體進(jìn)行了實(shí)證分析，研究表明目前構(gòu)筑的人工擋水壩能夠滿足井下儲(chǔ)水安全要求，同時(shí)該方法成功應(yīng)用也為后續(xù)壩體建設(shè)提供了技術(shù)參考。

2 人工擋水壩安全可靠性分析方法

2.1 人工擋水壩受力分析

經(jīng)分析研究影響人工擋水壩可靠性的主要因素有墻體自身強(qiáng)度、墻體周邊圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)、水體性質(zhì)及壓力大小、安全煤柱留設(shè)尺寸、墻體施工質(zhì)量及維護(hù)情況等，同時(shí)擋水壩構(gòu)筑位置附近圍巖完整性、裂隙發(fā)育程度、墻體及其與圍巖結(jié)合部分的施工質(zhì)量等也對(duì)其安全穩(wěn)定性及承壓能力有較大影響。人工擋水壩受力結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 人工擋水壩安全評(píng)估數(shù)學(xué)模型

從人工擋水壩結(jié)構(gòu)受力出發(fā)，通過(guò)對(duì)物理模型的簡(jiǎn)化，參考材料力學(xué)、彈性力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，結(jié)合相關(guān)對(duì)人工擋水壩的研究成果，分析認(rèn)為井下人工擋水壩硐室作為一個(gè)由人工擋水壩及圍巖形成的整體，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性將取決于兩者的有機(jī)統(tǒng)一體，對(duì)人工擋水壩的可靠性分析，根據(jù)受力性質(zhì)的不同，分別以人工擋水壩主體受力結(jié)構(gòu)、圍巖為研究對(duì)象，建立數(shù)學(xué)模型。

圖1 人工擋水壩受力示意圖

2.2.1 根據(jù)人工擋水壩混凝土強(qiáng)度校核

（1）按人工擋水壩混凝土強(qiáng)度及烏蘭木倫煤礦實(shí)際施工的人工擋水壩嵌入圍巖的深度參數(shù)E，確定其可承受的安全水壓。

式中：Ps——人工擋水壩承受的安全水壓，MPa；

B——巷道凈寬，m；

H——巷道凈高，m；

E1——幫槽深度，m；

E2——底槽深度，m；

E3——頂槽深度，m；

S1——墻體迎水端受水壓作用總面積，m2；

S2——墻體與圍巖作用的承壓面積，m2；

fc——混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；

γ0——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.2；

γh——混凝土折減系數(shù)，取0.85。

式（1）左邊為作用在人工擋水壩嵌入圍巖段上的水壓力大小，公式右邊為人工擋水壩墻體自身抗壓強(qiáng)度所能承受的力，該公式物理意義為墻體承受的水壓大小應(yīng)在墻體自身抗壓強(qiáng)度所能承受的作用力范圍之內(nèi)。

根據(jù)上述公式，可以推得安全水壓公式：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的各人工擋水壩的實(shí)際尺寸及材料參數(shù)確定的人工擋水壩安全水壓如大于實(shí)際水壓，則該人工擋水壩是可靠的，承壓是安全的；反之，則是不安全的，需對(duì)不安全的人工擋水壩進(jìn)行整改。

（2）按人工擋水壩混凝土抗剪強(qiáng)度及本礦井實(shí)際施工的人工擋水壩主要承載結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，確定其承受的安全水壓。

式中：L——人工擋水壩主要承載結(jié)構(gòu)墻體長(zhǎng)度，m；

S3——閘墻計(jì)算承受剪切面積，m2；

τ——混凝土允許抗剪強(qiáng)度，MPa；

fc——混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；

ft——混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa。

式（5）左邊為作用在沿巷道軸線方向人工擋水壩上的水壓力大小，公式右邊為人工擋水壩墻體自身抗剪強(qiáng)度所能承受的力，該公式物理意義為墻體承受的水壓大小應(yīng)在墻體自身抗剪強(qiáng)度所能承受的作用力范圍之內(nèi)。

根據(jù)上述公式，可以推得安全水壓公式：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的各人工擋水壩的實(shí)際尺寸及材料參數(shù)確定的人工擋水壩安全水壓如大于實(shí)際水壓，則該人工擋水壩是可靠的，承壓是安全的；反之，則是不安全的，需對(duì)不安全的人工擋水壩進(jìn)行整改。

2.2.2 根據(jù)圍巖強(qiáng)度校核

按人工擋水壩圍巖抗剪強(qiáng)度及本礦井實(shí)際施工的人工擋水壩主要受力結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，確定其承受的安全水壓。

式中：γc——掏槽施工對(duì)圍巖的影響系數(shù)，取1.6；

R——巖體抗壓強(qiáng)度，MPa；

Rc——巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；

Ra——巖體裂隙系數(shù)。

式（9）左邊為作用在沿巷道軸線方向人工擋水壩圍巖上的水壓力大小，公式右邊為圍巖自身抗剪強(qiáng)度所能承受的力，該公式物理意義為圍巖承受的水壓大小應(yīng)在圍巖自身抗剪強(qiáng)度所能承受的作用力范圍之內(nèi)。

巖體裂隙系數(shù)Ra在巖體節(jié)理不發(fā)育時(shí)＞0.75；巖體節(jié)理較發(fā)育時(shí)取0.45～0.75；巖體節(jié)理發(fā)育時(shí)取0.45～0.75；巖體節(jié)理很發(fā)育時(shí)?。?.45。

根據(jù)上述公式，可以推得安全水壓公式：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的各人工擋水壩的實(shí)際尺寸及圍巖材料參數(shù)確定的人工擋水壩安全水壓如大于實(shí)際水壓，則該人工擋水壩是可靠的，承壓是安全的；反則，是不安全的，需對(duì)不安全的人工擋水壩進(jìn)行整改。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 煤礦地下水庫(kù)人工擋水壩現(xiàn)狀分析

3.1.1 工作面主要開(kāi)采參數(shù)

目前烏蘭木倫煤礦井下作為儲(chǔ)水利用區(qū)的主要為31＃煤層一盤區(qū)31104～31116 工作面采空區(qū)，各工作面均為綜采采空區(qū)，采高3.5m，工作面寬度200m，長(zhǎng)度均大于2270m。31104～31116工作面采空區(qū)積水面積249萬(wàn)m2，從北翼回風(fēng)29聯(lián)巷監(jiān)測(cè)水壓0.02 MPa，積水標(biāo)高1098.7m，平均積水深度5.2 m，積水量387.3 萬(wàn)m3，注水量5808m3／d，排水量為14688m3／d，水位控制密閉強(qiáng)底板以下3.2m。

由于礦井生產(chǎn)巷道掘進(jìn)及采空塌陷，31＃煤層采空區(qū)儲(chǔ)水區(qū)分別布置在處于最低標(biāo)高位置的31104～31116工作面采空區(qū)，在已采采空區(qū)與現(xiàn)有井下生產(chǎn)巷道之間設(shè)置人工擋水壩，各人工擋水壩主要設(shè)置在31＃煤層一盤區(qū)北部最外側(cè)的31116-2工作面與大巷之間的輔運(yùn)巷道、回撤巷道及聯(lián)絡(luò)巷中，共設(shè)置5道人工擋水壩將采空區(qū)儲(chǔ)水進(jìn)行封閉，主要承受水壓及以后承受最大水壓的人工擋水壩均為MB-1號(hào)人工擋水壩。

3.1.2 壩體結(jié)構(gòu)

烏蘭木倫煤礦31104～31116工作面采空區(qū)人工擋水壩結(jié)構(gòu)形式基本類似，均為磚墻+充填層+砼墻的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)。工作面巷道斷面為5.0m×3.7m，施工完畢砼底板后斷面為5.0m×3.7m。31104～31116采空區(qū)靠近大巷的MB-1號(hào)人工擋水壩規(guī)格為0.5 m 磚墻+0.8 m 鵝卵石瑪麗散+0.37m 磚墻+1m 砼墻+0.75m 磚墻，墻體施工時(shí)幫槽深0.5m，底槽0.2m，頂槽0.3m，人工擋水壩采用沙灰比為1∶3的水泥沙漿固定，如圖2所示。

圖2 烏蘭木倫礦MB-1人工擋水壩結(jié)構(gòu)剖面圖

3.1.3 人工擋水壩周邊巖性情況

井下各人工擋水壩主要設(shè)置在煤層頂?shù)装鍘r層中，31＃煤層平均厚度3.64m，煤頂板巖性主要為層狀、厚層狀的粉砂質(zhì)泥巖，局部為砂巖。煤層底板巖性主要為層狀粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖。31＃煤 層 抗 壓 強(qiáng) 度 11.76 ～29.30 MPa， 平 均20.53 MPa；頂、底板泥巖自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度28.44 MPa，飽水后抗壓強(qiáng)度降為18.57 MPa，彈性模數(shù)0.073 壓強(qiáng)度，凝聚力3.30～6.89 MPa，軟化系數(shù)0.57，其水穩(wěn)性較好，屬半堅(jiān)硬巖石。

3.2 人工擋水壩安全可靠性分析

目前，烏蘭木倫煤礦井下施工的人工擋水壩實(shí)際承受的水頭高度3.2 m，水頭壓力為0.032 MPa，作用在整個(gè)人工擋水壩上的抗壓及抗剪強(qiáng)度將在其主體受力結(jié)構(gòu)的承受范圍內(nèi)，各防水閘門均采用嵌入煤體的平板式結(jié)構(gòu)。

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的人工擋水壩為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，根據(jù)本次分析的內(nèi)容，按照墻體主體受力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)其穩(wěn)定性及抗壓能力進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)結(jié)合主體受力結(jié)構(gòu)墻體抗?jié)B性進(jìn)行驗(yàn)算。烏蘭木倫煤礦井下人工擋水壩主體受力結(jié)構(gòu)為混凝土砌碹墻體，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，因此，混凝土抗壓強(qiáng)度為11.90N／mm2，混凝土抗拉強(qiáng)度為1.27 N／mm2，人工擋水壩巷道凈寬B 為5.0m，巷道凈高H 為3.6 m，幫槽深度E1為0.5 m，底槽深度E2為0.2m，頂槽深度E3為0.3m，墻體長(zhǎng)度L 為1.0 m，巖石抗壓強(qiáng)度Rc為11.76 MPa，裂隙系數(shù)為0.45。

依據(jù)以上計(jì)算參數(shù)，根據(jù)上述計(jì)算公式獲得混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25 的墻體依據(jù)抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度核算的安全水頭高度較大，工作面安全水頭最小值分別達(dá)到309.1m、197.4 m；根據(jù)工作面各人工擋水壩煤層抗剪強(qiáng)度核算的安全水頭高度為15.8m；根據(jù)工作面各人工擋水壩混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性驗(yàn)算的安全水頭高度為31.0m。

人工擋水壩結(jié)構(gòu)安全性及承壓能力受多因素影響，由于人工擋水壩硐室為人工擋水壩與圍巖形成的一個(gè)整體，其強(qiáng)度取決于兩者的有機(jī)組合，同時(shí)與墻體自身的抗?jié)B性能有關(guān)，則人工擋水壩所能承受的最大水頭高度取決于三者中的較小值，故烏蘭木倫煤礦井下31104～31116工作面各人工擋水壩硐室承受的水頭高度為15.8m 作為其臨界安全水頭高度。

烏蘭木倫煤礦井下各人工擋水壩均承受采空區(qū)內(nèi)封存的靜水體壓力，根據(jù)建立的物理、數(shù)學(xué)模型，結(jié)合烏蘭木倫煤礦井下31＃煤層物理力學(xué)參數(shù)及井下巷道尺寸，核算31＃煤層一盤區(qū)31104～31116工作面采空區(qū)儲(chǔ)水區(qū)的安全水頭高度為15.8 m，所對(duì)應(yīng)的水頭壓力為0.158 MPa，目前井下各工作面所對(duì)應(yīng)的實(shí)際水頭高度為3.2 m，由于31104～31116工作面采空區(qū)人工擋水壩實(shí)際承受的水頭高度小于安全水頭高度，因此，烏蘭木倫煤礦井下31104～31116工作面采空區(qū)人工擋水壩在保證圍巖強(qiáng)度、完整性及裂隙發(fā)育程度的條件下，方可保證在15.8m 的水頭高度條件下，不影響生產(chǎn)區(qū)的正常生產(chǎn)，保證井下采空區(qū)礦井水復(fù)用的正常進(jìn)行。

4 整改措施及建議

通過(guò)辨識(shí)與分析影響烏蘭木倫煤礦地下水庫(kù)人工擋水壩承壓能力及穩(wěn)定性的潛在因素，將潛在影響因素劃分為4個(gè)評(píng)估單元，通過(guò)受力分析，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)評(píng)估單元進(jìn)行了定性及定量評(píng)估。得出人工擋水壩能夠滿足現(xiàn)在采空區(qū)儲(chǔ)水要求，但仍存在部分問(wèn)題，同時(shí)提出相應(yīng)的整改措施及建議。

（1）針對(duì)目前井下31＃煤層各工作面部分人工擋水壩出現(xiàn)滲漏問(wèn)題，建議查明滲漏的直接原因，加強(qiáng)采空區(qū)水體動(dòng)態(tài)觀測(cè)，嚴(yán)密控制滲漏量，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的防水煤柱尺寸進(jìn)行留設(shè)，不可使?jié)B漏量長(zhǎng)久持續(xù)，避免水流長(zhǎng)期對(duì)滲流通道的沖蝕擴(kuò)大，采取注漿封堵等有效措施對(duì)滲漏部位進(jìn)行處理，加固人工擋水壩體，同時(shí)合理控制采空區(qū)內(nèi)注排量，保證礦井其他采區(qū)的正常生產(chǎn)，確保井下采空區(qū)礦井水復(fù)用的可持續(xù)性。

（2）監(jiān)測(cè) （觀測(cè)）技術(shù)措施。在日常井下采空區(qū)礦井水復(fù)用的過(guò)程中，要時(shí)刻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采空區(qū)水體的水位及水壓，嚴(yán)格控制水位，當(dāng)井下水位接近警戒水位線時(shí)，應(yīng)引起足夠重視，合理控制注排量，嚴(yán)禁井下水位超過(guò)限制水位線。

建議在人工擋水壩中增加放水管路及觀測(cè)儀表，時(shí)刻動(dòng)態(tài)掌握采空區(qū)水資源的相關(guān)參數(shù)，合理控制采空區(qū)水體的注入量及供水量，確保所施工的人工擋水壩及留設(shè)的安全煤柱的承壓性及可靠性，加強(qiáng)對(duì)人工擋水壩體周圍圍巖裂隙發(fā)育程度及滲透性的觀測(cè)。

（3）管理措施。要認(rèn)真調(diào)查摸清已采工作面的開(kāi)采范圍、深度及積水情況，加強(qiáng)礦井井下地測(cè)工作，以便準(zhǔn)確的留足防水煤柱，根據(jù)收集的資料，在合適位置施工安全可靠的人工擋水壩工程。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的人工擋水壩進(jìn)行施工，同時(shí)在施工過(guò)程中應(yīng)采取有效措施，保證圍巖的完整性及強(qiáng)度，減小其裂隙數(shù)量，在人工擋水壩施工完成后，加強(qiáng)對(duì)人工擋水壩體周圍圍巖裂隙發(fā)育程度及滲透性的觀測(cè)，必要時(shí)，采取有效措施對(duì) 硐室圍巖進(jìn)行加固處理，保證井下礦井水復(fù)用的有效進(jìn)行。

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