一种地下水库人工坝体及其建造方法与流程

1.本发明涉及煤矿地下水库技术领域，特别地涉及一种地下水库人工坝体及其建造方法。


背景技术：

2.在我国西部生态脆弱矿区，地下水库储水技术已成为煤水资源共采技术的重要组成部分，其中人工坝体的稳定性是评价地下水库能否构建并长期安全使用的关键因素之一。目前，人工坝体通过设置防渗帷幕等措施，降低挡水坝体周围的渗透压力和渗透量，但防渗效果不理想，不能满足地下水库坝体防漏及稳定性等需求。
3.人工坝体的渗流主要有绕坝渗流和坝基渗流两种形式，且人工坝体多是垂直嵌入煤柱坝体和围岩，这种人工坝体受力较大，稳定性不够，且人工坝体与煤柱的连接处、人工坝体与坝基的连接处以及人工坝体本身的密封性和防渗性不佳，现有人工坝体及坝体建造方法不能满足煤矿地下水库人工坝体的高防渗性及安全可靠性的需求。因此，急需一种能够提高人工坝体的密封、防渗效果以及安全可靠性的方法来解决上述问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种地下水库人工坝体及其建造方法，通过蓄水陶土对坝基底部的铺垫，可以提高坝基的蓄水和隔水功能，防止坝基渗流；通过防水凝胶对凹槽连接处的涂抹、锚固，可提高坝体与煤柱连接处的密封性。
5.第一方面，本发明提出一种地下水库人工坝体的建造方法，包括以下步骤：
6.步骤一、在所述人工坝体的坝基两侧的预留煤柱上分别开设出第一凹槽与第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽的槽口相互正对；
7.步骤二、沿所述第一凹槽至所述第二凹槽的方向，在所述坝基上开挖出基槽，所述基槽的两端分别延伸至所述第一凹槽与所述第二凹槽的底部并连通所述第一凹槽与所述第二凹槽；
8.步骤三、在所述基槽中均匀铺垫定量的蓄水陶土并捣实，在所述第一凹槽与所述第二凹槽的内壁上、所述基槽中以及所述基槽上方的采空区顶壁上涂抹防水凝胶；
9.步骤四、沿所述第一凹槽至所述第二凹槽的方向，在所述基槽中构筑出所述人工坝体，所述人工坝体的顶部与所述采空区的顶壁接触。
10.在一个实施方式中，步骤一中，还包括：确定所述地下水库以及所述人工坝体的建造区域，所述建造区域满足地质构造稳且不存在断裂、断层以及错层的地质构造。
11.在一个实施方式中，步骤三中，还包括：对所述防水凝胶进行养护。通过本实施方式，防水凝胶养护后，其防渗漏效果达到最佳。
12.在一个实施方式中，步骤四中，还包括：在所述人工坝体迎水一侧的表面上涂抹防水凝胶。通过本实施方式，人工坝体表面上涂抹防水凝胶，可以防止水体对人工坝体的侵蚀。
13.在一个实施方式中，步骤四中，所述人工坝体构筑为包括：
14.混凝土层，所述混凝土层位于所述人工坝体的两端并构筑于所述第一凹槽与所述第二凹槽中；
15.粘土层，所述粘土层位于所述人工坝体的中部；
16.红砖层，所述红砖层位于所述粘土层与所述混凝土层之间。
17.在一个实施方式中，所述混凝土层与所述红砖层之间、所述红砖层与所述粘土层之间均涂抹有防水凝胶。
18.在一个实施方式中，所述基槽为弧形，所述第一凹槽与所述第二凹槽均为对应所述基槽的弧形，所述人工坝体为拱形坝。通过本实施方式，拱形结构分解了人工坝体的受力，可改善坝体在动载作用下的破坏情况；同时拱形的形状使相应的接触面面积增大，配合防水凝胶和蓄水陶土的使用，使人工坝体具有更良好的密封性。
19.第二方面，本发明提出一种地下水库人工坝体，其采用上述的建造方法建造而成。
20.在一个实施方式中，所述人工坝体的粘土层、红砖层以及混凝土层的长度比为10：3：5。
21.在一个实施方式中，所述粘土层的长度为2～2.3m。
22.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
23.本发明提供的一种地下水库人工坝体及其建造方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
24.1、本发明的地下水库在采空区的基础上建设，充分利用矿井地下空间资源存储水资源，提高地下空间资源开发利用率，提升了水库安全性，大幅降低了地下水库的修建难度和修建成本，经济环保；
25.2、本发明的人工坝体建造方法，通过蓄水陶土对坝基底部的铺垫，可以提高坝基的蓄水和隔水功能，防止坝基渗流；通过防水凝胶对凹槽连接处的涂抹、锚固，可提高坝体与煤柱连接处的密封性；且利用人工坝体内表面的防水凝胶来防止矿井水对人工坝体的侵蚀。同时，通过将人工坝体的形状进一步设计为拱形，分解了人工坝体的受力，可改善坝体在动载作用下的破坏情况；并且由于拱形的形状增大了接触面，配合防水凝胶和蓄水陶土的使用，使人工坝体具有更良好的密封性。
附图说明
26.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
27.图1显示了本发明的人工坝体对应的坝基与预留煤柱的结构示意图；
28.图2显示了本发明的人工坝体坝基上的基槽中铺垫蓄水陶土的结构示意图；
29.图3显示了本发明的人工坝体内凹面一侧的结构示意图；
30.图4显示了本发明的人工坝体外凸面一侧的结构示意图；
31.图5显示了本发明的人工坝体内部的多层结构的结构示意图。
32.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
33.附图标记：
34.1-坝基，11-基槽，2-预留煤柱，21-第一凹槽，22-第二凹槽，3-蓄水陶土，4-人工坝
体，41-混凝土层，42-红砖层，43-粘土层，5-防水凝胶。
具体实施方式
35.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
36.实施例一
37.本实施例提供了一种地下水库人工坝体的建造方法，包括以下步骤：
38.步骤一、确定地下水库以及人工坝体4的建造区域，建造区域满足地质构造稳且不存在断裂、断层以及错层的地质构造；
39.在人工坝体4的坝基1两侧的预留煤柱2上分别开设出第一凹槽21与第二凹槽22，第一凹槽21与第二凹槽22的槽口相互正对。
40.具体地，地下水库采用在采空区的基础上进行建造，充分利用矿井地下空间资源，提高地下空间资源开发利用率，提升了水库安全性，大幅降低了地下水库的修建难度和修建成本，具有显著的经济效益性和环保性。在确定好采空区中地下水库以及人工坝体4的建造区域后，在相应的位置开挖形成人工坝体4的坝基1，如附图图1所示。坝基1两侧均为作为地下水库煤柱坝体的预留煤柱2，在两侧的预留煤柱2互相对应的表面上分别开设出第一凹槽21与第二凹槽22，第一凹槽21与第二凹槽22的槽口相互正对。第一凹槽21与第二凹槽22竖直方向上的高度与预留煤柱2的高度相同，第一凹槽21与第二凹槽22的底部与坝基1上表面平齐。
41.步骤二、沿第一凹槽21至第二凹槽22的方向，在坝基1上开挖出基槽11，基槽11的两端分别延伸至第一凹槽21与第二凹槽22的底部并连通第一凹槽21与第二凹槽22。
42.具体地，如附图图1所示，坝基1上开挖出的基槽11的两端分别延伸至第一凹槽21与第二凹槽22的底部并与第一凹槽21、第二凹槽22连通为一体，基槽11的槽底作为第一凹槽21与第二凹槽22底部的壁面。
43.步骤三、在基槽11中均匀铺垫定量的蓄水陶土3并捣实，在第一凹槽21与第二凹槽22的内壁上、基槽11中以及基槽11上方的采空区顶壁上涂抹防水凝胶5；对防水凝胶5进行养护。
44.具体地，如附图图2所示，基槽11开挖完毕后，在基槽11中均匀铺垫一层蓄水陶土3并捣实，控制蓄水陶土3的铺垫量，使捣实后的蓄水陶土3刚好填满基槽11；蓄水陶土3可以提高坝基1的蓄水和隔水功能，防止坝基1渗流。而后在相应的壁面上涂抹防水凝胶5，实现接触面的防水。基槽11中的防水凝胶5涂抹在捣实后的蓄水陶土3的上表面。防水凝胶5涂抹后需要进行养护，在养护好表层的防水凝胶5后再进行人工坝体4的建造。
45.步骤四、沿第一凹槽21至第二凹槽22的方向，在基槽11中构筑出人工坝体4，人工坝体4的顶部与采空区的顶壁接触，在人工坝体4迎水一侧的表面上涂抹防水凝胶5；人工坝体4构筑为包括：
46.混凝土层41，混凝土层41位于人工坝体4的两端并构筑于第一凹槽21与第二凹槽22中；
47.粘土层43，粘土层43位于人工坝体4的中部；
48.红砖层42，红砖层42位于粘土层43与混凝土层41之间。
49.具体地，如附图图3至图5所示，人工坝体4沿基槽11的方向构造，人工坝体4两端分
别为位于第一凹槽21与第二凹槽22中的两个混凝土层41，人工坝体4中部为一个粘土层43，粘土层43与两侧的混凝土层41之间各有一个红砖层42。混凝土层41与第一凹槽21以及第二凹槽22具有较大的接触面积，从而实现稳定地连接，进而连接人工坝体4与预留煤柱2。混凝土层41、粘土层43以及红砖层42构成的多层结构能够显著提高人工坝体4的结构的稳定性和安全性。
50.同时，在人工坝体4迎水一侧的表面上涂抹防水凝胶5，能够防止水体对人工坝体4的侵蚀。优选的，在人工坝体4表面两侧表面上均涂抹防水凝胶5，以加强人工坝体4的防侵蚀性。
51.优选地，步骤四中，在构筑人工坝体4时，在混凝土层41与红砖层42之间、红砖层42与粘土层43之间均涂抹防水凝胶5，以加强人工坝体4的密封性。
52.优选地，步骤二中，在开挖基槽11时，将基槽11开挖为弧形，同时第一凹槽21与第二凹槽22均为对应基槽11的弧形，在构筑人工坝体4时，沿基槽11将人工坝体4构筑为拱形坝。
53.具体地，如附图图3与图4所示，人工坝体4为拱形坝。现有地下水库的坝体多为规则的平面直立结构，这种结构的坝体容易因受力不均匀而被破坏，因此为改善人工坝体4的受力情况，将人工坝体4设计为拱形，拱形结构的人工坝体4能够使人工坝体4的受力更加均匀，降低因局部受力过大而导致人工坝体4被破坏的风险，延长了人工坝体4的使用寿命，提高了地下水库的结构稳定性和安全性。
54.步骤五、对人工坝体4进行养护，人工坝体4在养护后投入使用。
55.具体的，对人工坝体4的粘土层43、红砖层42和混凝土层41按照相应施工标准分别进行养护，养护规定时间后再投入使用。另外，考虑到不同规格的防水凝胶5和蓄水陶土3的养护时间不同，人工坝体4筑建完成后，按照建筑施工标准，通过参考蓄水陶土3和防水凝胶5的规格，养护规定时间后投入使用。
56.实施例二
57.本实施例提供了一种地下水库人工坝体4，其采用实施例一中的建造方法建造而成。
58.具体地，如附图图3至图5所示，采用实施例一中的建造方法建造而成的人工坝体4，其位于两侧的预留煤柱2之间。人工坝体4的高度等于坝基1到采空区顶壁的距离，人工坝体4的长度与人工坝体4的结构及第一凹槽21与第二凹槽22之间的距离有关。若人工坝体4为拱形结构，则人工坝体4的长度等于第一凹槽21与第二凹槽22之间的弧线长度；若人工坝体4为平面直立结构，则人工坝体4的长度等于第一凹槽21与第二凹槽22之间的最大的直线距离。
59.进一步地，人工坝体4的粘土层43、红砖层42以及混凝土层41的长度比为10：3：5；粘土层43的长度为2～2.3m。
60.具体地，考虑到人工坝体4的不同位置在水库储放水过程中受力情况存在差异，粘土层43、混凝土层41、红砖层42的长度依次减小，优选的，粘土层43、红砖层42、混凝土层41的长度比为10：3：5，粘土层43的长度优选为2～2.3m。粘土层43与红砖层42之间、红砖层42与混凝土层41之间均有涂抹防水凝胶5，并且在涂抹防水凝胶5后，需要先进行养护，再建造下一层，保证人工坝体4中各层结构之前连接的紧固性，提升防渗漏效果。此结构的人工坝
体4，抗冲击强度更大，坝体更稳固；尤其对于拱形结构的人工坝体4，其受力更加均匀，大大降低了人工坝体4因受力不均而被破坏的几率，进一步延长了人工坝体4的使用寿命，提高了地下水库的结构稳定性和安全性。
61.另外，人工坝体4的厚度可以根据水库的库容、矿井地质条件等方面进行调整，若设计的库容大或地质条件差，则可以适当增大人工坝体4的厚度；若设计的库容小或地质条件较好，则可以适当减小人工坝体4的厚度。
62.在一个实施例在，地下水库除了修建在采空区中以外，还可以修建在矿井巷道中，修建在矿井巷道中的水库由两座人工坝体4在矿井巷道两端封堵而成。具体的，根据矿井巷道的地质条件设计水库的库容，水库单库的库容v等于库体长度l与巷道断面面积s的乘积。多个水库单库可以连通构成水库群，水库单库之间通过设有闸门的管道连通，水库群的总库容为多个水库单库库容的总和。
63.另外，为了提升水库的结构稳定性，在修建人工坝体4前，对矿井巷道围岩进行加固，由于在巷道掘进过程中通过锚杆支护、锚索支护、喷射混凝土支护等方式进行支护，支护强度较高，整体无需加强，针对支护强度较低的位置进行加固，库体结构更加稳定，可以保证水库的结构稳定性。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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。
65.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。