申请/专利权人：清华大学

申请日：2018-08-27

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN109236373B

主分类号：E21F17/16

分类号：E21F17/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2019.02.19#实质审查的生效;2019.01.18#公开

摘要：本发明提供了一种普适煤矿地下水库，能够普遍适用于各类地质条件下的煤矿地下水库的结构设计，其包括由煤矿采空区周围形成的煤柱坝体，煤矿采空区空间上方的顶板，煤矿采空区空间下方的底板，设置在顶板和底板之间起支撑作用的模袋构筑体，在煤矿采空区空间的模袋构筑体之间形成地下水库的储水空间，所述模袋构筑体内的注浆材料是以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成。本发明还提供了一种普适煤矿地下水库的建造方法。本发明提供的普适煤矿地下水库及其建造方法，能够普遍适用于各类地质条件下的煤矿地下水库的设计与建造，且还能保证水库的库容。

主权项：1.一种普适煤矿地下水库的建造方法，其特征在于，包括如下步骤：根据煤层实际工作面地质条件、采高、煤岩力学特性、顶板岩层“三带”范围和周期来压步距，借助理论计算与数值模拟的方法，计算模袋构筑体的有效支护面积，并确定模袋构筑体的强度、模袋构筑体之间的横间距m和纵间距n；根据综采液压支架的移架步距、综采液压支架的宽度和煤层厚度，确定模袋构筑体的长、宽、高尺寸参数，并最终确定地下水库库容；跟随综采液压支架的移架过程，在综采液压支架移架过程中形成的煤矿采空区的顶板上锚网锚杆支护，在底板上铺设防水材料；将纺织滤点模袋挂网，各纺织滤点模袋之间通过两端的锚栓固定连接，将以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成的注浆材料通过注浆口注入纺织滤点模袋，同时调节模袋内部拉筋；注浆完成后调节锚栓的预紧力，纺织滤点模袋内料浆中的多余水分挤出，纺织滤点模袋与顶板耦合形成模袋构筑体；按照上述方法在煤矿采空区的顶板和底板之间构筑模袋构筑体至综采液压支架移动推进结束；最后在煤柱坝体之间设置人工构筑坝体作为拦水坝；其中，建造的普适煤矿地下水库，能够普遍适用于各类地质条件下的煤矿地下水库的结构设计，所述普适煤矿地下水库包括由煤矿采空区周围形成的煤柱坝体，煤矿采空区空间上方的顶板，煤矿采空区空间下方的底板，设置在顶板和底板之间起支撑作用的模袋构筑体，以及设置在煤柱坝体之间用作拦水坝的人工构筑坝体，在煤矿采空区空间的模袋构筑体之间形成地下水库的储水空间，所述模袋构筑体内的注浆材料是以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成；所述模袋构筑体是由纺织滤点模袋通过两端的锚栓固定连接构成，所述纺织滤点模袋顶部设置注浆口，所述纺织滤点模袋内部设置拉筋。

全文数据：一种普适煤矿地下水库及其建造方法技术领域本发明涉及矿业工程与水利工程交叉技术领域，特别涉及一种普便适用于各类地质条件下的普适煤矿地下水库及其建造方法。背景技术煤矿地下水库建设已成为矿井水处理、储存及利用的一项重要工程。国内已建成的神华集团大柳塔煤矿分布式地下水库，为西部地区煤炭开采地下水资源保护与利用提供了有效技术保障。大柳塔煤矿地质条件简单，煤层上覆岩层岩性以粉砂岩和细砂岩为主，顶板垮落后形成的裂隙岩体结构具有明显的导水、储水优势。而对于大多数煤矿而言，煤层顶板岩性主要以泥岩、碳灰质泥岩和砂岩为主，例如中国西部矿区煤层地质条件复杂、水资源匮乏，煤层顶板岩性多见有泥岩和砂岩，其中宁东矿区煤层的伪顶泥岩厚度可达1.0m，以煤层采高3.0m为例计算，这样水库库容就会至少减少13。并且，当顶板垮落后形成的破碎泥岩遇水膨胀，泥岩粉末遇水后极易膨胀堵塞裂隙导储通道。因此，在以泥岩为顶板的地质条件下建设煤矿地下水库，不仅容易大大降低水库库容，同时也非常不利于库间的调水和用水。加之煤矿常见遇有“三软”、强冲击地压和多级构造等复杂地质条件，这种地质条件下建设的煤矿地下水库的利用率和使用效果会更大大降低。因此，合理设计和建设适用于普遍地质条件下的煤矿地下水库、保证煤矿地下水库的库容，提高煤矿地下水库的利用效率，已成为当前亟待解决的难题。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种能够普遍适用于各种类型的地质条件下的且能保证水库库容的煤矿地下水库及其建造方法。为解决上述技术问题，本发明提供了一种普适煤矿地下水库，普遍适用于各种类型地质条件下的煤矿地下水库的结构设计，包括由煤矿采空区周围形成的煤柱坝体，煤矿采空区空间上方的顶板，煤矿采空区空间下方的底板，设置在顶板和底板之间起支撑作用的模袋构筑体，以及设置在煤柱坝体之间用作拦水坝的人工构筑坝体，在煤矿采空区空间的模袋构筑体之间形成地下水库的储水空间，所述模袋构筑体内的注浆材料是以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成。进一步地，所述模袋构筑体是由纺织滤点模袋通过两端的锚栓固定连接构成，所述纺织滤点模袋顶部设置注浆口，所述纺织滤点模袋内部设置拉筋。进一步地，所述模袋构筑体的长为6-8m，宽为0.6-1m，高为2.9-3.4m。进一步地，所述模袋构筑体之间的横间距为4-5m，所述模袋构筑体之间的纵间距为5-6m。进一步地，所述底板上设置有防水材料。本发明还提供了一种普适煤矿地下水库的建造方法，包括如下步骤：根据煤层实际工作面地质条件、采高、煤岩力学特性、顶板岩层“三带”范围和周期来压步距，借助理论计算与数值模拟的方法，计算模袋构筑体的有效支护面积，并确定模袋构筑体的强度、模袋构筑体之间的横间距m和纵间距n；根据综采液压支架的移架步距、综采液压支架的宽度和煤层厚度，确定模袋构筑体的长、宽、高尺寸参数，并最终确定地下水库库容；跟随综采液压支架的移架过程，在综采液压支架移架过程中形成的煤矿采空区的顶板上锚网锚杆支护，在底板上铺设防水材料；将纺织滤点模袋挂网，各纺织滤点模袋之间通过两端的锚栓固定连接，将以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成的注浆材料通过注浆口注入纺织滤点模袋，同时调节模袋内部拉筋；注浆完成后调节锚栓的预紧力，纺织滤点模袋内料浆中的多余水分挤出，纺织滤点模袋与顶板耦合形成模袋构筑体；按照上述方法在煤矿采空区的顶板和底板之间构筑模袋构筑体至综采液压支架移动推进结束；最后在煤柱坝体之间设置人工构筑坝体作为拦水坝。进一步地，所述模袋构筑体的有效支护面积S依据顶板泥岩的单轴抗压强度σc和顶板的压力F通过计算公式S＝Fσc确定。进一步地，所述模袋构筑体之间的横间距m通过计算公式m＝0.7σcL确定，所述模袋构筑体之间的纵间距n等于综采液压支架的长度，为5-6米，L为综采液压支架的宽度，σc为顶板泥岩的单轴抗压强度。进一步地，所述模袋构筑体的宽度等于综采液压支架的移架步距，为0.8米，模袋构筑体的长度为整数倍的综采液压支架宽度，为N*1.5-1.6米，模袋构筑体的高度等于煤层厚度-10cm，所述地下水库库容通过工作面长度×宽度×煤层厚度-模袋构筑体数目N×模袋构筑体体积计算得到，N为正整数。进一步地，所述纺织滤点模袋挂网时，所述纺织滤点模袋与煤矿采空区上方的顶板之间预留让顶距离，所述让顶距离为8-12cm。本发明提供的一种普适煤矿地下水库及其建造方法，在煤矿采空区的顶板和底板之间设置模袋构筑体，对煤矿采空区的顶板起支护作用，能够有效防止煤层顶板的垮落，可普遍适用于各类地质条件下的煤矿地下水库的设计与建造，尤其是针对泥岩顶板、“三软”及强冲击地压等复杂地质条件下的煤矿地下水库建设，具有普遍的适用性与优越性，既能满足创造足够的储水空间，又能保证地下水库的调水与用水的安全可靠运行。同时，本发明提供的普适煤矿地下水库及其建造方法中的模袋构筑体的纺织滤点模袋加注的注浆材料选用的是矿山废弃矸石或建筑废弃料作为骨料，既能满足支护体的强度要求，又能实现将废弃矸石和建筑废料等变废为宝，环保效益与经济价值作用显著。附图说明图1为本发明实施例提供的普适煤矿地下水库的结构示意图；图2为本发明实施例提供的普适煤矿地下水库部分结构示意图；图3为本发明实施例提供的普适煤矿地下水库中的模袋构筑体的主视图；图4为本发明实施例提供的普适煤矿地下水库中的模袋构筑体的主视图中A-A剖视图；图5为本发明实施例提供的普适煤矿地下水库的建造方法的流程图。具体实施方式参见图1、图2、图3和图4，本发明实施例提供的一种普适煤矿地下水库，包括由煤矿采空区周围形成的煤柱坝体10，煤矿采空区空间上方的顶板13，煤矿采空区空间下方的底板14，设置在顶板13和底板14之间起支撑作用的许许多多的模袋构筑体11，在煤柱坝体10之间设置人工构筑坝体15用作拦水坝，在煤矿采空区空间的各个模袋构筑体11之间形成地下水库的储水空间12。每个模袋构筑体11内的注浆材料是以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成。许许多多的模袋构筑体11支撑在顶板13和底板14之间，能够有效防止煤层顶板的垮落，从而避免了由于顶板垮落后形成的破碎泥岩遇水膨胀而堵塞裂隙导储通道的情况发生。其中，每个模袋构筑体11是由纺织滤点模袋110通过两端的锚栓111固定连接构成，纺织滤点模袋110的顶部设置注浆口112，纺织滤点模袋110的内部设置拉筋113。其中，每个模袋构筑体11的长、宽、高尺寸是根据综采液压支架的移架步距、综采液压支架的宽度和煤层厚度确定，在一实施例中，可以确定得到每个模袋构筑体11的长为6-8m，宽为0.6-1m，高为2.9-3.4m。根据煤层实际工作面地质条件、采高、煤岩力学特性、顶板岩层“三带”范围和周期来压步距等参数，借助理论计算与数值模拟的方法，计算模袋构筑体11的有效支护面积，然后确定模袋构筑体的强度、各个模袋构筑体11之间的横间距为m和纵间距为n，在一实施例中，确定模袋构筑体11在完全滤水后的强度需达到50MPa-70MPa，确定模袋构筑体11之间的横间距需设为4-5m、纵间距需设为5-6m。并且为了防止储水空间12中的水渗入地层下，在底板14上铺设有防水材料140。参见图5，本发明实施例提供的一种普适煤矿地下水库的建造方法，包括如下步骤：根据煤层实际工作面地质条件、采高、煤岩力学特性、顶板岩层“三带”范围和周期来压步距等参数，借助理论计算与数值模拟的方法，计算模袋构筑体11的有效支护面积，并确定模袋构筑体11的强度、模袋构筑体11的横间距m、纵间距n；其中，模袋构筑体11的有效支护面积S依据顶板泥岩的单轴抗压强度σc和顶板的压力F通过计算公式S＝Fσc确定。模袋构筑体11的强度随着模袋滤水量的增多逐渐增强，通常模袋构筑体11在完全滤水后的强度需达50MPa-70MPa。模袋构筑体11之间的横间距m通过计算公式m＝0.7σcL确定，所述模袋构筑体11之间的纵间距n等于综采液压支架的长度，通常为5-6米；L为综采液压支架的宽度，σc为顶板泥岩的单轴抗压强度。所以在一实施例中，模袋构筑体11在完全滤水后的强度需达到50MPa-70MPa。模袋构筑体11之间的横间距设定为4-5m、纵间距设定为5-6m。根据模袋构筑体11的综采液压支架的移架步距、综采液压支架的宽度和煤层厚度，确定模袋构筑体11的长、宽、高尺寸参数，最终计算得出地下水库库容；其中，模袋构筑体11的宽度等于综采液压支架的移架步距，通常为0.8米，模袋构筑体11的长度为整数倍的综采液压支架宽度，通常为N*1.5-1.6米，其中，N为正整数，模袋构筑体11的高度等于煤层厚度-10cm，所以在一实施例中，每个模袋构筑体11的长度通常为6-8m，宽度通常为0.6-1m，高度通常为2.9-3.4m。地下水库库容通过工作面长度×宽度×煤层厚度-模袋构筑体数目N×模袋构筑体体积计算得到。跟随综采液压支架的移架过程，在综采液压支架移架过程中形成的煤矿采空区的顶板13上钻孔安装锚杆131，并在锚杆131上挂上锚网130，同时在底板14上铺设防水材料140；将纺织滤点模袋110挂网，各纺织滤点模袋110之间通过两端的锚栓111固定连接，将以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成的注浆材料通过注浆口112注入纺织滤点模袋110，同时调节模袋内部拉筋113；并且在纺织滤点模袋110挂网时，最上层的纺织滤点模袋110与煤矿采空区上方的顶板13之间预留让顶距离，通常让顶距离设定为8-12cm。注浆完成后调节锚栓111的预紧力，纺织滤点模袋110内料浆中的多余水分挤出，纺织滤点模袋110构成的模袋构筑体11与顶板13紧密耦合在一起；按照上述方法在煤矿采空区的顶板13和底板14之间构筑模袋构筑体11至综采液压支架移动推进结束；最后在煤柱坝体10之间设置人工构筑坝体15作为拦水坝。下面通过具体实施例对本发明提供的一种普适煤矿地下水库的建造方法做详细说明。首先，根据煤层实际工作面地质条件、采高、煤岩力学特性、顶板岩层“三带”范围和周期来压步距等参数，借助理论计算与数值模拟的方法，计算模袋构筑体11的有效支护面积，并确定得到模袋构筑体11在完全滤水后的强度需达50MPa-70MPa。每个模袋构筑体11之间的横间距为4-5m、纵间距为5-6m。然后根据综采液压支架的移架步距、综采液压支架的宽度和煤层厚度，确定需要构筑的每个模袋构筑体11的长为6-8m，宽为0.6-1m，高为2.9-3.4m。最后通过地下水库库容等于工作面长度×宽度×煤层厚度-模袋构筑体数目N×模袋构筑体体积可以计算得出地下水库库容。参见图2和图3，本发明提供的普适煤矿地下水库建造方法与移架工艺相结合，跟随综采液压支架的移架过程，先在顶板13上钻孔安装锚杆131，并将锚网130通过锚杆131固定在顶板13下部，同时在底板14上铺设防水层140。然后用挂绳132系住纺织滤点模袋110的两侧端部，通过挂绳132将纺织滤点模袋110挂在锚网131下面，注意在纺织滤点模袋110与顶板13之间预留让顶距离。将以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成的注浆材料通过注浆口112注入纺织滤点模袋110内，同时调节纺织滤点模袋110内部的拉筋113，调整纺织滤点模袋110的高度，以使纺织滤点模袋110最终与顶板13接触，得到的每个模袋构筑体11的长为6-8m，宽为0.6-1m，高为2.9-3.4m，并且，将每个模袋构筑体11之间的横间距保持为4-5m、纵间距保持为5-6m。注浆工艺完成后调节锚栓111的预紧力，由于纺织滤点模袋110具有透水不透浆、透水不可逆的优点，调节锚栓111的预紧力，可迫使纺织滤点模袋110内料浆中的水分挤出。待料浆内部多余水分挤出后，纺织滤点模袋110构成的模袋构筑体11便与顶板13紧密耦合在一起。能够在跟随综采液压支架的移架过程中，快速形成模袋构筑体11对顶板13的支撑作用。按照上述方法在煤矿采空区的顶板13和底板14之间构筑模袋构筑体11至综采液压支架移动推进结束。最后在煤柱坝体12之间设置人工构筑坝体15作为拦水坝。本发明提供的一种普适煤矿地下水库及其建造方法，能够普遍适于各类地质条件下的煤矿地下水库设计与建造，尤其针对泥岩顶板、“三软”及强冲击地压等复杂地质条件下的煤矿地下水库建设，此方法具有普遍适用性与优越性，既能满足创造足够的储水空间，又能保证地下水库的调水与用水的安全可靠运行。并且，本发明提供的一种普适煤矿地下水库及其建造方法，采用三维纺织滤点模袋加注浆的方式构筑支护体，注浆材料选用矿山废弃矸石或建筑废弃料作为骨料，既能满足支护体强度要求，又实现了将矸石等变废为宝，环保效益与经济价值作用显著。同时，由于本发明提供的普适煤矿地下水库建造方法与综采液压支架的移架工艺相结合，即利用不同综采液压支架移架创造的局部空间，通过模袋预形体快速构筑支撑体：割煤→移架→铺设锚网→锚杆锚固→铺设底板隔水材料→挂模→注浆→拉筋→固定锚栓，从而实现了能够普遍适用于各类地质条件下的煤矿地下水库的快速建造。最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

权利要求：1.一种普适煤矿地下水库，能够普遍适用于各类地质条件下的煤矿地下水库的结构设计，其特征在于：包括由煤矿采空区周围形成的煤柱坝体，煤矿采空区空间上方的顶板，煤矿采空区空间下方的底板，设置在顶板和底板之间起支撑作用的模袋构筑体，以及设置在煤柱坝体之间用作拦水坝的人工构筑坝体，在煤矿采空区空间的模袋构筑体之间形成地下水库的储水空间，所述模袋构筑体内的注浆材料是以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成。2.根据权利要求1所述的普适煤矿地下水库，其特征在于：所述模袋构筑体是由纺织滤点模袋通过两端的锚栓固定连接构成，所述纺织滤点模袋顶部设置注浆口，所述纺织滤点模袋内部设置拉筋。3.根据权利要求2所述的普适煤矿地下水库，其特征在于：所述模袋构筑体的长为6-8m，宽为0.6-1m，高为2.9-3.4m。4.根据权利要求3所述的普适煤矿地下水库，其特征在于：所述模袋构筑体之间的横间距为4-5m，所述模袋构筑体之间的纵间距为5-6m。5.根据权利要求1所述的普适煤矿地下水库，其特征在于：所述底板上设置有防水材料。6.一种权利要求1-5任一项所述的普适煤矿地下水库的建造方法，其特征在于，包括如下步骤：根据煤层实际工作面地质条件、采高、煤岩力学特性、顶板岩层“三带”范围和周期来压步距，借助理论计算与数值模拟的方法，计算模袋构筑体的有效支护面积，并确定模袋构筑体的强度、模袋构筑体之间的横间距m和纵间距n；根据综采液压支架的移架步距、综采液压支架的宽度和煤层厚度，确定模袋构筑体的长、宽、高尺寸参数，并最终确定地下水库库容；跟随综采液压支架的移架过程，在综采液压支架移架过程中形成的煤矿采空区的顶板上锚网锚杆支护，在底板上铺设防水材料；将纺织滤点模袋挂网，各纺织滤点模袋之间通过两端的锚栓固定连接，将以矿山废弃矸石或建筑废料加工的骨料与水泥加水配比形成的注浆材料通过注浆口注入纺织滤点模袋，同时调节模袋内部拉筋；注浆完成后调节锚栓的预紧力，纺织滤点模袋内料浆中的多余水分挤出，纺织滤点模袋与顶板耦合形成模袋构筑体；按照上述方法在煤矿采空区的顶板和底板之间构筑模袋构筑体至综采液压支架移动推进结束；最后在煤柱坝体之间设置人工构筑坝体作为拦水坝。7.根据权利要求6所述的普适煤矿地下水库的建造方法，其特征在于：所述模袋构筑体的有效支护面积S依据顶板泥岩的单轴抗压强度σc和顶板的压力F通过计算公式S＝Fσc确定。8.根据权利要求6所述的普适煤矿地下水库的建造方法，其特征在于：所述模袋构筑体之间的横间距m通过计算公式m＝0.7σcL确定，所述模袋构筑体之间的纵间距n等于综采液压支架的长度，为5-6米，L为综采液压支架的宽度，σc为顶板泥岩的单轴抗压强度。9.根据权利要求6所述的普适煤矿地下水库的建造方法，其特征在于：所述模袋构筑体的宽度等于综采液压支架的移架步距，为0.8米，模袋构筑体的长度为整数倍的综采液压支架宽度，为N*1.5-1.6米，模袋构筑体的高度等于煤层厚度-10cm，所述地下水库库容通过工作面长度×宽度×煤层厚度-模袋构筑体数目N×模袋构筑体体积计算得到，N为正整数。10.根据权利要求6所述的普适煤矿地下水库的建造方法，其特征在于：所述纺织滤点模袋挂网时，所述纺织滤点模袋与煤矿采空区上方的顶板之间预留让顶距离，所述让顶距离为8-12cm。

百度查询： 清华大学 一种普适煤矿地下水库及其建造方法

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