煤礦地下水庫人工擋水壩安全性分析

張國恩

（神華神東煤炭集團公司烏蘭木倫煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017209）

1 概述

神東礦區地處西部晉陜蒙接壤區，是神華集團的核心礦區，目前已建成世界唯一的2 億噸級礦區，但是該地區位于西部生態脆弱區，水資源匱乏，隨著開采規模不斷加大，礦區生產和生活用水量逐年增加，水資源短缺已成為礦區科學發展的瓶頸。由于礦區煤層埋深淺且煤層厚度大，煤炭開采形成的冒裂帶直接導通第四系含水層，進而導致傳統供水水源地水源日益枯竭，同時為保障井下安全生產，大量礦井水外排地表很快蒸發損失。為充分利用礦井水，減少礦井污水外排量，神東礦區研發煤礦地下水庫技術，即通過構筑人工壩體將不連續的煤柱壩體連成一體，形成水庫壩體，利用煤炭開采形成的采空區空隙儲水，將礦井水注入采空區內，進行沉淀、過濾儲存并作為礦區生產生活水源，實現礦井水的自然儲存和凈化，同時確保不對生產采區的正常生產造成影響，在充分利用地下開采空間的條件下，有效解決了礦區供水和污水外排問題。

人工擋水壩作為煤礦地下水庫壩體的主要組成部分，也是其安全薄弱環節，對保障井下儲水安全起到關鍵作用。因此，人工擋水壩的可靠性及承壓的安全性問題，對礦井生產采區的安全開采、煤礦地下水庫的穩定儲水起到了至關重要的作用。針對此，本文運用系統分析方法，分析了影響壩體承壓能力及穩定性的潛在因素，即人工擋水壩墻體自身強度、墻體圍巖強度、完整性及裂隙發育程度和水壓大小及性質，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學模型，進行了定性及定量評估。以神東礦區烏蘭木倫礦地下水庫擋水壩體進行了實證分析，研究表明目前構筑的人工擋水壩能夠滿足井下儲水安全要求，同時該方法成功應用也為后續壩體建設提供了技術參考。

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度、墻體周邊圍巖工程地質性質、水體性質及壓力大小、安全煤柱留設尺寸、墻體施工質量及維護情況等，同時擋水壩構筑位置附近圍巖完整性、裂隙發育程度、墻體及其與圍巖結合部分的施工質量等也對其安全穩定性及承壓能力有較大影響。人工擋水壩受力結構如圖1所示。

2.2 人工擋水壩安全評估數學模型

從人工擋水壩結構受力出發，通過對物理模型的簡化，參考材料力學、彈性力學等學科知識，結合相關對人工擋水壩的研究成果，分析認為井下人工擋水壩硐室作為一個由人工擋水壩及圍巖形成的整體，其強度及穩定性將取決于兩者的有機統一體，對人工擋水壩的可靠性分析，根據受力性質的不同，分別以人工擋水壩主體受力結構、圍巖為研究對象，建立數學模型。

圖1 人工擋水壩受力示意圖

2.2.1 根據人工擋水壩混凝土強度校核

（1）按人工擋水壩混凝土強度及烏蘭木倫煤礦實際施工的人工擋水壩嵌入圍巖的深度參數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——混凝土抗壓強度，MPa；

γ0——結構的重要性系數，取1.2；

γh——混凝土折減系數，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在墻體自身抗壓強度所能承受的作用力范圍之內。

根據上述公式，可以推得安全水壓公式：

根據現場實際施工的各人工擋水壩的實際尺寸及材料參數確定的人工擋水壩安全水壓如大于實際水壓，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，需對不安全的人工擋水壩進行整改。

（2）按人工擋水壩混凝土抗剪強度及本礦井實際施工的人工擋水壩主要承載結構的長度，確定其承受的安全水壓。

式中：L——人工擋水壩主要承載結構墻體長度，m；

S3——閘墻計算承受剪切面積，m2；

τ——混凝土允許抗剪強度，MPa；

fc——混凝土抗壓強度，MPa；

ft——混凝土抗拉強度，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在墻體自身抗剪強度所能承受的作用力范圍之內。

根據上述公式，可以推得安全水壓公式：

根據現場實際施工的各人工擋水壩的實際尺寸及材料參數確定的人工擋水壩安全水壓如大于實際水壓，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，需對不安全的人工擋水壩進行整改。

2.2.2 根據圍巖強度校核

按人工擋水壩圍巖抗剪強度及本礦井實際施工的人工擋水壩主要受力結構的尺寸參數，確定其承受的安全水壓。

式中：γc——掏槽施工對圍巖的影響系數，取1.6；

R——巖體抗壓強度，MPa；

Rc——巖石抗壓強度，MPa；

Ra——巖體裂隙系數。

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在圍巖自身抗剪強度所能承受的作用力范圍之內。

巖體裂隙系數Ra在巖體節理不發育時＞0.75；巖體節理較發育時取0.45～0.75；巖體節理發育時取0.45～0.75；巖體節理很發育時取＜0.45。

根據上述公式，可以推得安全水壓公式：

根據現場實際施工的各人工擋水壩的實際尺寸及圍巖材料參數確定的人工擋水壩安全水壓如大于實際水壓，則該人工擋水壩是可靠的，承壓是安全的；反則，是不安全的，需對不安全的人工擋水壩進行整改。

3 應用實例

3.1 煤礦地下水庫人工擋水壩現狀分析

3.1.1 工作面主要開采參數

目前烏蘭木倫煤礦井下作為儲水利用區的主要為31＃煤層一盤區31104～31116 工作面采空區，各工作面均為綜采采空區，采高3.5m，工作面寬度200m，長度均大于2270m。31104～31116工作面采空區積水面積249萬m2，從北翼回風29聯巷監測水壓0.02 MPa，積水標高1098.7m，平均積水深度5.2 m，積水量387.3 萬m3，注水量5808m3／d，排水量為14688m3／d，水位控制密閉強底板以下3.2m。

由于礦井生產巷道掘進及采空塌陷，31＃煤層采空區儲水區分別布置在處于最低標高位置的31104～31116工作面采空區，在已采采空區與現有井下生產巷道之間設置人工擋水壩，各人工擋水壩主要設置在31＃煤層一盤區北部最外側的31116-2工作面與大巷之間的輔運巷道、回撤巷道及聯絡巷中，共設置5道人工擋水壩將采空區儲水進行封閉，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號人工擋水壩。

3.1.2 壩體結構

烏蘭木倫煤礦31104～31116工作面采空區人工擋水壩結構形式基本類似，均為磚墻+充填層+砼墻的復合墻體結構。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采空區靠近大巷的MB-1號人工擋水壩規格為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人工擋水壩結構剖面圖

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置在煤層頂底板巖層中，31＃煤層平均厚度3.64m，煤頂板巖性主要為層狀、厚層狀的粉砂質泥巖，局部為砂巖。煤層底板巖性主要為層狀粉砂質泥巖和泥質粉砂巖。31＃煤 層 抗 壓 強 度 11.76 ～29.30 MPa， 平 均20.53 MPa；頂、底板泥巖自然狀態下抗壓強度28.44 MPa，飽水后抗壓強度降為18.57 MPa，彈性模數0.073 壓強度，凝聚力3.30～6.89 MPa，軟化系數0.57，其水穩性較好，屬半堅硬巖石。

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際承受的水頭高度3.2 m，水頭壓力為0.032 MPa，作用在整個人工擋水壩上的抗壓及抗剪強度將在其主體受力結構的承受范圍內，各防水閘門均采用嵌入煤體的平板式結構。

由于現場實際施工的人工擋水壩為多層復合結構，根據本次分析的內容，按照墻體主體受力結構強度對其穩定性及抗壓能力進行評估，同時結合主體受力結構墻體抗滲性進行驗算。烏蘭木倫煤礦井下人工擋水壩主體受力結構為混凝土砌碹墻體，混凝土強度等級為C25，因此，混凝土抗壓強度為11.90N／mm2，混凝土抗拉強度為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，墻體長度L 為1.0 m，巖石抗壓強度Rc為11.76 MPa，裂隙系數為0.45。

依據以上計算參數，根據上述計算公式獲得混凝土強度等級C25 的墻體依據抗壓強度及抗剪強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到309.1m、197.4 m；根據工作面各人工擋水壩煤層抗剪強度核算的安全水頭高度為15.8m；根據工作面各人工擋水壩混凝土結構抗滲性驗算的安全水頭高度為31.0m。

人工擋水壩結構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整體，其強度取決于兩者的有機組合，同時與墻體自身的抗滲性能有關，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內封存的靜水體壓力，根據建立的物理、數學模型，結合烏蘭木倫煤礦井下31＃煤層物理力學參數及井下巷道尺寸，核算31＃煤層一盤區31104～31116工作面采空區儲水區的安全水頭高度為15.8 m，所對應的水頭壓力為0.158 MPa，目前井下各工作面所對應的實際水頭高度為3.2 m，由于31104～31116工作面采空區人工擋水壩實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工作面采空區人工擋水壩在保證圍巖強度、完整性及裂隙發育程度的條件下，方可保證在15.8m 的水頭高度條件下，不影響生產區的正常生產，保證井下采空區礦井水復用的正常進行。

4 整改措施及建議

通過辨識與分析影響烏蘭木倫煤礦地下水庫人工擋水壩承壓能力及穩定性的潛在因素，將潛在影響因素劃分為4個評估單元，通過受力分析，建立數學模型，對評估單元進行了定性及定量評估。得出人工擋水壩能夠滿足現在采空區儲水要求，但仍存在部分問題，同時提出相應的整改措施及建議。

（1）針對目前井下31＃煤層各工作面部分人工擋水壩出現滲漏問題，建議查明滲漏的直接原因，加強采空區水體動態觀測，嚴密控制滲漏量，嚴格按設計的防水煤柱尺寸進行留設，不可使滲漏量長久持續，避免水流長期對滲流通道的沖蝕擴大，采取注漿封堵等有效措施對滲漏部位進行處理，加固人工擋水壩體，同時合理控制采空區內注排量，保證礦井其他采區的正常生產，確保井下采空區礦井水復用的可持續性。

（2）監測 （觀測）技術措施。在日常井下采空區礦井水復用的過程中，要時刻動態監測采空區水體的水位及水壓，嚴格控制水位，當井下水位接近警戒水位線時，應引起足夠重視，合理控制注排量，嚴禁井下水位超過限制水位線。

建議在人工擋水壩中增加放水管路及觀測儀表，時刻動態掌握采空區水資源的相關參數，合理控制采空區水體的注入量及供水量，確保所施工的人工擋水壩及留設的安全煤柱的承壓性及可靠性，加強對人工擋水壩體周圍圍巖裂隙發育程度及滲透性的觀測。

（3）管理措施。要認真調查摸清已采工作面的開采范圍、深度及積水情況，加強礦井井下地測工作，以便準確的留足防水煤柱，根據收集的資料，在合適位置施工安全可靠的人工擋水壩工程。嚴格按照設計的人工擋水壩進行施工，同時在施工過程中應采取有效措施，保證圍巖的完整性及強度，減小其裂隙數量，在人工擋水壩施工完成后，加強對人工擋水壩體周圍圍巖裂隙發育程度及滲透性的觀測，必要時，采取有效措施對 硐室圍巖進行加固處理，保證井下礦井水復用的有效進行。

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