煤礦地下水庫人工擋大壩安全評(píng)估

煤礦地下水庫人工擋大壩安全評(píng)估

1人工擋壩安全分析數(shù)學(xué)模型的建立神東礦區(qū)位于中國西部晉陜蒙交界處，是神華集團(tuán)的中心礦區(qū)。現(xiàn)在，世界上唯一的2億噸礦區(qū)已經(jīng)建成。然而，該地區(qū)位于西部生態(tài)脆弱地區(qū)，水資源不足。隨著采空區(qū)的增加，礦區(qū)的生產(chǎn)和生活水量逐年增加。水資源的缺乏是礦區(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)煤礦地下水庫技術(shù),即通過構(gòu)筑人工壩體將不連續(xù)的煤柱壩體連成一體,形成水庫壩體,利用煤炭開采形成的采空區(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,在充分利用地下開采空間的條件下,有效解決了礦區(qū)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(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題,對(duì)礦井生產(chǎn)采區(qū)的安全開采、煤礦地下水庫的穩(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人工蓄水的安全可靠性分析2.1擋水墻施工質(zhì)量影響經(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人工擋壩可靠性相關(guān)研究從人工擋水壩結(jié)構(gòu)受力出發(fā),通過對(duì)物理模型的簡化,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。2.2.1墻體安全水壓公式(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;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)墻體長度,m;S3———閘墻計(jì)算承受剪切面積,m2;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人工擋壩安全水壓公式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)取<0.45。根據(jù)上述公式,可以推得安全水壓公式:根據(jù)現(xiàn)場實(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使用示例3.1分析：煤礦地下水庫的手動(dòng)蓄水3.1.1北翼回風(fēng)積水水質(zhì)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,長度均大于2270m。31104~31116工作面采空區(qū)積水面積249萬m2,從北翼回風(fēng)29聯(lián)巷監(jiān)測水壓0.02MPa,積水標(biāo)高1098.7m,平均積水深度5.2m,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(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工作面斷面確定烏蘭木倫煤礦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0.5m磚墻+0.8m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。3.1.3泥質(zhì)粉砂質(zhì)巖地層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11.76~29.30MPa,平均20.53MPa;頂、底板泥巖自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度28.44MPa,飽水后抗壓強(qiáng)度降為18.57MPa,彈性模數(shù)0.073壓強(qiáng)度,凝聚力3.30~6.89MPa,軟化系數(shù)0.57,其水穩(wěn)性較好,屬半堅(jiān)硬巖石。3.2安全水頭高度目前,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3.2m,水頭壓力為0.032MPa,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1.27N/mm2,人工擋水壩巷道凈寬B為5.0m,巷道凈高H為3.6m,幫槽深度E1為0.5m,底槽深度E2為0.2m,頂槽深度E3為0.3m,墻體長度L為1.0m,巖石抗壓強(qiáng)度Rc為11.76MPa,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、197.4m;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15.8m,所對(duì)應(yīng)的水頭壓力為0.158MPa,目前井下各工作面所對(duì)應(yīng)的實(shí)際水頭高度為3.2m,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礦井采空區(qū)礦井水復(fù)用通過辨識(shí)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(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,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漏量長久持續(xù),避免水流長期對(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(觀測)技術(shù)措施。在日常井下采空區(qū)礦井水復(fù)用的過程中,要時(shí)刻動(dòng)態(tài)監(jiān)測采空區(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(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。(3)管理措施。要認(rèn)真調(diào)查摸清已采工作面的開采范圍、深度及積水情況,加強(qiáng)礦井井下地測工作,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