一种具有应急泄水装置的地下水库的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有应急泄水装置的地下水库，包括坝体和在煤炭开采中形成的用于储水的工作面采空区，所述坝体包括煤柱坝体和人工坝体，所述煤柱坝体和所述人工坝体将所述工作面采空区围成封闭的储水空间，所述人工坝体上设置有应急泄水装置，在所述人工坝体的背侧设置有滤网。本实用新型公开的地下水库，通过设置应急泄水装置进行应急泄水，以保障矿震、采动、冒落带突然垮落等突发情况下地下水库的安全运行。
【专利说明】一种具有应急泄水装置的地下水库
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及煤炭开采和水利工程【技术领域】，尤其涉及一种具有应急泄水装置的地下水库。
【背景技术】
[0002]西部地区是我国煤炭主产区，煤炭储量和产量均占全国的2/3左右，但是水资源匮乏，仅占全国水资源总量的3.9%，生态环境本底脆弱，水资源匮乏是该地区经济社会发展的瓶颈之一。
[0003]据统计，西部每采一吨煤平均排放矿井水约2吨，按照以传统处理方式，煤炭开采产生的矿井水经处理后外排地表，但是由于该地区蒸发量大，外排矿井水很快外排损失浪费。目前，在神东矿区累计建成32座煤矿地下水库，储水量2700万m3，供应了矿区95%以上的用水，为矿区建成2亿吨级矿区提供了水资源保障。
[0004]为进一步加大井下储水量和保障地下水库运行安全，经过持续技术研发，神华集团在大柳塔矿首次建成世界首座煤矿分布式地下水库，利用库间水体连通管道将同一煤层和不同煤层地下水库相互连通，实现水资源科学调配和突发情况下地下水库调水，有效保障了井下生产安全，实现了煤炭资源与水资源协调开采。
[0005]与一般地面水库相比，煤矿地下水库是一个“黑箱”，其内部储水空间不可视，是一个封闭储水空间，而且受到采动地层运动、同煤层和不同煤层采动影响、冒落带岩体运动、矿震等因素作用，其运行不确定性高，而且大量储水构成了井下安全隐患，而坝体是保障地下水库安全运行的关键，人工坝体是安全防患的薄弱环节。一旦发生库内水压陡增，如果不能及时放水泄压，水压极有可能超过人工坝体安全强度要求，造成溃坝。因此，如何能在地下水库安全储用水的条件下，消除坝体安全隐患，是煤矿地下水库安全运行的重要技术难题。
[0006]由于煤矿地下水库所受不确定因素较多，地面水库应急管理体系不能有效使用，一旦发生突发情况，如冒落岩体突然垮落，在库内导致水压突然增大，则难以有效保障地下水库安全运行。
实用新型内容
[0007]本实用新型的发明目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够有效保障坝体安全，确保煤矿地下水库安全稳定运行的一种具有应急泄水装置的地下水库。
[0008]本实用新型技术方案提供一种具有应急泄水装置的地下水库，包括坝体和在煤炭开采中形成的用于储水的工作面采空区，所述坝体包括煤柱坝体和人工坝体，所述煤柱坝体和所述人工坝体布置在所述工作面采空区的周围，将所述工作面采空区围成封闭的储水空间，所述人工坝体上设置有应急泄水装置，所述应急泄水装置包括泄水孔、控制阀门和水压监测传感器，所述泄水孔设置在所述人工坝体上，所述泄水孔的进水口与所述储水空间连通，所述控制阀门设置在所述泄水孔的泄水口内，所述水压监测传感器设置在所述泄水孔中，在所述人工坝体的背侧设置有滤网，所述滤网布置在所述进水口与所述储水空间之间。
[0009]进一步地，所述滤网包括工字钢和铁丝滤网，所述铁丝滤网布置在所述工字钢上。
[0010]进一步地，在所述人工坝体上设置有多个所述应急泄水装置。
[0011]进一步地，所述储水空间在垂直方向上包括多个工作面采空区，在上方岩层不稳定的所述工作面采空区的所述人工坝体上设置有所述应急泄水装置，在承受水压最大的所述工作面采空区的所述人工坝体上设置有所述应急泄水装置。
[0012]进一步地，所述应急泄水装置随所述人工坝体一体构筑形成。
[0013]进一步地，在地下水库的外侧设置有用于对所述应急泄水装置进行反向冲洗的反向冲洗管道。
[0014]采用上述技术方案，具有如下有益效果:
[0015]本实用新型提供的地下水库，通过在人工坝体上设置应急泄水装置，可在水库内由于突发状况水压增加时，实现放水泄压，从而保障坝体不会由于库内水压增大造成溃坝，产生安全隐患，保障了地下水库安全运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型提供的一种具有应急泄水装置的地下水库的示意图；
[0017]图2为图1中沿A-A向的剖视图；
[0018]图3为应急泄水装置的示意图；
[0019]图4为储水空间上在其不同的工作面采空区的人工坝体上布置有应急泄水装置的示意图。
[0020]附图标记对照表:
[0021]100-地下水库；1-储水空间；11-工作间采空区；
[0022]2-煤柱坝体；3-人工坝体；4-应急泄水装置；
[0023]41-泄水孔；411-进水口； 412-泄水口；
[0024]42-水压监测传感器；43-控制阀门；5_滤网。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图来进一步说明本实用新型的【具体实施方式】。
[0026]如图1-4所示，本实用新型提供的一种地下水库100，包括坝体和在煤炭开采中形成的用于储水的工作面采空区11，坝体包括煤柱坝体2和人工坝体3，煤柱坝体2和人工坝3体布置在工作面采空区11的周围，将工作面采空区11围成封闭的储水空间1，在人工坝体3上设置有应急泄水装置4，该应急泄水装置4包括泄水孔41、控制阀门43和水压监测传感器42。
[0027]其中泄水孔41设置在人工坝体3上，泄水孔41的进水口 411与储水空间I连通，控制阀门43设置在泄水孔41的泄水口 412内，水压监测传感器42设置在泄水孔41中。
[0028]在人工坝体3的背侧设置有滤网5，滤网5布置在进水口 411与储水空间I之间。
[0029]为保护和利用水资源，将煤炭开采形成的采空区岩体空隙或工作面采空区11作为储水的空间，即为储水空间1，留下的煤柱形成煤柱坝体2，并根据需要在所需位置构筑人工坝体3，通过该煤柱坝体2和人工坝体3将工作面采空区11围成封闭的储水空间1，用于储水，形成煤矿地下水库储水利用技术体系，充分利用采空区岩体净化机理，实现矿井水井下自净化。
[0030]人工坝体3即为通过人工施工形成的坝体，其与煤柱坝体2的区别在于，煤柱坝体2为在采煤过程中自然形成，其为预留或留下的煤柱形成，而人工坝体3通过人工施工形成。两者厚度高度等可相同也可不同。
[0031]煤矿中的地下水库100是一个“黑箱”，其内部储水空间不可视，是一个封闭储水空间，而且受到采动地层的运动、同煤层和不同煤层采动影响、冒落带岩体运动、矿震等因素作用，其运行不确定性高，而且大量储水构成了井下安全隐患。煤矿地下水库100处于井下，不确定因素较多。一是地下水库100的储水空间I是冒落岩体空隙，上方岩体运动不确定性对库内水位有较大影响，随着冒落岩体不断下沉运动，岩体被压实，空隙减小，一旦岩体突然垮落，造成的瞬间水压很大，对坝体冲击较大；二是煤矿地下水库100所处煤层或是下方煤层还在开采，因此煤层采动或是周边煤矿采空区运动产生的矿震对地下水库稳定性有一定影响。
[0032]坝体，包括煤柱坝体2和人工坝体3是保障地下水库安全运行的关键，而人工坝体3是安全防患的薄弱环节，一旦地下水库100内水压陡增，如果不能及时放水泄压，水压极有可能超过人工坝体3安全强度要求，造成溃坝。
[0033]因此，为了避免上述现象发生，在人工坝体3上设置有应急泄水装置4。该应急泄水装置4包括泄水孔41、控制阀门43和水压监测传感器42。其中泄水孔41设置在人工坝体3上，泄水孔41的进水口 411与储水空间I连通，控制阀门43设置在泄水孔41的泄水口 412内，水压监测传感器42设置在泄水孔41中。
[0034]水压监测传感器42为能够监测出水压，并将水压转换为信号输出的传感器。其可以为普通的水压压力传感器，外部库水压力直接作用在传感器上，传感器通过电阻变化和用电子线路检测电子变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。
[0035]控制阀门43为可以开启和关闭的阀门，其可为普通手控阀门，也可以为自动控制阀门，该控制阀门43可与水压监测传感器42电连接，接收水压监测传感器42传递来的水压信号，进行阀门开启或关闭操作。控制阀门43为压力式控制，数据可实时传输至地面控制中心。当地下库内100的水压超过坝体承受的安全压力后，可以自动打开，进行应急泄水。同时也可以通过人工操作控制阀门43打开。
[0036]水压监测传感器42监测数据实时传输至地面控制中心，与煤矿地下水库100的人工坝体3承受安全水压进行对比分析，一旦超过额定安全压力，可向控制阀门43发出水压信号，控制阀门43可以自动打开进行应急泄水，确保坝体安全；同时也可以根据需要，在地面进行控制，实施泄水。
[0037]由此，当水压监测传感器42监测到泄水孔41内的压力F小于控制阀门43开启的临界阀值Ftl时，则控制阀门43保持处于关闭状态，继续储水；当水压监测传感器42监测到泄水孔41内的压力F大于临界阀值F。，则控制阀门43开启进行应急泄水。将地下水库100内或储水空间I内的水排出，降压至合适强度，避免了人工坝体3溃坝，保证了地下水库100正常运行。
[0038]该应急泄水装置4中水压监测传感器42与控制阀门43可为自动化数据采集设备，当水压监测传感器42中监测到压力F大于临界阀值Ftl时，其将开启阀门的信号传递至控制阀门43，控制阀门43自动打开；当水压监测传感器42中监测到压力F小于临界阀值F。时，其将关闭阀门的信号传递至控制阀门43，控制阀门43关闭。当然也可以采用手动打开控制阀门43。
[0039]由于煤矿地下水库100的储水空间I是由在煤炭开采中形成的工作面采空区11或多个工作面采空区11形成，其处于冒落岩体空隙，为防止散落岩体颗粒堆积造成泄水孔41堵塞，在人工坝体3的背侧设置有滤网5，滤网5布置在进水口 411与储水空间I之间，可以在散落岩体颗粒进入泄水孔41之前通过滤网5将其滤除。
[0040]当然，上述泄水孔41可以为开设在人工坝体3上的孔，其也可以为布置在人工坝体3上的管道。
[0041]应急泄水装置4位置选择:
[0042]煤矿中地下水库100由若干个工作面采空区11形成，如图4所示，储水空间I包括工作面22601-工作面22607的工作面采空区，共由7个工作面采空区11形成，面积较大，煤炭开采后工作面上方冒落带岩体仍处于不稳定状态，由于矿震或是采动等因素影响，极易整体垮落，从而对储水空间I内的水体造成巨大冲击，水流向四周扩散，对煤柱坝体2和人工坝体3构成较大冲击，因此如何选取合适的应急泄水装置4的安装位置尤为重要。应急泄水装置4的安装位置应综合考虑下述原则:一、距上方不稳定冒落岩体较处相对近处；二、距周边老窑距离相对近处(老窑极易发生矿震)；三、距同一或不同开采煤层距离较近(采动影响较大)；四、考虑泄水后水体容易输送至安全场所；五、必须考虑地下水库储水量大小。根据需要可在多处设置应急泄水装置4。
[0043]由此，本实用新型提供的地下水库，通过在人工坝体上设置应急泄水装置，可在水库内由于突发状况水压增加时，实现放水泄压，从而保障坝体不会由于库内水压增大造成溃坝，产生安全隐患，保障了地下水库安全运行。
[0044]较佳地，滤网5包括工字钢和铁丝滤网，铁丝滤网布置在工字钢上。工字钢起到固定作用，防止水压冲击煤岩颗粒，冲垮铁丝滤网。多片工字钢和铁丝滤网共同连接而成滤网5，滤网5或铁丝滤网的孔径根据库内岩体块度大小设置。整张滤网5布置在人工坝体3的后方，用于过滤散落岩体颗粒，防止泄水孔41堵塞。
[0045]较佳地，在人工坝体3上设置有多个应急泄水装置4。通过设置多个应急泄水装置4，可以在同一时间内最大化地将储水空间I内的水放出，迅速降压，更好地防止溃坝发生。
[0046]较佳地，如图4所示，储水空间I在垂直方向上包括多个工作面采空区11，在上方岩层不稳定的工作面采空区11的人工坝体3上设置有应急泄水装置4，在承受水压最大的工作面采空区11的人工坝体3上设置有应急泄水装置4。
[0047]为确保煤矿中地下水库100安全运行，以图4所示的地下水库100为例，其储水空间I由7个工作面采空区11组成(工作面22601-工作面22607的工作面采空区)，每个工作面采空区对应一个采煤工作面，该处的储水空间I由采煤工作面形成。
[0048]如图4所示。其面积距地表约86.8m，距井口约3.8公里，由东北方向至西南方向高程逐步下降，储水量约90万方，平均水头高度4.7米，最低处水头高度7米左右。地质勘察分析表明，在工作面22604至工作面22606的工作面采空区11上方的岩层不稳定，有大面积垮落迹象，为此在工作面22603的工作面采空区11和工作面22604的工作面采空区11处的人工坝体3上分别设置应急泄水装置4，或在工作面22603的工作面采空区11和工作面22604的工作面采空区11之间设置应急泄水装置4，以防止突然垮落造成库内水压过大，引发溃坝事故。
[0049]同时通过物理和数值模拟试验，该地下水库最低处即工作面22601的工作面采空区11，其人工坝体3是承受库内水压最大位置，为防止煤层开采、矿震和上覆冒落带突然垮落对坝体造成的冲击，在此位置施工一个应急泄水装置4，确保最低处坝体安全。
[0050]每个工作面采空区11上的应急泄水装置4相应设置在该工作面采空区11处的人工坝体3上。
[0051]通过在上方岩层不稳定的工作面采空区11的人工坝体3上设置应急泄水装置4，在承受水压最大的工作面采空区11的人工坝体3上设置应急泄水装置4，进一步提高了防止溃坝的能力，保证了地下水库正常运行。
[0052]较佳地，应急泄水装置4随人工坝体3 —体构筑形成，也即是在构筑人工坝体3时同时在安装位置设置应急泄水装置4。也可以在在构筑人工坝体3时同时在安装位置开设泄水孔41，之后在根据需要安装控制阀门43和水压监测传感器42，从而无需二次开孔安装，提高了工作效率。
[0053]较佳地，在地下水库100的外侧设置有用于对应急泄水装置4进行反向冲洗的反向冲洗管道(图中未示出)。反向冲洗的目的是为了防止库内较小的煤岩颗粒对泄水孔41堵塞，影响库内应急泄水。
[0054]具体操作在人工坝体3底侧或地下水库100适当位置建设反向冲洗管道，反向冲洗管道位于地下水库100外侧，并与泄水孔41相对设置。定期或通过观测应急泄水孔41泄水情况，如出现泄水孔41堵塞，则从地下水库100外对反向冲洗管道进行高压充水，对应急泄水装置4周边进行冲洗，将细小颗粒冲离泄水孔41周边。或者直接对准泄水孔41进行反向冲洗，以将在泄水孔41内的岩体颗粒冲洗至泄水孔41外，防止泄水孔41堵塞。
[0055]综上，本实用新型提供的地下水库，通过在人工坝体上设置应急泄水装置，可以有效地避免了因突发状况，水库内的水压增加时，造成溃坝现象的发生，避免了安全隐患，保障了地下水库安全运行。
[0056]安装和使用该应急泄水装置4的方法包括如下步骤:结合图1-4所示，
[0057]步骤1:在煤矿的地下水库100上方地表进行物探和钻探，在井下进行钻探勘察，对地下水库100上方岩体垮落情况进行分析，查明冒落带和易垮落地带并进行标定，以明确应急泄水装置4的安装位置。
[0058]步骤2:根据勘察结果，在地下水库100不同位置选取合适位置，作为应急泄水装置4的安装位置，其中，应急泄水装置4包括泄水孔41、控制阀门43和水压监测传感器43 ；
[0059]步骤3:在地下水库100位于安装位置处的人工坝体3上安装应急泄水装置4，具体为，在人工坝体3上开设泄水孔41,使泄水孔41的进水口 411与储水空间I连通,使泄水孔41的泄水口 412与地下水库100的外部连通，将控制阀门43安装在泄水孔41的泄水口412内，将水压监测传感器42设置在泄水孔41中，并在人工坝体3的背侧设置有滤网5，将滤网5布置在进水口 411与储水空间I之间；
[0060]步骤4:根据上述勘察结果，构筑地下水库稳定性三维模拟平台，分别模拟上方冒落岩体突然垮落、矿震、采动多种工况下的水体对所述人工坝体和煤柱坝体的冲击，获取各种工况下的水压值，取最小的水压值作为控制阀门43开启的临界阀值匕。
[0061]并根据储水空间I内的储水量，设计泄水孔41的孔径，同时根据库内岩体块度大小，设计滤网5的大小参数。
[0062]设定控制阀门43开启的临界阀值F。，水压监测传感器42在泄水孔41内进行日常监控水压变化，
[0063]如水压监测传感器42监测到泄水孔41内的压力F小于临界阀值F。时，则控制阀门43保持处于关闭状态；
[0064]如水压监测传感器42监测到泄水孔41内的压力F大于临界阀值F。时，则控制阀门43开启，进行应急泄水。
[0065]并定期检查应急泄水装置4，并定期对泄水孔41进行反向冲洗，防止岩体颗粒堵塞泄水孔41，影响安全运行。
[0066]根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
[0067]以上所述的仅是本实用新型的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本实用新型原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种具有应急泄水装置的地下水库，其特征在于，包括坝体和在煤炭开采中形成的用于储水的工作面采空区， 所述坝体包括煤柱坝体和人工坝体， 所述煤柱坝体和所述人工坝体布置在所述工作面采空区的周围，将所述工作面采空区围成封闭的储水空间， 所述人工坝体上设置有应急泄水装置， 所述应急泄水装置包括泄水孔、控制阀门和水压监测传感器， 所述泄水孔设置在所述人工坝体上，所述泄水孔的进水口与所述储水空间连通，所述控制阀门设置在所述泄水孔的泄水口内，所述水压监测传感器设置在所述泄水孔中， 在所述人工坝体的背侧设置有滤网，所述滤网布置在所述进水口与所述储水空间之间。
2.根据权利要求1所述的地下水库，其特征在于，所述滤网包括工字钢和铁丝滤网，所述铁丝滤网布置在所述工字钢上。
3.根据权利要求1所述的地下水库，其特征在于，在所述人工坝体上设置有多个所述应急泄水装置。
4.根据权利要求1所述的地下水库，其特征在于，所述储水空间在垂直方向上包括多个所述工作面采空区，在上方岩层不稳定的所述工作面采空区的所述人工坝体上设置有所述应急泄水装置， 在承受水压最大的所述工作面采空区的所述人工坝体上设置有所述应急泄水装置。
5.根据权利要求1所述的地下水库，其特征在于，所述应急泄水装置随所述人工坝体一体构筑形成。
6.根据权利要求1所述的地下水库，其特征在于，在地下水库的外侧设置有用于对所述应急泄水装置进行反向冲洗的反向冲洗管道。
【文档编号】E21F17/16GK204002929SQ201420423382
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】顾大钊, 曹志国, 李全生, 陈苏社, 贺安民 申请人:中国神华能源股份有限公司