一种煤矿地下水库装配式弧形人工坝体及其构筑方法
阅读说明：本技术 一种煤矿地下水库装配式弧形人工坝体及其构筑方法 (Assembled arc-shaped artificial dam body of coal mine underground reservoir and construction method thereof ) 是由 徐超 吴世敏 王凯 杨通 赵春雨 郭琳 郭海军 赵伟 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种煤矿地下水库装配式弧形人工坝体及其构筑方法,在相邻煤柱坝体之间设置有人工坝体,所述人工坝体由坝体基座、两侧翼板和弧形坝体组成,所述坝体基座、翼板和弧形坝体均是由若干模块装配而成,坝体基座有凹槽将两侧翼板和弧形坝体嵌入,两侧翼板同样有凹槽将弧形坝体嵌入,坝体基座与翼板设置有锚杆,可以将人工坝体与周围岩体形成稳定的整体。弧形坝体的凸面朝向地下水库,将力部分分解到两侧煤柱坝体上减少了坝体的直接受力,从而降低坝体厚度。本发明通过对人工坝体尺寸的定量化,在地面建造标准化坝体模块,井下快速装配,解决了煤矿地下水库施工周期长和制造成本高的问题,并且能够防止坝体发生失稳破坏、渗水。(The invention discloses an assembled arc-shaped artificial dam for a coal mine underground reservoir and a construction method thereof. The convex surface of the arc dam faces the underground reservoir, and the force is partially decomposed to the coal pillar dams on the two sides, so that the direct stress of the dams is reduced, and the thickness of the dams is reduced. According to the invention, through quantification of the size of the artificial dam, the standardized dam module is built on the ground, and the underground dam is quickly assembled, so that the problems of long construction period and high manufacturing cost of the coal mine underground reservoir are solved, and instability damage and water seepage of the dam can be prevented.)
技术领域
本发明专利涉及地下水库建设技术领域，尤其设及一种煤矿地下水库装配式弧形人工坝体及其构筑方法。
背景技术
“富煤贫水”是我国西部地区自然资源的特点，大规模、高强度的煤炭开采会造成大量的矿井水外排，平均每开采一吨煤炭会产生两吨左右的矿井水，不仅造成西部地下水资源的极大流失，而且还会对周围环境的污染。为了解决保护水资源与煤炭资源利用率之间的矛盾，部分矿区提出矿井水“导储用”的理念，利用煤炭开采形成的采空区做为储水空间，将保护煤柱和人工修建的坝体作为地下水库坝体。
煤矿地下水库具有不占地、库容大、蒸发量小、安全可靠等的优点，能够避免矿井水的外排，解决了西部能源“金三角”地区降水量少、蒸发量大的难题。
煤矿地下水库坝体的安全性和可靠性是防止突水事故的先决条件，而人工坝体是地下水库坝体的重要一环。目前，大多数人工坝体的建造方法是在两侧煤柱坝体之间进行掏槽，支起模板后浇筑混凝土，待混凝土养护好拆除模板做防水处理，在实际使用中其帮部即人工坝体与煤柱坝体连接处，容易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；且由于井下巷道环境不稳定的影响，大型施工设备不能运送到井下，同时，由于操作空间狭小，也不能为大型施工设备提供场地空间。因此，人工坝体建造周期，可能长达几个月的时间，极大地提高了水库的建设成本和建造周期内的矿井水外排成本和环境污染成本。
因此，有必要设计一种施工速度快、节约建设成本且防止坝体发生失稳破坏、渗水的煤矿地下水库人工坝体及其构筑方法，来解决现有技术存在的问题和不足。
发明内容
针对现有煤矿地下水库施工周期长、建设成本高、坝体容易发生失稳破坏、渗水的问题，本发明提供一种煤矿地下水库装配式弧形人工坝体及其构筑方法，其人工坝体的构筑通过快速组装的方式实现，提高了施工效率，降低了施工成本，防止坝体发生失稳破坏、渗水。
为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：
本方案提供的一种煤矿地下水库装配式弧形人工坝体位于相邻的煤柱坝体之间，所述人工坝体包括坝体基座、两侧翼板和弧形坝体。
所述坝体基座是由若干坝体基座模块装配而成，坝体基座模块上设置有凹槽，可以将所述两侧翼板与弧形坝体嵌入在凹槽之内，形成完整的人工坝体。坝体基座模块上设置有坝体基座锚杆孔，在安装时，通过这些锚杆孔向底板煤岩打入锚杆，锚杆穿过所述底板围岩的松动区，插入到稳定的岩体中，使坝体基座与底板围岩形成整体，避免发生位移后破坏坝体的完整性。设置锚杆也可以形成底板阻渗区，防止水库发生渗漏。
所述翼板是由若干翼板模块装配而成，翼板模板上设置有凹槽，可以将所述弧形坝体嵌入在凹槽之内。翼板模块上设置有翼板锚杆孔，在安装时，通过这些锚杆孔向煤柱坝体打入锚杆，锚杆穿过所述煤柱坝体的松动区，插入到稳定的岩体中使翼板与煤柱坝体形成整体，避免发生位移后破坏坝体的完整性。设置锚杆也可以形成两翼阻渗区，防止水库发生渗漏。
所述弧形坝体是由若干弧形坝体模块装配而成，弧形坝体的凸面朝向地下水库，避免了混凝土坝体只承受较大的剪力，减少了坝体的直接受力，将力部分分解到两侧煤柱坝体上，使部分剪力转换为混凝土和锚杆更能承担的压力，降低了人工坝体的厚度，节约成本。弧形坝体部分嵌入在所述坝体基座和两侧翼板之中，形成完整的人工坝体。弧形坝体内外圆弧为同心圆弧，圆心角相同。所述弧形坝体模块内外的边缘处均设置有若干连接槽，连接槽内用弧形螺栓连接，用于连接上下左右的弧形坝体模块，形成完整的弧形坝体。
优选地，所述坝体基座与所述两侧翼板的凹槽之内设置一层橡胶垫，用于防护弧形坝体，防止因不同模具制作模块时精度不同，导致模块连接处局部压力过大，模块发生破坏。
优选地，所述坝体基座的凹槽内嵌入所述翼板和弧形坝体，翼板和弧形坝体的横截面尺寸不同以及弧形坝体呈弧形的特点，导致坝体基座模块的凹槽位置以及大小不同，需要对模具进行调整。
优选地，在人工坝体靠近地下水库一侧，整个人工坝体以及与煤柱坝体的接缝延伸处喷涂防水涂料，设置一层防水层，防止地下水库的水源渗漏。
本发明技术方案还提供了该煤矿地下水库装配式弧形人工坝体的构筑方法，包括如下步骤：
S001对两侧煤柱坝体进行帮部清理，将松散、破坏严重地岩体进行清理，使两侧煤柱坝体之间的距离为坝体基座模块的整数倍。
S002对顶、底板围岩进行帮部清理(尤其是顶板围岩将松散、破断严重的岩石进行清理)，使顶、底板围岩之间的距离为翼板模块和弧形坝体模块的整数倍。
S003安装坝体基座模块，按照预先设计好的尺寸和位置进行快速装配。
S004在安装好的坝体基座模块的锚杆孔处，向底板围岩钻孔打入锚杆，锚杆穿过所述煤底板围岩的松动区，插入到稳定的岩体中使坝体基座与底板围岩形成整体，并将锚杆锚固在坝体基座上。
S005安装两侧翼板模块，按照预先设计好的尺寸和位置，从下到上进行快速装配。
S006在安装好的两侧翼板模块的锚杆孔处，向煤柱坝体钻孔打入锚杆，锚杆穿过所述煤柱坝体的松动区，插入到稳定的岩体中使翼板与煤柱坝体形成整体，并将锚杆锚固在翼板上。
S007安装弧形坝体模块，从下到上、从两边到中间进行快速装配。首先安装最底层弧形坝体模块，在安装相邻模块时，在模块内外连接槽处，用弧形螺栓穿过相邻模块的连接孔进行连接紧固；当下层弧形坝体模块安装完毕就可以安装上层模块，在上下两层模块进行安装时，在模块内外连接槽处用弧形螺栓穿过相邻层模块的连接孔进行连接紧固。
S008在装配好的人工坝体与煤柱坝体以及顶、底板围岩之间的空隙处注浆，使人工坝体与周围岩体紧密的连接起来，提高坝体的完整性。
S009将装配好的人工坝体上的锚杆孔洞、连接槽、以及凹槽处注浆，防止锚杆、弧形螺栓腐蚀破坏，增强耐久性。
S010在人工坝体靠近地下水库一侧，整个人工坝体以及与煤柱坝体的接缝延伸处喷涂防水涂料，设置一层防水层，防止地下水库的水源渗漏。
由于采用上述的技术方案，本发明专利的有益效果是：
(1)本发明解决了将大型施工设备运送到井下困难的问题，解决了在井下巷道环境狭小内可快速建造煤矿地下水库人工坝体的问题，建造的坝体速度快、隔水性能好。
(2)本发明的装置可在井下快速装配，不仅为快速围坝能带来巨大的经济效益和安全保障，还提高了坝体的隔水效果和密封性能，有效的缩短了地下水库人工坝体的建造时间，极大降低了水库的建设和排水成本，也降低建造水库的周期和成本。
(3)本发明的人工坝体主要形状为弧形，可以将力传递到两侧翼板上，使煤柱坝体内的锚杆主要承受压应力附带有剪应力，而锚杆在锚固作用中的特点是抗拉不抗剪，本方案能极大限度的发挥锚杆的锚固作用，增强坝体的稳定性，并且锚杆的锚固作用能形成阻渗区，防止渗水。
(4)本发明的人工坝体主要形状为弧形且凸面朝向地下水库，将力部分分解到两侧煤柱坝体上，减少了坝体的直接受力，从而可以降低坝体的厚度，节省了建设坝体的材料费用，降低了建设成本。
附图说明
图1为本发明专利的一种实施方式的结构示意图；
图2为坝体基座模块组成的坝体基座结构示意图；
图3为翼板模块组成的翼板结构示意图；
图4为四块弧形坝体模块组成的弧形坝体结构示意图；
图5为坝体基座结构模块示意图；
图6为翼板模块结构示意图；
图7为弧形坝体模块示意图；
图8为本发明专利的一种实施方式的俯视图；
图9为本发明专利的一种实施方式的前视图；
图示标记：1、煤柱坝体；2、顶板围岩；3、底板围岩；4、坝体基座；5、翼板；6、弧形坝体；7、地下水库；8、锚杆；9、巷道；10、防水层；41、坝体基座模块；42、坝体基座锚杆孔；43、坝体基座凹槽；51、翼板模块；52、翼板锚杆孔；53、翼板凹槽；61、弧形坝体模块；62、连接槽；63、连接孔；64、弧形螺栓。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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。
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8所示，本发明一实施例提供的人工坝体包括坝体基座4、两侧翼板5和弧形坝体6，建设在巷道9左右两侧的煤柱坝体1之间，用于隔离地下水库7和巷道9，封堵地下水库7中的水源。
如图2、图5所示，所述坝体基座4是由若干坝体基座模块41装配而成，坝体基座模块上设置有坝体基座凹槽43，可以将所述两侧翼板5与弧形坝体6嵌入在凹槽43之内，形成完整的人工坝体。坝体基座模块41上设置有坝体基座锚杆孔42，在安装时，通过这些锚杆孔向底板煤岩3打入锚杆8，锚杆8穿过所述底板围岩3的松动区，插入到稳定的岩体中，使坝体基座4与底板围岩3形成整体，避免发生位移后破坏坝体的完整性。
如图3、图6所示，所述翼板5是由若干翼板模块51装配而成，翼板模板上设置有翼板凹槽53，可以将所述弧形坝体6嵌入在凹槽53之内。翼板模块51上设置有翼板锚杆孔52，在安装时，通过这些锚杆孔向煤柱坝体1打入锚杆8，锚杆8穿过所述煤柱坝体1的松动区，插入到稳定的岩体中使翼板5与煤柱坝体1形成整体，避免发生位移后破坏坝体的完整性。
如图4、图7所示，所述弧形坝体6是由若干弧形坝体模块61装配而成，弧形坝体6的凸面朝向地下水库7，避免了混凝土坝体只承受较大的剪力，减少了坝体的直接受力，将力部分分解到两侧煤柱坝体1上，使部分剪力转换为混凝土和锚杆更能承担的压力，降低了人工坝体的厚度，节约成本。弧形坝体6部分嵌入在所述坝体基座4和两侧翼板5之中，形成完整的人工坝体。弧形坝体6内外圆弧为同心圆弧，圆心角相同。所述弧形坝体模块61内外的边缘处均设置有若干连接槽62，连接槽内用弧形螺栓64连接，用于连接上下左右的弧形坝体模块61，形成完整的弧形坝体6。
本实施例中，相邻两煤柱坝体1之间的距离为500cm，顶底板围岩2、3之间的距离为300cm坝体基座模块41的尺寸为长宽高＝50cm*200cm*50cm，翼板模块51的尺寸为长宽高＝50cm*100cm*50cm，弧形坝体6的半径900cm，圆心角设为60°，一个弧形坝体模块61的尺寸为弧长50πcm，宽为50cm，高为50cm。坝体基座4靠边的两个模块凹槽43长为50cm，宽为100cm、中间其余模块凹槽宽为50cm，深为25cm；翼板模块凹槽53形状契合弧形坝体模块61的形状为双弧边梯形，上底弧边深为30cm，下弧边深为5cm。坝体基座模块41和翼板模块51上两端各有一个锚杆孔，锚杆8打入煤柱坝体1、底板围岩3的深度为150cm。
优选地，所述坝体基座4与所述两侧翼板5的凹槽43、53之内设置一层橡胶垫，用于防护弧形坝体，防止因不同模具制作模块时精度不同，导致模块连接处局部压力过大，模块发生破坏。
优选地，所述坝体基座4的凹槽43内嵌入所述翼板5和弧形坝体6，翼板5和弧形坝体6的横截面尺寸不同以及弧形坝体6呈弧形的特点，导致坝体基座模块41的凹槽41位置以及大小不同，需要对模具进行调整。
优选地，在人工坝体靠近地下水库7一侧，整个人工坝体以及与煤柱坝体1的接缝延伸处喷涂防水涂料，设置一层防水层10，防止地下水库7的水源渗漏，防水层材质为聚合物水泥基防水涂料，它是由合成高分子聚合物乳液(如聚丙烯酸酯、聚醋酸乙烯酯、丁苯橡胶乳液)及各种添加剂优化组合而成的液料和配套的粉料(由特种水泥、级配砂组成)复合而成的双组份防水涂料，是一种既具有合成高分子聚合物材料弹性高、又有无机材料耐久性好的防水材料。具有施工方便、造价低、工期短和无毒环保等优点。
本发明技术方案还提供了该煤矿地下水库装配式弧形人工坝体的构筑方法，包括如下步骤：
S001对两侧煤柱坝体1进行帮部清理，将松散、破坏严重地岩体进行清理，使两侧煤柱坝体1之间的距离为坝体基座模块41的整数倍。
S002对顶、底板围岩2、3进行帮部清理(尤其是顶板围岩2将松散、破断严重的岩石进行清理)，使顶、底板围岩2、3之间的距离为翼板模块51和弧形坝体模块61的整数倍。
S003安装坝体基座模块41，按照预先设计好的尺寸和位置进行快速装配。
S004在安装好的坝体基座模块41的锚杆孔42处，向底板围岩3钻孔打入锚杆8，锚杆穿过所述煤底板围岩的松动区，插入到稳定的岩体中使坝体基座4与底板围岩3形成整体，并将锚杆8锚固在坝体基座4上。
S005安装两侧翼板模块51，按照预先设计好的尺寸和位置，从下到上进行快速装配。
S006在安装好的两侧翼板模块51的锚杆孔52处，向煤柱坝体1钻孔打入锚杆8，锚杆穿过所述煤柱坝体的松动区，插入到稳定的岩体中使翼板5与煤柱坝体1形成整体，并将锚杆8锚固在翼板5上。
S007安装弧形坝体模块61，从下到上、从左到右进行快速装配。首先安装最底层弧形坝体模块，在安装相邻模块时，在模块内外连接槽62处，用弧形螺栓64穿过相邻模块的连接孔63进行连接紧固；当下层弧形坝体模块安装完毕就可以安装上层模块，在上下两层模块进行安装时，在模块61内外连接槽62处用弧形螺栓64穿过相邻模块的连接孔63进行连接紧固。
S008在安装好的人工坝体与煤柱坝体1以及顶、底板围岩2、3之间的空隙处注浆，使人工坝体与周围岩体紧密的连接起来，提高坝体的完整性。
S009将安装好的人工坝体上的锚杆孔洞(42、52)、连接槽62、以及凹槽(43、53)处注浆，防止锚杆8、弧形螺栓64腐蚀破坏，增强耐久性。
S010在人工坝体靠近地下水库7一侧，整个人工坝体以及与煤柱坝体1的接缝延伸处喷涂防水涂料，设置一层防水层10，防止地下水库7的水源渗漏。
应当说明的是，模块的各个尺寸不限于本实施例的尺寸，锚杆深度、防水材质不限于本实施例的规定。
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。
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