煤矿地下水库储水系数演化机理与人工密闭挡水坝体水力承载验算：碎胀压实孔隙率模型、深浅孔渗透阻隔与全寿命安全监测指南

摘要与核心技术全景

我国西部干旱与半干旱富煤地区（如陕北榆神矿区、宁东矿区、内蒙古鄂尔多斯矿区），煤炭资源富集但生态水资源极度匮乏。长期以来，传统大强度煤炭开采破坏了覆岩隔水层，导致赋存于第四系松散层和白垩系、侏罗系砂岩孔隙裂隙中的地下水大规模漏失涌入井下，随后经大功率排水泵提升至地表。由于地表蒸发量巨大（年蒸发量常为降雨量的 4~6 倍），矿井水外排不仅造成宝贵地下水资源的不可逆蒸发损耗，更极易引发地表次生盐渍化和生态退化。煤矿地下水库技术作为顾大钊院士团队首创的绿色开采标志性成果，实现了矿井水由“被动强排”向“井下原位导、储、净、用”根本转变。

然而，地下水库的工程建设面临采空区碎胀矸石非线性压实流变、储水空间精准核算困难、人工挡水坝体在高承压水与采动动压迭加扰动下的失稳滑移、以及坝体-围岩胶结接触面绕渗跑水等重大技术挑战。根据国家矿山安全监察局《煤矿水害防治监管监察执法要点》与《煤矿防治水细则》法定要求，承压挡水设施必须具备抵抗静态极限水头压力、动态冲击水压与断层蠕动微应变的多重抗灾冗余度。

中矿天智水文地质与矿井特殊地下工程技术中心，深入总结神东大柳塔、补连塔、神木四门沟等示范矿井建设实践，形成了涵盖“采空区孔隙率三维演化建模—人工挡水坝水力力学极限验算—接触面超细无机低压固结渗透截流—全寿命光纤光栅微应变反演”的全套成套技术体系。本文系统推导了采空区垮落岩体压实流变双曲线孔隙率本构方程，给出了刚性重力式挡水坝与拱形楔形坝抗滑移、抗倾覆、抗剪切三维力学解析模型，提出了坝基周边“深孔帷幕阻断+浅孔劈裂补强”注浆控渗标准参数，为现代化千万吨级矿井构建长寿命、免维护地下水库提供了系统化工程实施指南。

一、 采空区储水系数时空演化与库容精准计算模型

1.1 垮落覆岩三带划分与碎胀孔隙特征

长壁采煤工作面顶板垮落后，采空区自下而上形成典型的冒落带、裂隙带与弯曲下沉带（“三带”）：

1. 冒落带（主要储水空间）：直接顶坚硬砂岩和泥岩在自重及矿山压力作用下破碎垮落，形成无规则杂乱堆积的碎块岩体。初始垮落时碎胀系数通常高达 $k_p = 1.35 \sim 1.55$；
2. 裂隙带：基本顶断裂形成砌体梁铰接结构，岩块发生规则断裂下沉，内部充满纵横交错的贯通张开裂隙，具备裂隙渗流与储水能力；
3. 弯曲下沉带：岩层保持连续变形，裂隙闭合，形成稳定的天然上覆隔水隔气封盖。

1.2 冒落矸石碎胀孔隙率应力压缩双曲线本构模型

随着工作面推进与相邻采区采动，采空区冒落矸石承受的上覆覆岩载荷逐渐恢复至接近原岩应力水平。岩石碎块在三轴压应力下发生碎块接触点应力集中剪切破裂、细颗粒充填大孔隙以及宏观骨架体积压缩。采空区碎胀孔隙率 $n(\sigma)$ 随压实垂直有效应力 $\sigma_v$ 呈现出强非线性衰减特征，服从修正 Salamon 侧限压缩双曲线本构：

式中各项物理力学参数定义为：

• $n_0$：采空区矸石初始松散堆积孔隙率（通常测定为 $0.32 \sim 0.42$）；
• $\sigma_v$：采空区某一测点承受的上覆岩层垂直有效压应力（$ ext{MPa}$）；
• $A$：初始侧限变形模量倒数力学系数（$ ext{MPa}$）；
• $B$：极限侧限体应变力学常数，且满足 $\lim_{\sigma_v o \infty} n(\sigma_v) = n_0 - rac{1}{B} = n_{ ext{res}}$；
• $n_{ ext{res}}$：采空区深部最终极限残余孔隙率（通常为 $0.10 \sim 0.15$）。

#### 采空区动态储水系数 $\mu_w(t)$ 计算方程

实际地下水库有效储水量并非全部重力排出，部分孔隙水受毛细管力和颗粒吸附成为结合水。地下水库单位体积有效重力出水系数 $\mu_w$ 定义为：

式中：$S_r$ 为饱和毛细水残留度（取 $0.15 \sim 0.22$）；$\lambda_{ ext{eff}}$ 为有效连通孔隙度因数（取 $0.85 \sim 0.92$）。地下水库三维动态总库容 $V_{ ext{total}}$ 通过沿采空区底板标高进行三重空间体积分：

二、 人工密闭挡水坝体极限水力承载与抗滑抗剪验算

2.1 坝体类型选择与边界荷载工况

在连接采空区与外围主运大巷或泵房的联络巷道处，必须构筑长寿命抗爆抗渗人工挡水坝体。根据巷道跨度及水头高度，主要分为：

• 重力式平直混凝土坝体：适用于岩层坚硬、水头压力小于 $1.5 ext{ MPa}$、断面跨度较小的巷道；
• 楔形嵌入式混凝土坝体：在巷道顶底板及两帮开挖凹槽嵌锁，利用反向楔形自锁效应承载高水头（$1.5 \sim 4.0 ext{ MPa}$）；
• 倒拱形钢筋混凝土拱坝：适用于特大跨度（$> 5.5 ext{ m}$）及超高承压水工况（$> 4.0 ext{ MPa}$），将静水压力通过双向拱轴线向两帮稳固基岩传递。

2.2 重力式与楔形挡水坝体抗滑移抗倾覆力学解析

#### 1. 抗滑移稳定极限平衡验算

坝体承受库区静水总推力 $P_w$、坝体自重 $G_{ ext{dam}}$、基底扬压力 $U_{ ext{up}}$ 以及侧帮嵌入段的抗剪阻力 $F_{ ext{shear}}$。依据极限平衡原理，沿底板滑移面的抗滑稳定性安全系数 $K_s$ 必须满足：

各物理项解析如下：

• $P_w = rac{1}{2} ho_w g H_w^2 \cdot B_{ ext{roadway}}$：静水总推力（$ ext{kN}$），$H_w$ 为最大设计校核水头高度（m），$B_{ ext{roadway}}$ 为巷道跨度（m）；
• $U_{ ext{up}} = rac{1}{2} lpha_u ho_w g H_w \cdot A_{ ext{base}}$：底板渗透扬压力总和，$lpha_u$ 为底板扬压力折减系数（设反滤盲沟及止水帷幕时取 $0.30 \sim 0.45$）；
• $f_{ ext{base}}, c_{ ext{base}}$：混凝土坝底与基岩接触面的抗滑摩擦系数与有效黏聚力（砂岩基岩 $f_{ ext{base}} = 0.55 \sim 0.65$，$c_{ ext{base}} = 0.4 \sim 0.8 ext{ MPa}$）；
• $F_{ ext{side}}$：两帮开槽嵌入段由于围岩挤压产生的剪切阻力：

• $[K_s]$：规范允许的极限工况抗滑安全系数，依据《水利水电工程水工建筑物抗震设计规范》及矿山规程，永久性防水密闭坝取 $[K_s] \ge 2.5 \sim 3.0$。

#### 2. 两帮及顶底板基岩抗冲切极限承载力

楔形坝侧帮嵌槽端面承受集中剪应力 $ au_{ ext{contact}}$，根据双剪统一强度理论，基岩允许抗剪极限必须满足：

式中：$d_{ ext{embed}}$ 为四周巷壁开挖嵌入深度（一般要求硬岩 $d_{ ext{embed}} \ge 1.0 \sim 1.5 ext{ m}$，软岩 $d_{ ext{embed}} \ge 2.0 ext{ m}$）；$K_{ ext{shear}}$ 为抗剪安全冗余度（取 $\ge 3.0$）。

三、 坝体-围岩接触面注浆封堵与防渗抗冲刷工程

3.1 接触界面松动圈应力卸荷与绕渗通道

巷道掘进破坏了原岩三维地应力平衡，在巷道周边诱发 $1.2 \sim 2.5 ext{ m}$ 范围内的围岩松动圈与卸荷微裂隙。当水库蓄水后，高压承压水极易顺着混凝土坝体与围岩接触缝隙以及松动裂隙网发生绕渗。若水力坡降超过临界动水梯度，将引发围岩渗透破坏与涌泥溃砂。

3.2 深浅孔复合注浆截渗工艺流程

[坝位基岩开槽与清渣打底] 
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[浇筑C40微膨胀抗渗自密实混凝土 (厚度 2.5~4.5m)]
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[预埋接触面接缝注浆镀锌管网 (孔距 800mm)]
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[一级低压接触面超细水泥回填灌浆 (压力 1.5~2.5 MPa)]
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[周边围岩深孔超前高压帷幕注浆 (孔深 8~12m，压力 4.0~6.0 MPa)]
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[坝体后部构筑反滤渗流盲沟与大口径泄压排沙管]

#### 关键防渗施工技术指标矩阵

四、 地下水库水质原位净化演化与沉积物冲淤调控

4.1 采空区天然多介质物理化学原位过滤与离子吸附机理

矿井水在采空区冒落矸石孔隙中水平运移滞留时间通常达 7~15 天。破碎矸石含有大量高岭石、伊利石、蒙脱石等黏土矿物及未燃有机质炭质碎屑，构成了天然的“巨型地下慢滤池”：

1. 重力截留与吸附过滤：微米级悬浮物（SS）在曲折迂回的矸石微孔隙中通过机械筛滤、重力沉降和接触絮凝被彻底拦截，出水浊度从初始的 $> 300 ext{ NTU}$ 降至 $< 5 ext{ NTU}$；
2. 重金属与特征离子螯合沉淀：黏土矿物颗粒表面带负电荷，对水中游离态 $ ext{Fe}^{2+}, ext{Mn}^{2+}, ext{Cu}^{2+}$ 展现出优异的离子交换与电中和吸附容量；
3. 微生物厌氧降解：低氧采空区赋存的厌氧菌与微好氧菌菌群对水中残留的微量乳化液润滑油类化合物进行酶促水解氧化，COD 去除率突破 $75\% \sim 85\%$。

4.2 底部集淤清淤系统与反冲洗排沙设计

长期运行过程中，悬浮微粒与自沉降泥沙在靠近挡水坝内侧低洼区域逐渐淤积沉淀。为防止泥沙板结堵塞回水泵吸水口，坝体底部必须预留专用排沙管廊：

• 坝底铺设 2 组 DN300 耐磨不锈钢排沙放空管，配置井下防爆气动高压快开闸阀；
• 库底低位安装射流扰动搅拌喷头，利用循环高压水枪定期冲刷沉积淤泥，利用重力自流或高浓渣浆泵将浓缩泥浆排至井下废弃巷道沉淀区。

五、 工程案例实证：神木四门沟矿业地下水库建设

5.1 工程地质与水文环境参数

神木市四门沟矿业 3-1 煤层平均厚度 3.8m，埋深 380~460m。上覆侏罗系延安组砂岩含水层涌水量大，采空区正常涌水量达 $450 ext{ m}^3/ ext{h}$。为解决地表水资源短缺与井下安全排水矛盾，矿方决定将已采毕的 3101、3102 采空区联合改建为分布式地下水库。

• 设计有效库容：$120 ext{ 万 m}^3$；
• 设计校核最高承压水头：$45 ext{ m}$（静水压强约 $0.45 ext{ MPa}$）；
• 坝位选址：3101 顺槽与主大巷联络十字口，巷道净宽 5.2m，净高 3.6m。

5.2 实施成效与多维度实测数据

经过 18 个月的蓄水回用运行，各核心监测指标如下：

1. 抗滑移与变形稳定性：坝体预埋的分布式光纤光栅应变计测得坝体最大微压应变为 $185 \, \muarepsilon$，远低于混凝土弹性极限；
2. 基底扬压力与渗流量：坝体四周深浅孔注浆后，坝后集水沟实测总渗水量仅为 $0.18 ext{ m}^3/ ext{h}$，渗流减压率达 96.5%；
3. 水质净化效益：原水 SS 由 280 mg/L 降至 8.5 mg/L，铁锰离子全部达到地表 III 类水标准；
4. 经济与生态收益：每年原位回用工业洗选水 320 万立方米，节约地表深井取水费与排污费逾 1600 万元，荣获国家绿色矿山标杆示范项目。

六、 总工自查与合规决策清单

[地下水库立项阶段]
 ├── 采空区上覆主关键层连续性与地表沉陷是否已完全稳定？
 ├── 采空区周边隔离煤柱宽度是否满足《规程》抗水力压阻极限核算？
 └── 矿井水全化学组分测试中是否含对混凝土具有强腐蚀性的超标侵蚀离子？

[坝体结构设计阶段]
 ├── 挡水坝抗滑安全系数 Ks 是否达到 2.5 以上，抗倾覆系数 Ko ≥ 2.0？
 ├── 四周基岩开槽嵌岩深度在硬岩是否 ≥ 1.0m，软岩 ≥ 1.8m？
 └── 排水放空管、自控调流阀及水压遥测传感器是否具备一备一用双回路？

[注浆施工与验收阶段]
 ├── 接触面回填灌浆与深孔帷幕注浆结石体抗压强度是否 ≥ 15 MPa？
 ├── 蓄水试验是否执行阶梯式逐级加载（每次注水上升 10m，静置观测 72h）？
 └── 安全监测系统是否实时接入矿井安全生产调度智能化综合管控平台？

常见技术问答（FAQ）

张洁贞： 这是设计地下水库时必须排查的底线风险。长期水浸泡会使泥岩、粉砂岩煤柱发生水化软化（软化系数 $\eta_s pprox 0.65 \sim 0.78$）。解决方案是：第一，地下水库库址必须选择在覆岩关键层已完全垮落压实的充分采动区，此时主要垂直支承压力已转移至采空区中部压实矸石骨架，煤柱仅承受次生剪切应力；第二，隔离煤柱宽度设计必须采用考虑浸水折减后的强度参数验算，留设安全系数取 $1.8 \sim 2.2$；第三，煤柱迎水侧全面施工深孔注浆加固形成 $3 \sim 5 ext{ m}$ 厚度的水泥水玻璃防渗止水强化壳，彻底切断水力浸润途径。

张洁贞： 依靠传统静态公式计算往往存在较大偏差。现代高精度标定采用“注水/抽水阶梯水力响应试验 + 微震孔隙率演化三维数字化建模”：在不同注水阶段，精确记录单位注水量引起的水库水位上升曲线（$\Delta V / \Delta H$），绘制水库水位-库容特征标定曲线；同时在井下和地表布设高密度微震检波器阵列，通过采动应变反演采空区各三维网格当前的压实程度，实时校正三维流体数值模型中的孔隙率矩阵，使库容计算综合精度优于 92%。

参考文献与资料来源

1. 顾大钊. 煤矿地下水库理论与工程技术[J]. 煤炭学报, 2015, 40(2): 239-246.
2. 国家矿山安全监察局. 煤矿水害防治监管监察执法要点[S]. 应急管理出版社, 2024.
3. 中华人民共和国水利部. SL 319-2018 混凝土重力坝设计规范[S]. 中国水利水电出版社, 2018.
4. 张洁贞. 陕北侏罗纪煤田采空区充填与地下水资源保护工程实务[R]. 中矿天智技术文献库, 2026.