一种煤矿地下水库人工坝体及其设计、施工方法
阅读说明：本技术 一种煤矿地下水库人工坝体及其设计、施工方法 (Artificial dam body of coal mine underground reservoir and design and construction method thereof ) 是由 智国军 鞠金峰 刘润 杨瑞刚 方志远 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种煤矿地下水库人工坝体及其设计、施工方法,属于人工坝体设计领域。所述人工坝体包括：位于联络巷道内的坝体本体,所述坝体本体包括沿所述联络巷道的延伸方向排列的至少两层混凝土层,所述混凝土层外表面以及任意两层所述混凝土层之间设置防水层；穿设于所述坝体本体的若干第一锚杆,所述第一锚杆的两侧端部分别位于所述混凝土层的外侧；套设于所述锚杆上的紧固组件,所述紧固组件将所述第一锚杆锁紧于所述坝体本体上。本发明解决了现有煤矿地下水库人工坝体材料用料较多,施工制造成本高的问题。(The invention discloses an artificial dam body of a coal mine underground reservoir and a design and construction method thereof, and belongs to the field of artificial dam body design. The artificial dam body comprises: the dam body is positioned in the communication roadway and comprises at least two concrete layers arranged along the extension direction of the communication roadway, and waterproof layers are arranged between the outer surface of each concrete layer and any two concrete layers; the first anchor rods penetrate through the dam body, and the two side end parts of the first anchor rods are respectively positioned on the outer sides of the concrete layers; and the fastening assembly is sleeved on the anchor rod and locks the first anchor rod on the dam body. The invention solves the problems of more materials and high construction and manufacturing cost of the existing artificial dam body of the coal mine underground reservoir.)
技术领域
本发明涉及一种人工坝体设计领域，特别涉及一种煤矿地下水库的人工坝体结构、设计及施工方法。
背景技术
煤炭规模化开采引起的岩层移动可导致上覆含水层结构的破坏，使含水层水体沿导水裂隙流至采空区，给矿井安全生产带来威胁。为保证矿井安全和有效保护与利用水资源，部分矿区提出了利用采空区空间资源建造地下水库的技术途径。在煤矿地下水库处于蓄水状态时，水库挡水坝会承受水压作用，因此挡水坝需满足一定的隔水性和承载性要求。地下水库挡水坝是通过人工构筑物(人工坝体)将煤柱连接起来而形成的，水库挡水坝体的稳定性很大程度上取决于人工坝体的隔水与承载性能，因此如何合理地设计人工坝体结构显得尤为重要。
目前，地下水库人工坝体一般由防渗墙和承载墙组成，防渗墙一般为以黄土等防渗材料为充填物的砖墙，位于靠近水体侧；承载墙一般为工字钢混凝土墙，与防渗墙相邻，两者间通过界面粘结力相连，另外在某些地质储水条件下，为了增强坝墙稳定性，在坝墙外侧还会增设一支撑墙，从而使整个坝体结构呈“T”字形。经实践表明，该类人工坝体设计结构可满足地下水库长期运行的安全性需求，但同时也存在安全富余系数取值过大而导致的材料用量较多，经济性不强的问题。因此，有必要在满足水库长期运行安全性和建设经济性需求的基础上，开展煤矿地下水库人工坝体结构的专门设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有煤矿地下水库人工坝体材料用料较多，施工制造成本高的问题。
针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿地下水库人工坝体，其包括：位于联络巷道内的坝体本体，所述坝体本体包括沿所述联络巷道的延伸方向排列的至少两层混凝土层，所述混凝土层外表面以及任意两层所述混凝土层之间设置防水层；穿设于所述坝体本体的若干第一锚杆，所述第一锚杆的两侧端部分别位于所述混凝土层的外侧；套设于所述锚杆上的紧固组件，所述紧固组件将所述第一锚杆锁紧于所述坝体本体上。
本发明的部分实施方式中，所述联络巷道由位于底侧的底部围岩、位于顶侧的顶部围岩以及位于左右两侧的侧部围岩形成，所述底部围岩、所述顶部围岩以及所述侧部围岩上分别设置第二锚杆，所述第二锚杆的另一端伸入所述坝体本体的侧壁。
本发明的部分实施方式中，所述坝体本体成型为长方体，沿所述坝体本体的长度和高度方向上，若干所述第一锚杆按矩阵排列。
本发明同时公开一种煤矿地下水库人工坝体的设计方法，其包括如下步骤：
根据所述联络巷道断面尺寸确定所述坝体本体的长度和高度；
根据所述坝体本体的力学模型稳定性分析确定所述坝体本体的厚度；
根据所述坝体本体的力学模型的承载力分析确定所述坝体本体的分层数目及所述锚杆的间排距。
本发明的部分实施方式中，所述根据所述坝体本体的力学模型稳定性分析确定所述坝体本体的厚度具体包括：
将所述坝体本体的力学模型设置为矩形简支板，计算所述矩形简支板的沿长度方向以及高度方向的跨中弯矩Ma、Mb；其中，所述跨中弯矩Ma、Mb采用以下公式获得；
其中，Ma0、Mb0为混凝土板的弯矩系数；q为所述矩形简支板受到的均布载荷；b为所述矩形简支板的高度；
根据以下公式获得所述矩形简支板的抗弯截面系数W；
σmax＝Mmax/W；
其中，σmax为所述矩形简支板的最大弯曲应力；Mmax＝max{Ma,Mb}；
根据所述坝体本体的抗弯截面系数W获得所述坝体本体的厚度h；
W＝ah3/6；其中，a为所述坝体本体的长度。
本发明的部分实施方式中，所述根据所述坝体本体的力学模型承载力分析确定所述坝体本体的分层数目具体包括以下步骤：
将所述坝体本体的力学模型设置为组合梁；
根据以下公式获得所述坝体本体的层数n：
σ’max＝6Mmax/(b(nh)2)
其中，σ’max为锚固后组合梁跨中的最大拉应力；σ’max≤ft(ft为所述混凝土的抗拉强度设计值；Mmax为未锚固时组合梁跨中最大弯矩；h为所述坝体本体的厚度，b为所述坝体本体的高度。
本发明的部分实施方式中，所述根据所述坝体本体的力学模型的承载力分析确定所述锚杆的间排距具体包括：
将若干层所述混凝土层的力学模型设置为组合梁；
根据以下公式获得所述锚杆的间排距a：
τa为锚杆抗剪强度；d为锚杆直径；h为所述坝体本体的厚度；l为所述组合梁跨度；q为所述组合梁所受的均布载荷。
本发明同时提供一种煤矿地下水库人工坝体的施工方法，其采用上述人工坝体，其包括如下步骤：
a.安装与联络巷道的纵向截面匹配的第一模板与第二模板，所述第一模板与所述第二模板平行设置并与所述联络巷道的侧壁形成第一容纳空间；
b.将第一锚杆穿设并固定于所述第一模板与第二模板上；
c.通过位于第一模板或第二模板上的浇筑孔向所述第一容纳空间浇筑混凝土；
d.待所述混凝土凝固后撤除所述第一模板及所述第二模板，形成第一混凝土层并在第一混凝土层两侧涂敷防水层；
e.安装与联络巷道的纵向截面匹配的第三模板，其中，所述第一锚杆穿设于所述第三模板上，所述第三模板与所述第一混凝土层平行设置并与所述联络巷道的侧壁形成第二容纳空间；
f.通过位于所述第三模板上的浇筑孔向所述第二容纳空间内浇筑混凝土；
g.待所述混凝土凝固后撤除所述第三模板，形成第二混凝土层；并在所述第二混凝土层的外侧涂敷防水层；
h.根据所述坝体本体的分层数目重复步骤e-g。
本发明的部分实施方式中，在步骤a之前，还包括如下步骤：
在所述联络巷道的底部围岩、顶部围岩以及侧部围岩上分别挖出矩形凹槽形成所述坝体本体的容纳空间；
将第二锚杆打入所述联络巷道的底部围岩、顶部围岩以及侧部围岩中，所述第二锚杆的部分杆体位于所述容纳空间内。
本发明的部分实施方式中，在步骤h之后，还包括如下步骤：
将外露于最外侧所述混凝土层的第一锚杆的杆端部安装蝶形托盘和螺母，将所述第一锚杆锁紧于的所述混凝土层上。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明提供的煤矿地下水库人工坝体中，坝体本体由若干层混凝土层组成，各分层接触面涂有防水材料，利用锚杆将各分层锚固在一起形成整体，使得各分层联合承受储水压力，坝体结构科学可靠、耗费材料少，能够适应不同储水工况条件下的人工坝体。
本发明提供的煤矿地下水库人工坝体的设计方法能够适应不同储水工况条件下的人工坝体结构设计方案的确定，不但综合考虑了人工坝体的防渗和承载要求，而且还考虑了人工坝体建设的经济成本，可为煤矿地下水库人工坝体结构的设计施工提供指导。
本发明提供的煤矿地下水库人工坝体的施工方法采用若干模板进行辅助施工，可以分层浇筑混凝土层，且每一层混凝土层上均涂敷防水层，使该人工坝体的防水效果较好。其设计施工方法简单，实用性强。
附图说明
下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:
图1为本发明煤矿地下水库人工坝体的一种
具体实施方式
在联络巷道内的结构示意图；
图2为本发明煤矿地下水库人工坝体的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的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或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示为煤矿地下水库人工坝体(以下简称人工坝体)的一种具体实施方式，其包括：位于联络巷道A内的坝体本体10，所述坝体本体10用于封堵所述联络巷道A的主断面、穿设于所述坝体本体10的若干第一锚杆20，以及将所述第一锚杆20锁紧于所述坝体本体10上的紧固组件(图中未示出)。
其中，所述联络巷道A的延伸方向垂直于采煤主巷道B；所述坝体本体10包括沿所述联络巷道A的延伸方向排列的至少两层混凝土层100，所述混凝土层100外表面以及任意两层所述混凝土层100之间设置防水层；所述第一锚杆20的两侧端部分别位于所述混凝土层100的外侧，所述紧固组件套设于所述锚杆位于所述混凝土层100外侧的区域。
上述人工坝体中，坝体本体10由若干层混凝土层100组成，各分层接触面涂有防水材料，利用锚杆将各分层锚固在一起形成整体，使得各分层联合承受储水压力，坝体结构科学可靠、耗费材料少，能够适应不同储水工况条件下的人工坝体。
具体地，所述联络巷道A由位于底侧的底部围岩、位于顶侧的顶部围岩以及位于左右两侧的侧部围岩A1形成，通常所述联络巷道A的纵向断面为大致矩形的形状；为了进一步提高该人工坝体的强度，所述底部围岩、所述顶部围岩以及所述侧部围岩A1上分别设置第二锚杆30，所述第二锚杆30的另一端伸入所述坝体本体10的侧壁。通过第二锚杆30的设置可以提高该人工坝体与联络巷道A侧壁之间的连接强度，提高了该人工坝体承受储水压力的能力。
更具体地，所述联络巷道A在设置人工坝体的位置处，即所在区域的底部围岩、顶部围岩以及侧部围岩A1上分别开设凹槽，以使该区域成型为较为规则的用于容纳所述坝体本体10的长方体容腔；所述坝体本体10则成型为长方体，沿所述坝体本体10的长度和高度方向上，若干所述第一锚杆20按矩阵排列。
本发明同时提供上述人工坝体结构的设计方法的一种具体实施方式，其包括如下步骤：
S101.根据所述联络巷道A断面尺寸确定所述坝体本体10的长度和高度；
具体地，选择坝体本体10尺寸为略大于联络巷道A的尺寸，使其嵌入所述联络巷道A的围岩中，以保证所述人工坝体的强度；更具体地，例如，煤矿中联络巷道A高度为3.5m，跨度一般为4.4m，地下水库日常最大储水高度Hmax一般为20m。根据联络巷道A断面尺寸和墙体嵌入围岩的深度，确定坝体本体10的长度a为5m，高度b为4m。
S102.根据所述坝体本体10的力学模型稳定性分析确定所述坝体本体10的厚度；
具体地，将所述坝体本体10的力学模型设置为矩形简支板，根据该矩形简支板的力学稳定性分析，首先计算所述矩形简支板的沿长度方向以及高度方向的跨中弯矩Ma、Mb；其中，所述跨中弯矩Ma、Mb采用以下公式获得；
其中，Ma0、Mb0为混凝土板的弯矩系数，可通过四面简支矩形薄板的中心弯矩系数表获得；q为所述矩形简支板受到的均布载荷，可通过以下公式获得：q＝ρ水×g×H，其中，按地下水库日常最大储水高度Hmax＝20m计算可得q＝0.2Mpa；b为所述矩形简支板的高度，本具体实施力中b＝4m；
根据以下公式获得所述矩形简支板的抗弯截面系数W；
σmax＝Mmax/W；
其中，Mmax＝max{Ma,Mb}；
σmax为所述矩形简支板的最大弯曲应力；σmax≤ft；其中，ft为选用具体型号的混凝土的抗拉强度设计值；本具体实施方式中，所述混凝土选用C30混凝土，ft＝1.43Mpa；
根据所述坝体本体10的抗弯截面系数W获得所述坝体本体10的厚度h；
W＝ah3/6；其中，a为所述坝体本体10的长度；
最终得出坝体总厚度h≥0.55m，故坝体总厚度可取为0.6m。
S103.根据所述坝体本体10的力学模型的承载力分析确定所述坝体本体10的分层数目及所述锚杆的间排距。
具体地，根据所述坝体本体10的力学模型承载力分析确定所述坝体本体10的分层数目具体包括以下步骤：
将所述坝体本体10的力学模型设置为组合梁；
根据以下公式获得所述坝体本体10的层数n：
σ’max＝6Mmax/(b(nh)2)
其中，σ’max为锚固后组合梁跨中的最大拉应力；σ’max≤ft(ft为所述混凝土的抗拉强度设计值；本具体实施方式中，所述混凝土选用C30混凝土，ft＝1.43Mpa；
h为所述坝体本体10的厚度，b为所述坝体本体10的高度；
Mmax为未锚固时组合梁跨中最大弯矩；其通过如下公式获得：
Mmax＝ql2/2，l为组合梁跨度，即所述坝体本体10的长度，q为所述组合梁所受的均布载荷；
最终得出所述坝体本体10分层数目n≥1.18，考虑到坝体分层数目越多，坝体中的防渗薄层数越多，坝体的防渗性越好，但同时也会增加施工工序，因此坝体分层数目可取为2或3。
所述根据所述坝体本体10的力学模型的承载力分析确定所述锚杆的间排距具体包括：
将若干层所述混凝土层100的力学模型设置为组合梁；
根据以下公式获得所述锚杆的间排距a：
其中，τa为锚杆抗剪强度；d为锚杆直径；h为所述坝体本体10的厚度；l为所述组合梁跨度；q为所述组合梁所受的均布载荷；本具体实施方式中，所述锚杆选用煤矿巷道支护常用锚杆类型，如杆体直径d为25mm，屈服强度为335MPa，抗剪强度为150MPa的左旋无纵肋螺纹钢锚杆。
代入相关参数，可得出第一锚杆20间排距a≤316mm，为保证锚固强度连接，所述坝体本体10各分层的第一锚杆20的布置间排距a可取为310mm。
这样，可以通过上述设计方法能够适应不同储水工况条件下的人工坝体结构设计方案的确定，不但综合考虑了人工坝体的防渗和承载要求，而且还考虑了人工坝体建设的经济成本，可为煤矿地下水库人工坝体结构的设计施工提供指导。
本发明同时提供采用上述人工坝体结构的的施工方法的一种具体实施方式，根据上述设计方法的结果，所述坝体本体10的长度a为5m，高度b为4m，厚度h为0.6m，坝体本体10分层数为3层，因此，每一层所述混凝土层100为0.2m，该施工方法包括如下步骤：
a.安装与联络巷道A的纵向截面匹配的第一模板与第二模板，所述第一模板与所述第二模板平行设置并与所述联络巷道A的侧壁形成第一容纳空间a1；
具体地，在所述联络巷道A的底部围岩、顶部围岩以及侧部围岩A1上分别挖出矩形凹槽形成所述坝体本体10的容纳空间，更具体地，所述容纳空间的长度为5m，高度为4m，厚度大于0.6m；将第二锚杆30打入所述联络巷道A的底部围岩、顶部围岩以及侧部围岩A1中，所述第二锚杆30的部分杆体位于所述容纳空间内。
具体地，所述第一容纳空间a1的厚度为0.2m；所述第一模板与所述第二模板成型为长度5m，高度4m、厚度为10-20mm厚的矩形钢板，以避免在第一容纳空间a1内浇筑混凝土时发生形变。
b.将若干按矩阵排布的第一锚杆20穿设并固定于所述第一模板与第二模板上，具体地，可通过两个分别位于第一模板与第二模板外侧的紧固螺母将第一锚杆20固定在第一模板与第二模板上；
c.通过位于第一模板或第二模板上的浇筑孔向所述第一容纳空间a1浇筑混凝土；具体地，所述浇筑孔位于所述第一模板或第二模板的上侧区域，以便于混凝土在所述第一容纳空间a1内均匀地灌注；
d.所述混凝土凝固后撤除所述第一模板及所述第二模板，形成第一混凝土层100并在第一混凝土层100两侧涂敷防水层；具体地，为了避免所述第一混凝土层100与所述底部围岩、顶部围岩以及侧部围岩A1上的矩形凹槽之间的缝隙渗水，在所述缝隙内填充防水材料；
e.安装与联络巷道A的纵向截面匹配的第三模板，其中，所述第一锚杆20穿设于所述第三模板上，所述第三模板与所述第一混凝土层100平行设置并与所述联络巷道A的侧壁形成第二容纳空间a2；具体地，所述第三模板成型为长度5m，高度4m、厚度为10-20mm厚的矩形钢板，所述第二容纳空间a2的厚度为0.2m。
f.通过位于所述第三模板上的浇筑孔向所述第二容纳空间a2内浇筑混凝土；
g.待所述混凝土凝固后撤除所述第三模板，形成第二混凝土层100；并在所述第二混凝土层100的外侧涂敷防水层；
h.继续安装第三模板，其中，所述第一锚杆20穿设于所述第三模板上，所述第三模板与所述第二混凝土层100平行设置并与所述联络巷道A的侧壁形成第二容纳空间a2；具体地，所述第三容纳空间a3的厚度为0.2m；
i.通过位于所述第三模板上的浇筑孔向所述第三容纳空间a3内浇筑混凝土；
j.待所述混凝土凝固后撤除所述第三模板，形成第三混凝土层100；并在所述第三混凝土层100的外侧涂敷防水层；
k.将外露于所述第三混凝土层100的第一锚杆20的杆端部安装蝶形托盘和螺母，将所述第一锚杆20锁紧于的所述混凝土层100上。
采用若干模板进行辅助施工，可以分层浇筑混凝土层100，且每一层混凝土层100上均涂敷防水层，使该人工坝体的防水效果较好。其设计施工方法简单，实用性强。
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形式的变化或变动。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。
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