桃園煤礦防水閘墻設(shè)計(jì)與施工

胡靖

（淮北礦業(yè)集團(tuán)公司 桃園煤礦，安徽 宿州234116）

0 概況

桃園煤礦位于安徽省宿州市境內(nèi)。北界為F1斷層，南部以第10勘探線為界與祁南煤礦毗鄰，西界為10煤層露頭線，東界至32煤層-800m水平投影線。礦井走向南北長(zhǎng)約15km，傾向東西寬1.5～3.5km，面積29.45km2。桃園煤礦于1995年11月15日正式投產(chǎn)，礦井采用立井分水平階段石門開拓方式，分兩個(gè)水平開采。第一水平標(biāo)高為-520m，第二水平標(biāo)高為-800m，回風(fēng)水平標(biāo)高為-310m。礦井生現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為180萬(wàn)噸/年。

桃園煤礦各主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層(段)是礦井充水的直接充水含水層，一般富水性較弱。四含是礦井充水的間接充水含水層，是淺部煤層開采時(shí)礦井充水的重要補(bǔ)給水源之一，一般富水性弱。太灰和奧灰?guī)r溶裂隙含水層具水壓高、來(lái)勢(shì)猛、水量大的特征，是礦井安全生產(chǎn)的重要隱患之一，防治水工程量較大。本礦為以裂隙含水層充水為主的礦床，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，即Ⅱ類三型。

Ⅱ6軌道大巷外段南起Ⅱ4皮帶大巷，北至F2斷層，巷道近平行于巖層走向，巖層層位為10煤底板下，一灰頂界面上，巷道內(nèi)主要巖性為粉砂巖、泥巖，巷道采用“U型棚+注+錨”支護(hù)，凈斷面寬5.2m，高4.2m。該巷道在掘進(jìn)施工期間發(fā)生底鼓并出水，出水點(diǎn)巖性為泥巖，巷道底板標(biāo)高-788.4m。 巷道上距10煤層底板法距39m、下距一灰頂界法距12m。2012年10月15日在注漿堵水施工過(guò)程中，鉆孔單孔最大灰?guī)r涌水量為100m3/h～150m3/h，至此巷道被迫停頭整頓。

1 防水閘墻設(shè)計(jì)位置選擇

1.1 選擇原則

（1）所選位置應(yīng)不受井下采動(dòng)的影響；

（2）應(yīng)盡可能選擇在較致密巖（煤）層內(nèi)；

（3）應(yīng)遠(yuǎn)避斷層和巖石破碎地帶；

（4）不受多煤層開采因素影響；

（5）小斷面、原有光爆錨噴成型較好的直線段巷道內(nèi)

（6）在礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，進(jìn)行采區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)水患威脅情況，必須在其附近保留足夠的防水煤（巖）柱。

1.2 位置選擇

Ⅱ6軌道大巷位于10煤底板下、一灰頂板上，出水點(diǎn)位于ⅡN10點(diǎn)前99m，底板標(biāo)高-788.4m，上距10煤層底板法距39m、下距一灰頂界法距12m。巷道內(nèi)巖性為黑色海相泥巖，根據(jù)Ⅱ6大巷太灰孔實(shí)測(cè)水壓為6.6MPa，設(shè)計(jì)抗水壓能力為6.6MPa。墻體材料為鋼筋混凝土，混凝土型號(hào)選用 C30，軸心抗壓強(qiáng)度 14.3MPa，彎曲抗壓強(qiáng)度16.5MPa，抗剪強(qiáng)度1.40MPa，再根據(jù)Ⅱ6軌道大巷外段圍巖性質(zhì)及其穩(wěn)定性，以及放水的要求，決定把防水閘墻設(shè)計(jì)在ⅡN10+75m～ⅡN10+86m。根據(jù)對(duì)所選位置的巖樣進(jìn)行測(cè)試，水閘墻位置附近參考巖石強(qiáng)度指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度18.73MPa，破壞載荷36.16kN。

上述強(qiáng)度指標(biāo)是在有圍壓條件下測(cè)得，與修建防水閘門時(shí)的受力條件有一定差距，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)安全系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

1.3 防水閘墻墻體厚度計(jì)算

墻體厚度計(jì)算公式為：

式中：L—— 閘門墻體長(zhǎng)度；

P——閘門墻體的設(shè)計(jì)水壓，N/mm2（MPa），取6.6MPa；

γ0——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.1；

γf——作用的分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；

γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.20～1.75，水壓大、硐室凈斷面積大時(shí)取大值，取1.75；

L1——閘門墻體應(yīng)力衰減段計(jì)算長(zhǎng)度，m；

ln——自然對(duì)數(shù)符號(hào)；

ft——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，取1.43N/mm2；

L0—閘門墻體應(yīng)力回升段長(zhǎng)度，取1.0～2.0m，取2.0m。

1.4 墻體嵌入圍巖深度計(jì)算

墻體嵌入圍巖深度計(jì)算公式為：

式中：E——墻體嵌入圍巖深度，m；

fcc——素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，由表1中規(guī)定混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以0.95確定，N/mm2（MPa）；

S2——防水閘門硐室最大掘進(jìn)斷面面積，m2；

γsd——作用不確定系數(shù)，取1.20～2.0，水壓大、硐室凈斷面積大時(shí)取大值，取2.0；

S——閘門墻體前后巷道凈斷面積，為18.9m2；

E——閘門墻體嵌入圍巖深度（含砌壁厚），m；

h3——閘門墻體前后巷道墻高，取1.6m。

表1 混凝土參數(shù)等級(jí)表

據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）》

運(yùn)用以上公式，計(jì)算水閘門密閉體長(zhǎng)度S和嵌入圍巖深度E，各參數(shù)取值如下表2所示：

表2 《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》公式計(jì)算表

由于本次設(shè)計(jì)承受水壓達(dá)6.6MPa，從安全的角度考慮，根據(jù)上述計(jì)算，水閘墻建議采用雙段楔形墻體設(shè)計(jì)，厚度取10m，嵌入圍巖深度取2.0m。結(jié)合巷道實(shí)際情況，不具備楔形墻體向兩幫刷大條件，采用T型墻體，墻體厚度10m，嵌入圍巖深度取1.5m。如圖1。

1.5 水閘墻施工技術(shù)要求

（1）首先根據(jù)來(lái)水方向及墻體處的工程地質(zhì)條件，對(duì)墻體來(lái)壓側(cè)原有巷道的周邊用200mm厚的混凝土加固20m，外側(cè)加固5m。

（2）墻體形狀設(shè)計(jì)為T型直墻式。

（3）閘墻體和兩端護(hù)砌段應(yīng)整體砌筑，墻體迎水一端混凝土中應(yīng)配置2道工字鋼軌（長(zhǎng)7.2m），工字鋼軌前垂直巷道加一層鋼筋編織網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距1m。

（4）墻體材料采用鋼筋混凝土，在澆鑄時(shí)平行巷道底板加2層鋼筋編織網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距1m；第一道布置在底板以上1m，第二道布置在底板以上2.5m。

圖1

（5）防水閘墻施工時(shí)要予埋兩根4寸高壓水管，長(zhǎng)為11m，管路里側(cè)端頭用鐵篦子護(hù)好，防止雜物堵住管路；管路外側(cè)安裝測(cè)壓表、閘閥。

（6）墻體內(nèi)四周對(duì)稱打Φ22螺紋錨桿與注漿錨桿，螺紋錨桿長(zhǎng)2.4m，株排距0.6m×0.6m，錨桿外露長(zhǎng)度不小于0.6m，每段墻體中部用鋼筋繩連成一體；注漿錨桿長(zhǎng)2.5m，株排距1.6m×1.6m。

（7）現(xiàn)巷道有水流出，水溝內(nèi)埋設(shè)一趟8寸水管，排水管與水溝間進(jìn)行澆鑄，施工過(guò)程中巷道內(nèi)活水經(jīng)排水管流出，防水閘墻施工完畢后對(duì)排水管進(jìn)行注漿封閉。

（8）墻內(nèi)混凝土由內(nèi)向外，由下向上一次澆注。

（9）混凝土標(biāo)號(hào)為C30，1m3混凝土配比為：水：175kg、水泥（42.5#）：461kg、中砂：512kg、礫石（Φ＜40mm）：1252kg；配合比為：0.38: 1:1.11:2.72?；炷翑嚢钑r(shí)，嚴(yán)格控制水灰比，所用水要清潔，入模時(shí)須用插入式震搗棒，邊搗邊注，直到水灰分離。

（10）每段墻體澆筑完成時(shí)，對(duì)巷幫用風(fēng)鉆打注漿孔，注馬麗散。

（11）在墻體兩段巷道頂板分別預(yù)留3根注漿花管，成扇形分布；巷道兩幫每段預(yù)留2根注漿花管?；炷翝仓客瓿珊筮M(jìn)行頂板及巷幫壁后注漿，封堵墻體與圍巖間裂隙。其注漿最終壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)水壓的1.5倍（即9.9MPa）。

（12）注漿結(jié)束15天后，對(duì)防水閘墻進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，壓力要求同上。同時(shí)要求在墻體基本不發(fā)生滲漏現(xiàn)象的情況下，壓力穩(wěn)定24小時(shí)。如果穩(wěn)壓達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或者滲漏量較大時(shí)要采取措施進(jìn)行加固和注漿。

1.6 防水閘墻設(shè)計(jì)施工應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）防水閘墻設(shè)計(jì)前，要全面弄清設(shè)計(jì)條件，如閘墻預(yù)計(jì)承壓力、閘墻所在巷道的斷面、支護(hù)形式和原掘進(jìn)方法，擬選定混凝土標(biāo)號(hào)，閘墻硐室圍巖性質(zhì)，硬度及各種力學(xué)參數(shù)。

（2）閘墻形式的選擇。若突水水壓比較大，可以楔形水閘墻，若果壓力特別大，可構(gòu)筑多段楔形水閘墻。

（3）水閘墻要構(gòu)筑在致密堅(jiān)硬及無(wú)裂隙的巖石中。

（4）水閘墻周邊應(yīng)掏槽嵌入到巖石中，并事先埋好注漿管，待閘墻體完工后，再進(jìn)行注漿，充填縫隙，使之與圍巖構(gòu)成一體。

（5）要留設(shè)泄水管路閥門，管路進(jìn)行防腐處理。

2 結(jié)語(yǔ)

桃園煤礦防水閘墻的設(shè)計(jì)與施工，取得了較為理想的堵水效果，每年為礦井減少排水費(fèi)用420萬(wàn)元，提高了礦井安全等級(jí)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該防水閘墻施工成功主要取決于以下五個(gè)方面：一是防水閘墻位置的合理確定；二是墻體厚度與墻體嵌入圍巖深度的科學(xué)計(jì)算；三是墻體形態(tài)結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)；四是墻體掏槽工具的恰當(dāng)選??；五是分段注漿堵漏方法的成功運(yùn)用。

［1］李義昌，鄭倫素.水文地質(zhì)及工程地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

［2］閻琇璋.煤礦地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1989.

［3］中國(guó)煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì).礦井水害防治技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.138－140.

［4］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理宣傳教育中心.煤礦職工防治水專項(xiàng)培訓(xùn)教材[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.