ИСКУССТВЕННАЯ ПЛОТИНА РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ И СПОСОБ ЕЕ ВОЗВЕДЕНИЯ
DISTRIBUTED UNDERGROUND RESERVOIR FOR COAL MINES ARTIFICIAL DAM AND ITS ERECTION METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к добыче угля и гидротехническому строительству и, в частности, к искусственной плотине распределенного подземного резервуара для угольных шахт и способу ее возведения.
Уровень техники
3
В Китае провинция Шаньси, провинция Шэнси, Внутренняя Монголия, провинция Нинся и провинция Ганьсу образуют «золотой треугольник» добычи энергоресурсов. Ресурс угля региона, называемого «золотой треугольник» добычи энергоресурсов, характеризуется небольшой глубиной залегания, тонкой подстилающей породой и толстым угольным пластом, и т.д. В 2011 добыча угля этого региона достигла 2,382 миллиарда тонн, что составляет 67,7% суммарной добычи угля в Китае. Эта область стала основной областью добычи угля в Китае. Однако «золотой треугольник» добычи энергоресурсов в западном Китае характеризуется уязвимой экосистемой. Этот регион крайне сухой, а его немногочисленные водные ресурсы распределены неравномерно по расположению и временам года. Например, северная часть провинции Шэнси является внутренней территорией с небольшим количеством осадков и высокой степенью испарения, а ее водный ресурс на душу населения составляет всего 927 м, что составляет 35,7% от среднего водного ресурса на душу населения в Китае. Следовательно, северная часть провинции Шэнси является типичным регионом с сильной нехваткой воды.
Негативное влияние крупномасштабной и интенсивной добычи угля в этом регионе на водные ресурсы в этом регионе неизбежно. Штреки угольных шахт и выработанные пространства могут влиять на перемещение и состояние хранения наземной и подземной воды, причем циркуляция подземной воды может быть нарушена, в результате чего появляются, например, высушенные реки, падение уровня грунтовых вод и резкое уменьшение или исчезновение ключевой воды. Следовательно, сохранение воды признано ключевой составляющей экоустойчивого развития в регионе, называемом «золотой треугольник» добычи энергоресурсов. Однако известные технологии сохранения воды (такие как добыча с обратной засыпкой, добыча с ограниченной высотой) являются сложными в осуществлении в этом регионе вследствие ограничения геологических условий залегания угольных пластов в этом регионе. Необходимо развитие новых технологий для защиты и использования водного ресурса в этом регионе. В настоящее время спуск шахтной воды является важной технологией. Однако спуск шахтной воды имеет множество недостатков, один из которых заключается в чрезмерном расходе водного ресурса, а другой заключается в загрязнении спускаемой шахтной водой земной поверхности. Кроме того, так как почва в регионе, называемом «золотой треугольник» добычи энергоресурсов, безводная, испарение происходит быстро, и большая часть спускаемой воды испарится до того, как будет возможность ее эффективно использовать.
Следовательно, основная задача, связанная с добычей ресурсов с сохранением воды в регионе, называемом «золотой треугольник» добычи энергоресурсов, заключается в предотвращении спуска шахтной воды. Выработанные пространства, образованные подземной добычей ресурсов, могут быть использованы для хранения шахтной воды. Если такое хранение оснащено гидротехническими средствами для хранения подземных шахтных водных ресурсов, хранящаяся вода может быть использована путем бурения проходов, соединяющих резервуары с поверхностью земли. В этом случае водные ресурсы могут быть эффективно использованы в будущем. Множество выработанных пространств для хранения воды сообщаются друг с другом через штреки или трубы угольной шахты таким образом, чтобы образовывать сообщающееся подземное пространство для хранения воды, т.е. распределительный подземный резервуар для угольных шахт. Возведение плотины является важным для распределительного подземного резервуара для угольных шахт и обеспечивает безопасное хранение воды. Однако путем возведения искусственной плотины множество выработанных пространств соединены и, таким образом, образуют большее пространство хранения воды. Путем использования разницы высот между выработанными пространствами обеспечивается свободное перетекание шахтной воды в резервуар и очистка шахтной воды.
В настоящее время не существует примеров строительства искусственной плотины распределительного подземного резервуара для угольных шахт. Некоторые нормативные документы в Китае, например, «Нормы техники безопасности в угольной шахте» и «Технические средства предотвращения и ликвидации разливов воды в угольных шахтах», предлагают образование шлюзовых ворот и шлюзовых стенок. Однако в этих нормативных документах в основном стоит задача предотвращения и ликвидации аварийных ситуаций, связанных с водой, и они не относятся к подземному резервуару, в котором хранят воду. В свете проекта охраны воды, нормативные документы в Китае предлагают, в частности, возведение плотины наземного резервуара, по существу отличающейся от плотины подземного резервуара. Следовательно, возведение искусственной плотины для распределительного подземного резервуара для угольных шахт является очень важным.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении искусственной плотины подземного резервуара угольной шахты с простой конструкцией и стабильными эксплуатационными показателями и способа возведения такой плотины.
Техническое решение настоящего изобретения заключается в обеспечении искусственной плотины для распределительного подземного резервуара для угольных шахт, в которой искусственная плотина содержит опорный слой, слой, препятствующий просачиванию, и слой бетонной конструкции, которые выполнены последовательно во вспомогательном штреке от внутренней стороны наружу, причем слой бетонной конструкции заделан в угольные целики безопасности и/или окружающие горные породы вокруг вспомогательного штрека.
Предпочтительно слой бетонной конструкции заделан в угольные целики безопасности и/или окружающие горные породы на глубину 30-80 см.
Предпочтительно множество болтов используется между слоем бетонной конструкции и угольными целиками безопасности и/или окружающими горными породами.
Предпочтительно длина болтов составляет 180-210 см, а глубина введения болтов в угольные целики безопасности и/или окружающие горные породы составляет 30-80 см.
Предпочтительно в слой бетонной конструкции заделано множество стальных брусов, которые образуют форму знака «#».
Предпочтительно опорный слой является слоем кирпичной и бетонной конструкции, толщина которого составляет 1,5 м.
Предпочтительно слой, препятствующий просачиванию, является слоем пустой породы или слоем лессовой породы толщиной 2 м.
Предпочтительно сечение искусственной плотины имеет форму прямоугольника или арки, причем вогнутый участок искусственной плотины в форме арки обращен к подземному резервуару.
Предпочтительно в опорном слое, слое, препятствующем просачиванию, и слое бетонной конструкции выполнены аварийные смотровые отверстия.
Еще одно техническое решение настоящего изобретения заключается в обеспечении способа возведения искусственной плотины распределительного подземного резервуара для угольных шахт, включающего этапы: выбора участков для возведения искусственной плотины между угольными целиками безопасности во вспомогательном штреке; во вспомогательном штреке, последовательного выполнения опорного слоя и слоя, препятствующего просачиванию, от внутренней стороны наружу; рядом с наружной стороной слоя, препятствующего просачиванию, прорезание в угольных целиках безопасности и/или окружающих горных породах вокруг вспомогательного штрека для образования углублений; в углублениях, введения множества болтов в угольные целики безопасности и/или окружающие горные породы; заделывания стальных брусов в углубления и выпуск цемента под высоким давлением для образования слоя бетонной конструкции в углублениях.
Предпочтительно этап «выбора участков для возведения искусственной плотины» содержит: исследование содержания угля в горной породе, горизонтов и конструкций штреков, подлежащих образованию, путем использования средств геофизических исследований и бурения; и выбор мест с простой конструкцией и стабильным содержанием угля в горной породе в качестве участков для возведения искусственной плотины.
Предпочтительно перед этапом последовательного выполнения во вспомогательном штреке опорного слоя и слоя, препятствующего просачиванию, способ дополнительно включает: оценку водяного давления во вспомогательном штреке; и выполнение формы сечения искусственной плотины в соответствии с водяным давлением.
Настоящее изобретение имеет следующие преимущества: так как слой бетонной конструкции заделан в угольные целики безопасности и/или окружающие горные породы вокруг вспомогательного штрека, искусственная плотина и угольные целики безопасности вместе образуют плотину для подземного резервуара. Эксплуатационные характеристики препятствования просачиванию и прочности конструкции могут удовлетворять требованиям хранения воды подземного резервуара в результате многослойной конструкции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена структурная диаграмма распределительного подземного резервуара для угольных шахт в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг. 2 представлена структурная диаграмма искусственной плотины в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
На фиг. 3 представлен вид в сечении вдоль линии А-А по фиг. 2.
На фиг. 4 представлена структурная диаграмма искусственной плотины в соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения.
Список ссылочных позиций
1 - вспомогательный штрек
2 - угольный целик безопасности
3 - окружающая горная порода
4 - выработанное пространство
5 - основной штрек
11 - откаточный штрек
12 - вентиляционный штрек
13 - соединительный штрек
10 - опорный слой
20 - слой, препятствующий просачиванию
30 - слой бетонной конструкции
31 - болт
32 - стальной брус
33 - углубление
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее описаны варианты реализации настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Как показано на фиг. 1, угольные целики 2 безопасности являются участками рудных месторождений, временно неразрабатываемые или сохраняемые для предотвращения разрушения рельефа земной поверхности, строений, сооружений и основных штреков, и для изоляции рудных месторождений, угольных месторождений, водоносных пород, пожароопасных зон, зон разломов и т.д. Угольные целики 2 безопасности выполняют поддерживающую функцию и расположены на левой и правой сторонах вспомогательного штрека 1. Окружающие горные породы 3 (см. фиг. 3) образованы во время бурения вспомогательного штрека 1. Окружающие горные породы 3 расположены на верхней и нижней сторонах вспомогательного штрека 1. Вспомогательный штрек 1 содержит откаточный штрек 11 и вентиляционный штрек 12, а откаточный штрек 11 и вентиляционный штрек 12 сообщаются через соединительный штрек 13. При добыче угля откаточный штрек 11 выполняет транспортную функцию, а вентиляционный штрек 12 выполняет функцию вентиляции. Выработанное пространство 4 образовано между откаточным штреком 11 и вентиляционным штреком 12 после образования действующего забоя. Затем, происходит обрушение перекрывающего горизонта вспомогательного штрека 1, а вспомогательный штрек 1 и выработанное пространство 4 вместе образуют подземный резервуар. В настоящем изобретении угольные целики 2 безопасности расположены между подземным резервуаром и основным штреком 5, а участок корпуса плотины подземного резервуара образован угольными целиками 2 безопасности. Так как вспомогательный штрек 1 сообщается с основным штреком 5, только участки между вспомогательным штреком 1 и основным штреком 5 требуют закрытия цементом.
Как показано на фиг. 2, искусственная плотина для распределительного подземного резервуара для угольных шахт в настоящем изобретении содержит: опорный слой 10, слой 20, препятствующий просачиванию, и слой 30 бетонной конструкции, выполненные последовательно во вспомогательном штреке 1 от внутренней стороны наружу, причем слой 30 бетонной конструкции заделан в угольные целики 2 безопасности и окружающие горные породы 3 вокруг вспомогательного штрека 1. В настоящем варианте реализации опорный слой 10 является слоем кирпичной и бетонной конструкции, толщина которого составляет 1,5 м, слой 20, препятствующий просачиванию, является слоем пустой породы или слоем лессовой породы толщиной 2 м, толщина слоя 30 бетонной конструкции составляет 1,5 м, и, следовательно, общая толщина искусственной плотины составляет 5 м.
В настоящем изобретении термин «внутренний» обозначает сторону, расположенную рядом с подземным резервуаром, а термин «наружный» означает сторону, расположенную рядом с основным штреком 5. От внутренней стороны наружу, первый слой (т.е. слой кирпичной и бетонной конструкции) блокирует воду и поддерживает верхние окружающие горные породы 3; второй слой (т.е. слой пустой или лессовой породы) образует относительно герметичную конструкцию стенки посредством пустой породы или лессовой породы, таким образом, выполняя функцию препятствования просачиванию и уменьшая стоимость искусственной плотины, так как второй слой использует отходы, производимые во время добычи угля. Слой 30 бетонной конструкции характеризуется высокими эксплуатационными характеристиками препятствования просачиванию, и, в частности, слой 30 бетонной конструкции заделан в угольные целики 2 безопасности на левой и правой сторонах вспомогательного штрека 1 и в окружающие горные породы 3 на верхней и нижней сторонах вспомогательного штрека 1 таким образом, чтобы улучшать прочность искусственной плотины.
Предпочтительно толщина слоя кирпичной и бетонной конструкции не ограничена 1,5 м, толщина слоя пустой породы или слоя лессовой породы не ограничена 2 м, а толщина слоя 30 бетонной конструкции не ограничена 1,5 м.
Предпочтительно материал, препятствующий просачиванию (такой как «luokexiu»), может быть добавлен в слой пустой породы или слой лессовой породы для улучшения эксплуатационных характеристик препятствования просачиванию искусственной плотины.
Предпочтительно слой 30 бетонной конструкции может быть заделан только в угольные целики 2 безопасности, или слой 30 бетонной конструкции может быть заделан только в окружающие горные породы 3.
В настоящем варианте реализации, как показано на фиг. 3, слой 30 бетонной конструкции заделан в угольные целики 2 безопасности и окружающие горные породы 3 на глубину 30-80 см. В частности, слой 30 бетонной конструкции может быть заделан в угольные целики 2 безопасности на глубину 50-80 см, и слой 30 бетонной конструкции может быть заделан в окружающие горные породы 3 на глубину 30-60 см. Между слоем 30 бетонной конструкции и угольным целиком 2 безопасности расположены три болта 31, а между слоем 30 бетонной конструкции и окружающей горной породой 3 также расположены три болта 31. Количество болтов 31 может превышать три. Множество болтов 31 расположены на расстоянии друг от друга. Расстояние между соседними болтами 31 может составлять 20 см. Длина одного болта 31 составляет 180-210 см. Глубина введения болтов 31 в угольные 2 целики безопасности и окружающие горные породы 3 составляет 30-80 см. В частности, глубина введения болтов 31 в угольные целики 2 безопасности может составлять 50-80 см, и глубина введения болтов 31 в окружающие горные породы 3 может составлять 30-60 см. Болты 31 следует удерживать в вертикальном положении для обеспечения высокой стабильности. Болты 31 могут опираться на стальные стержни для соединения искусственной плотины 30 с угольными целиками 2 безопасности или окружающими горными породами 3, повышая прочность искусственной плотины.
Предпочтительно болты 31 могут быть использованы только между угольными целиками 2 безопасности и слоем 30 бетонной конструкции, или болты 31 могут быть использованы только между окружающими горными породами 3 и слоем 30 бетонной конструкции. Допускается заделывание слоя 30 бетонной конструкции в угольные целики 2 безопасности и размещение болтов 31 между слоем 30 бетонной конструкции и окружающими горными породами 3. Альтернативно, слой 30 бетонной конструкции может быть заделан в окружающие горные породы 3, а болты 31 введены между слоем 30 бетонной конструкции и угольными целиками 2 безопасности.
В настоящем варианте реализации, как показано на фиг. 3, стальные брусы 32 использованы в слое 30 бетонной конструкции. Во всем слое 30 бетонной конструкции множество стальных брусов 32 образуют форму «#», причем длина ориентированных в продольном направлении стальных брусов 32 равняется высоте слоя 30 бетонной конструкции, а длина ориентированных в поперечном направлении стальных брусов 32 равняется ширине слоя 30 бетонной конструкции. Стальные брусы могут повышать прочность искусственной плотины для сопротивления водяному давлению подземного резервуара.
Предпочтительно множество стальных брусов 32 может также быть выполнено в других формах, таких как форма  или форма креста, в слое бетонной конструкции.
В настоящем варианте реализации искусственная плотина имеет прямоугольное сечение.
Предпочтительно, как показано на фиг. 4, сечение искусственной плотины имеет форму арки, вогнутый участок которой обращен к подземному резервуару таким образом, чтобы сопротивляться воздействию внезапного увеличения водяного давления на корпус плотины.
Предпочтительно в опорном слое 10, слое 20, препятствующем просачиванию, и слое 30 бетонной конструкции выполнены аварийные смотровые отверстия (не показано). Для предотвращения нарушения безопасности эксплуатации резервуара вследствие внезапного увеличения водяного давления в резервуаре, которое приводит к поломке плотины, аварийные смотровые отверстия выполнены на подходящих участках в искусственной плотине. Аварийные смотровые отверстия имеют одну функцию, а именно, наблюдение и снятие образцов водяного давления, уровня воды и качества воды в резервуаре через отверстия. Дополнительно, путем использования клапана с гидравлическим действием таким образом, чтобы обеспечивать автоматическое или ручное приведение клапана в действие в случае превышения водяным давлением безопасного давления клапана для выведения воды, обеспечивая безопасность подземного резервуара.
Способ возведения искусственной плотины для распределительного подземного резервуара для угольных шахт в соответствии с настоящим изобретением включает этапы:
Этап 101: выбор участков для возведения искусственной плотины между угольными целиками 2 безопасности во вспомогательном штреке 1.
Этап 102: во вспомогательном штреке 1, последовательное выполнение опорного слоя 10 и слоя 20, препятствующего просачиванию, от внутренней стороны наружу.
Этап 103: рядом с наружной стороной слоя 20, препятствующего просачиванию, прорезание в угольных целиках 2 безопасности и окружающих горных породах 3 вокруг вспомогательного штрека 1 для образования углублений 33.
Этап 104: в углублениях 33, введение множества болтов 31 в угольные целики 2 безопасности и окружающие горные породы 3.
Этап 105: заделывание стальных брусов 32 в углубления 33.
Этап 106: выпуск цемента под высоким давлением для образования слоя 30 бетонной конструкции в углублениях 33.
Глубина углублений 33 может составлять 30-80 см, и глубина может быть регулируема в зависимости от окружающих геологических условий и емкости подземного резервуара. В частности, глубина углублений 33 угольных целиков 2 безопасности может составлять 50-80 см, а глубина углублений 33 окружающей горной породы 3 может составлять 30-60 см. Преимущество способа возведения согласно настоящему изобретению идентичны преимуществам искусственной плотины и, следовательно, далее описаны не будут.
Предпочтительно этап 101 выбора участков для возведения искусственной плотины дополнительно включает:
Этап 201: исследование содержания угля в горной породе, горизонта и конструкции штрека, подлежащего образованию, путем использования средств геофизических исследований и бурения.
Этап 202: выбор мест с простой конструкцией и стабильным содержанием угля в горной породе в качестве участков возведения искусственной плотины.
Предпочтительно перед этапом 102 «во вспомогательном штреке, последовательное выполнение опорного слоя и слоя, препятствующего просачиванию, от внутренней стороны наружу», способ дополнительно включает:
Этап 301: оценка водяного давления во вспомогательном штреке 1.
Этап 302: выполнение формы сечения искусственной плотины в соответствии с водяным давлением.
Предпочтительно выбирать искусственную плотину, сечение которой имеет форму арки, при относительно высоком водяном давлении или при расположении искусственной плотины в нижней части резервуара таким образом, чтобы противодействовать водяному давлению. Для искусственной плотины в форме арки углубления 33 также выполнены в форме арки.
Предшествующее описание лишь описывает принцип и предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения. Следует отметить, что на основании принципа настоящего изобретения специалисты в данной области техники смогут осуществить некоторые изменения, которые также находятся в пределах объема правовой защиты настоящего изобретения.