煤矿地下水库人工挡水坝安全性分析

张国恩

（神华神东煤炭集团公司乌兰木伦煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017209）

1 概述

神东矿区地处西部晋陕蒙接壤区，是神华集团的核心矿区，目前已建成世界唯一的2 亿吨级矿区，但是该地区位于西部生态脆弱区，水资源匮乏，随着开采规模不断加大，矿区生产和生活用水量逐年增加，水资源短缺已成为矿区科学发展的瓶颈。由于矿区煤层埋深浅且煤层厚度大，煤炭开采形成的冒裂带直接导通第四系含水层，进而导致传统供水水源地水源日益枯竭，同时为保障井下安全生产，大量矿井水外排地表很快蒸发损失。为充分利用矿井水，减少矿井污水外排量，神东矿区研发煤矿地下水库技术，即通过构筑人工坝体将不连续的煤柱坝体连成一体，形成水库坝体，利用煤炭开采形成的采空区空隙储水，将矿井水注入采空区内，进行沉淀、过滤储存并作为矿区生产生活水源，实现矿井水的自然储存和净化，同时确保不对生产采区的正常生产造成影响，在充分利用地下开采空间的条件下，有效解决了矿区供水和污水外排问题。

人工挡水坝作为煤矿地下水库坝体的主要组成部分，也是其安全薄弱环节，对保障井下储水安全起到关键作用。因此，人工挡水坝的可靠性及承压的安全性问题，对矿井生产采区的安全开采、煤矿地下水库的稳定储水起到了至关重要的作用。针对此，本文运用系统分析方法，分析了影响坝体承压能力及稳定性的潜在因素，即人工挡水坝墙体自身强度、墙体围岩强度、完整性及裂隙发育程度和水压大小及性质，剖析了人工挡水坝的受力情况，建立了人工挡水坝安全分析数学模型，进行了定性及定量评估。以神东矿区乌兰木伦矿地下水库挡水坝体进行了实证分析，研究表明目前构筑的人工挡水坝能够满足井下储水安全要求，同时该方法成功应用也为后续坝体建设提供了技术参考。

2 人工挡水坝安全可靠性分析方法

2.1 人工挡水坝受力分析

经分析研究影响人工挡水坝可靠性的主要因素有墙体自身强度、墙体周边围岩工程地质性质、水体性质及压力大小、安全煤柱留设尺寸、墙体施工质量及维护情况等，同时挡水坝构筑位置附近围岩完整性、裂隙发育程度、墙体及其与围岩结合部分的施工质量等也对其安全稳定性及承压能力有较大影响。人工挡水坝受力结构如图1所示。

2.2 人工挡水坝安全评估数学模型

从人工挡水坝结构受力出发，通过对物理模型的简化，参考材料力学、弹性力学等学科知识，结合相关对人工挡水坝的研究成果，分析认为井下人工挡水坝硐室作为一个由人工挡水坝及围岩形成的整体，其强度及稳定性将取决于两者的有机统一体，对人工挡水坝的可靠性分析，根据受力性质的不同，分别以人工挡水坝主体受力结构、围岩为研究对象，建立数学模型。

图1 人工挡水坝受力示意图

2.2.1 根据人工挡水坝混凝土强度校核

（1）按人工挡水坝混凝土强度及乌兰木伦煤矿实际施工的人工挡水坝嵌入围岩的深度参数E，确定其可承受的安全水压。

式中：Ps——人工挡水坝承受的安全水压，MPa；

B——巷道净宽，m；

H——巷道净高，m；

E1——帮槽深度，m；

E2——底槽深度，m；

E3——顶槽深度，m；

S1——墙体迎水端受水压作用总面积，m2；

S2——墙体与围岩作用的承压面积，m2；

fc——混凝土抗压强度，MPa；

γ0——结构的重要性系数，取1.2；

γh——混凝土折减系数，取0.85。

式（1）左边为作用在人工挡水坝嵌入围岩段上的水压力大小，公式右边为人工挡水坝墙体自身抗压强度所能承受的力，该公式物理意义为墙体承受的水压大小应在墙体自身抗压强度所能承受的作用力范围之内。

根据上述公式，可以推得安全水压公式：

根据现场实际施工的各人工挡水坝的实际尺寸及材料参数确定的人工挡水坝安全水压如大于实际水压，则该人工挡水坝是可靠的，承压是安全的；反之，则是不安全的，需对不安全的人工挡水坝进行整改。

（2）按人工挡水坝混凝土抗剪强度及本矿井实际施工的人工挡水坝主要承载结构的长度，确定其承受的安全水压。

式中：L——人工挡水坝主要承载结构墙体长度，m；

S3——闸墙计算承受剪切面积，m2；

τ——混凝土允许抗剪强度，MPa；

fc——混凝土抗压强度，MPa；

ft——混凝土抗拉强度，MPa。

式（5）左边为作用在沿巷道轴线方向人工挡水坝上的水压力大小，公式右边为人工挡水坝墙体自身抗剪强度所能承受的力，该公式物理意义为墙体承受的水压大小应在墙体自身抗剪强度所能承受的作用力范围之内。

根据上述公式，可以推得安全水压公式：

根据现场实际施工的各人工挡水坝的实际尺寸及材料参数确定的人工挡水坝安全水压如大于实际水压，则该人工挡水坝是可靠的，承压是安全的；反之，则是不安全的，需对不安全的人工挡水坝进行整改。

2.2.2 根据围岩强度校核

按人工挡水坝围岩抗剪强度及本矿井实际施工的人工挡水坝主要受力结构的尺寸参数，确定其承受的安全水压。

式中：γc——掏槽施工对围岩的影响系数，取1.6；

R——岩体抗压强度，MPa；

Rc——岩石抗压强度，MPa；

Ra——岩体裂隙系数。

式（9）左边为作用在沿巷道轴线方向人工挡水坝围岩上的水压力大小，公式右边为围岩自身抗剪强度所能承受的力，该公式物理意义为围岩承受的水压大小应在围岩自身抗剪强度所能承受的作用力范围之内。

岩体裂隙系数Ra在岩体节理不发育时＞0.75；岩体节理较发育时取0.45～0.75；岩体节理发育时取0.45～0.75；岩体节理很发育时取＜0.45。

根据上述公式，可以推得安全水压公式：

根据现场实际施工的各人工挡水坝的实际尺寸及围岩材料参数确定的人工挡水坝安全水压如大于实际水压，则该人工挡水坝是可靠的，承压是安全的；反则，是不安全的，需对不安全的人工挡水坝进行整改。

3 应用实例

3.1 煤矿地下水库人工挡水坝现状分析

3.1.1 工作面主要开采参数

目前乌兰木伦煤矿井下作为储水利用区的主要为31＃煤层一盘区31104～31116 工作面采空区，各工作面均为综采采空区，采高3.5m，工作面宽度200m，长度均大于2270m。31104～31116工作面采空区积水面积249万m2，从北翼回风29联巷监测水压0.02 MPa，积水标高1098.7m，平均积水深度5.2 m，积水量387.3 万m3，注水量5808m3／d，排水量为14688m3／d，水位控制密闭强底板以下3.2m。

由于矿井生产巷道掘进及采空塌陷，31＃煤层采空区储水区分别布置在处于最低标高位置的31104～31116工作面采空区，在已采采空区与现有井下生产巷道之间设置人工挡水坝，各人工挡水坝主要设置在31＃煤层一盘区北部最外侧的31116-2工作面与大巷之间的辅运巷道、回撤巷道及联络巷中，共设置5道人工挡水坝将采空区储水进行封闭，主要承受水压及以后承受最大水压的人工挡水坝均为MB-1号人工挡水坝。

3.1.2 坝体结构

乌兰木伦煤矿31104～31116工作面采空区人工挡水坝结构形式基本类似，均为砖墙+充填层+砼墙的复合墙体结构。工作面巷道断面为5.0m×3.7m，施工完毕砼底板后断面为5.0m×3.7m。31104～31116采空区靠近大巷的MB-1号人工挡水坝规格为0.5 m 砖墙+0.8 m 鹅卵石玛丽散+0.37m 砖墙+1m 砼墙+0.75m 砖墙，墙体施工时帮槽深0.5m，底槽0.2m，顶槽0.3m，人工挡水坝采用沙灰比为1∶3的水泥沙浆固定，如图2所示。

图2 乌兰木伦矿MB-1人工挡水坝结构剖面图

3.1.3 人工挡水坝周边岩性情况

井下各人工挡水坝主要设置在煤层顶底板岩层中，31＃煤层平均厚度3.64m，煤顶板岩性主要为层状、厚层状的粉砂质泥岩，局部为砂岩。煤层底板岩性主要为层状粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。31＃煤 层 抗 压 强 度 11.76 ～29.30 MPa， 平 均20.53 MPa；顶、底板泥岩自然状态下抗压强度28.44 MPa，饱水后抗压强度降为18.57 MPa，弹性模数0.073 压强度，凝聚力3.30～6.89 MPa，软化系数0.57，其水稳性较好，属半坚硬岩石。

3.2 人工挡水坝安全可靠性分析

目前，乌兰木伦煤矿井下施工的人工挡水坝实际承受的水头高度3.2 m，水头压力为0.032 MPa，作用在整个人工挡水坝上的抗压及抗剪强度将在其主体受力结构的承受范围内，各防水闸门均采用嵌入煤体的平板式结构。

由于现场实际施工的人工挡水坝为多层复合结构，根据本次分析的内容，按照墙体主体受力结构强度对其稳定性及抗压能力进行评估，同时结合主体受力结构墙体抗渗性进行验算。乌兰木伦煤矿井下人工挡水坝主体受力结构为混凝土砌碹墙体，混凝土强度等级为C25，因此，混凝土抗压强度为11.90N／mm2，混凝土抗拉强度为1.27 N／mm2，人工挡水坝巷道净宽B 为5.0m，巷道净高H 为3.6 m，帮槽深度E1为0.5 m，底槽深度E2为0.2m，顶槽深度E3为0.3m，墙体长度L 为1.0 m，岩石抗压强度Rc为11.76 MPa，裂隙系数为0.45。

依据以上计算参数，根据上述计算公式获得混凝土强度等级C25 的墙体依据抗压强度及抗剪强度核算的安全水头高度较大，工作面安全水头最小值分别达到309.1m、197.4 m；根据工作面各人工挡水坝煤层抗剪强度核算的安全水头高度为15.8m；根据工作面各人工挡水坝混凝土结构抗渗性验算的安全水头高度为31.0m。

人工挡水坝结构安全性及承压能力受多因素影响，由于人工挡水坝硐室为人工挡水坝与围岩形成的一个整体，其强度取决于两者的有机组合，同时与墙体自身的抗渗性能有关，则人工挡水坝所能承受的最大水头高度取决于三者中的较小值，故乌兰木伦煤矿井下31104～31116工作面各人工挡水坝硐室承受的水头高度为15.8m 作为其临界安全水头高度。

乌兰木伦煤矿井下各人工挡水坝均承受采空区内封存的静水体压力，根据建立的物理、数学模型，结合乌兰木伦煤矿井下31＃煤层物理力学参数及井下巷道尺寸，核算31＃煤层一盘区31104～31116工作面采空区储水区的安全水头高度为15.8 m，所对应的水头压力为0.158 MPa，目前井下各工作面所对应的实际水头高度为3.2 m，由于31104～31116工作面采空区人工挡水坝实际承受的水头高度小于安全水头高度，因此，乌兰木伦煤矿井下31104～31116工作面采空区人工挡水坝在保证围岩强度、完整性及裂隙发育程度的条件下，方可保证在15.8m 的水头高度条件下，不影响生产区的正常生产，保证井下采空区矿井水复用的正常进行。

4 整改措施及建议

通过辨识与分析影响乌兰木伦煤矿地下水库人工挡水坝承压能力及稳定性的潜在因素，将潜在影响因素划分为4个评估单元，通过受力分析，建立数学模型，对评估单元进行了定性及定量评估。得出人工挡水坝能够满足现在采空区储水要求，但仍存在部分问题，同时提出相应的整改措施及建议。

（1）针对目前井下31＃煤层各工作面部分人工挡水坝出现渗漏问题，建议查明渗漏的直接原因，加强采空区水体动态观测，严密控制渗漏量，严格按设计的防水煤柱尺寸进行留设，不可使渗漏量长久持续，避免水流长期对渗流通道的冲蚀扩大，采取注浆封堵等有效措施对渗漏部位进行处理，加固人工挡水坝体，同时合理控制采空区内注排量，保证矿井其他采区的正常生产，确保井下采空区矿井水复用的可持续性。

（2）监测 （观测）技术措施。在日常井下采空区矿井水复用的过程中，要时刻动态监测采空区水体的水位及水压，严格控制水位，当井下水位接近警戒水位线时，应引起足够重视，合理控制注排量，严禁井下水位超过限制水位线。

建议在人工挡水坝中增加放水管路及观测仪表，时刻动态掌握采空区水资源的相关参数，合理控制采空区水体的注入量及供水量，确保所施工的人工挡水坝及留设的安全煤柱的承压性及可靠性，加强对人工挡水坝体周围围岩裂隙发育程度及渗透性的观测。

（3）管理措施。要认真调查摸清已采工作面的开采范围、深度及积水情况，加强矿井井下地测工作，以便准确的留足防水煤柱，根据收集的资料，在合适位置施工安全可靠的人工挡水坝工程。严格按照设计的人工挡水坝进行施工，同时在施工过程中应采取有效措施，保证围岩的完整性及强度，减小其裂隙数量，在人工挡水坝施工完成后，加强对人工挡水坝体周围围岩裂隙发育程度及渗透性的观测，必要时，采取有效措施对 硐室围岩进行加固处理，保证井下矿井水复用的有效进行。

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