礦井防水閘門的設計與應用

付金陽

(山東能源臨沂礦業(yè)集團設計院)

礦井防水閘門的設計與應用

付金陽

(山東能源臨沂礦業(yè)集團設計院)

王樓煤礦屬水文地質(zhì)復雜型礦井，其南翼采區(qū)可采及局部可采煤層共4層，預計開采時的正常涌水量為672 m3/h。為此，在-680 m水平南翼軌道、膠帶大巷分別設置一道防水閘門，設計水壓均為7.1 MPa，以確保礦井安全生產(chǎn)。

防水閘門 水壓計算 硐室注漿

王樓煤礦南翼采區(qū)可采及局部可采煤層為10下、12下、16上、17煤，其補給水源為五—九灰及十—十三灰，預計正常涌水量共672 m3/h，屬水文地質(zhì)條件復雜型礦井。因礦井南翼開采時涌水量較大，所需潛水泵功率較大，需對礦井現(xiàn)有供電系統(tǒng)進行擴容改造，并需另行敷設排水管路，耗費較大。為此，該礦決定在-680 m水平南翼軌道、膠帶大巷分別設置一道防水閘門，確保礦井安全生產(chǎn)。

1 防水閘門

1.1 確定防水閘門位置

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，防水閘門應設于堅硬、穩(wěn)定、完整致密的巖層中，避開巖溶斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶，硐室應設在小斷面和直線巷道中，四周留有保護煤、巖柱，嚴禁受采動影響，不宜設在煤層中。經(jīng)井下實際勘察，兩道防水閘門均設于-680 m 水平南翼軌膠第一聯(lián)絡巷中心以外21 m處，硐室四周圍巖均為泥砂巖夾層(3上煤底板)，巖石完整堅硬，具有較高的抗壓強度和抗?jié)B水性能，穩(wěn)定性良好。

1.2 防水閘門設計依據(jù)

(1)設計靜水壓力P：

P=ρgh，

(1)

式中，ρ為水密度，1 000 kg/m3；h為最大水頭高度，奧灰水的靜水位標高為+28.0 m，南翼軌道大巷防水閘門硐室底板標高為-678.5 m，h=706.5 m，南翼膠帶大巷防水閘門硐室底板標高為-678.2 m，h=706.2 m。

為保留一定的安全系數(shù)，對兩道防水閘門設計水壓均取值為7.1 MPa。

(2)涌水量。①10下煤層為局部可采煤層,其上距三灰30.00～47.60 m,一般情況下三灰對10下煤層開采影響不大;②開采12下煤層頂板進水含水層主要為五—七灰，個別地段影響至三灰，在煤層露頭附近可影響至第四系下組;③12下煤層底板為石灰?guī)r(八)，平均厚2.07 m，12下煤層下距九灰11.97～19.06 m，平均15.70 m，因此八—九灰為開采12下煤層的底板進水含水層，預計開采10下及12下煤層時正常涌水量為42 m3/h;④十下灰與十一灰是開采16上、17煤層的直接充水含水層,16上煤層在-350 m、17煤層-300 m以下存在奧灰水底鼓威脅,預計開采16上、17煤層時正常涌水量為630 m3/h。

因此，預計南翼煤層開采時總的正常涌水量為Q=672 m3/h，預計最大涌水量為正常涌水量的1.5倍，為1 008 m3/h。

(3)防水閘門結(jié)構形式。根據(jù)設計水壓P=7.1 MPa，考慮到圍巖狀況，設計采用倒截錐形計算公式對防水閘門硐室墻體參數(shù)進行計算。

(4)混凝土強度設計值。選用C30混凝土砌筑防水閘門，水泥標號P.O32.5，配比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)=0.5∶1∶1.5∶2.5。其軸心抗壓強度[σ]=15 MPa，抗拉強度為1.5 MPa。

1.3 防水閘門的選擇

根據(jù)-680 m水平南翼軌道、膠帶大巷防水閘門硐室設計最大靜水壓7.1MPa，選擇ML-90型薄殼礦用防水閘門，門扇規(guī)格為2.40 m×2.32 m，閘門允許壓力9.00 MPa。

1.4 防水閘門墻體尺寸計算

根據(jù)防水閘門硐室、閘閥、管路、門扇安裝及運輸、通風、行人等要求，確定前后硐室斷面形式及硐室主體。

根據(jù)前后室特征、巖體抗壓強度及C30混凝土抗剪強度，按照《采礦工程設計手冊》 “倒截錐形防水閘門硐室砌體長度和厚度計算方法”中的有關規(guī)定，確定硐室主體長度及寬度。

以-680 m水平南翼軌道大巷防水閘門硐室為例，計算其墻體支護參數(shù)。

(1)防水閘門墻體應力衰減段計算：

Li=[ln(γ0γfγdP)-ln(ft)]/0.398 6 ,

(2)

式中,Li為防水閘門墻體應力衰減段計算長度，m;γ0為結(jié)構的重要性系數(shù)，取1.1；γf為作用的分項系數(shù)，取1.3；γd為結(jié)構系數(shù)，取1.2；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值,取1.5 N/mm2。

將各參數(shù)代入式(2)，計算得Li=5.255 m.

(2)防水閘門墻體長度計算。防水閘門墻體長度為防水閘門墻體應力衰減段計算長度與防水閘門墻體應力回升段計算長度之和，即防水閘門墻體長度為7.255 m，取8 m。

(3)防水閘門硐室最大掘進斷面積計算：

S2=(γ0γfγdγsdP+fcc)S/fcc,

(3)

式中,γsd為作用不定性系數(shù)，水壓大、圍巖抗壓強度低者取大值，取2.0；fcc為素混凝土的軸心抗壓強度設計值，其值由理論值表中查取的軸心抗壓強度設計值fc乘以0.95確定，fc=15 N/mm2；S為防水閘門墻體前、后巷道凈斷面積，為11.84 m2。

(4)防水閘門墻體嵌入圍巖深度計算：

(4)

式中，E為防水閘門墻體嵌入圍巖深度(含砌壁厚)，m；B為防水閘門墻體前、后巷道凈寬，為4.0 m；H3為防水閘門前、后巷道墻高，為1.39 m。

將各參數(shù)代入式(4)計算得E=1.749 m.

考慮到硐室施工對圍巖的影響、圍巖的均勻性等，為保證硐室的安全性和可靠性，取E=2.0 m.

根據(jù)以上計算結(jié)果，確定-680 m水平南翼軌道大巷防水閘門硐室長度為8.0 m，墻體嵌入深度為2.0 m。

同樣計算-680 m南翼膠帶大巷防水閘門硐室長度為8.0 m，墻體嵌入深度為2.0 m。

按照《煤炭安全規(guī)程》的相關規(guī)定，結(jié)合該礦井下實際條件，在各防水閘門硐室前、后兩側(cè)，分別砌筑長6 m、厚0.5 m C30的混凝土護碹。

1.5 管路與閘閥的選擇

(1)排水管的選擇。據(jù)《煤礦工程設計手冊》表5-12-6及《王樓煤礦南翼補充勘察報告》，預計礦井南翼開采時正常涌水量、最大涌水量，選取管直徑D=400 mm，坡度i=10‰,管子充水高度系數(shù)0.7，流速V=582.8 m3/h。為留有一定的富裕，鋪設兩排管路，管路內(nèi)徑均為400 mm，排水能力達到1 165.7>1 008 m3/h。

確定選用D450×18無縫鋼管作為放水管,可滿足要求。

(2)電纜管的選擇。選用7條D114×6無縫鋼管，其中2條作為電纜管，4條作壓風管、防塵水管、泄氣管和監(jiān)測電纜管，1條作備用管。

(3)閘閥的選擇。根據(jù)最大靜水壓力7.1 MPa，放水管安放CZ40H-64型DN400閘閥;壓風管、防塵水管、泄氣管、監(jiān)測電纜管安放CZ40H-64型DN100閘閥;電纜管采用法蘭盲蓋，盲蓋厚度和法蘭厚度相同。

1.6 硐室注漿

采用325#普通硅酸鹽水泥反復注漿，最終注漿壓力必須達到10.65 MPa，即防水閘門設計承壓的1.5倍。

為進行壁后高壓注漿，需根據(jù)設計或現(xiàn)場條件，在澆筑混凝土的同時埋設注漿管。注漿管按漿液擴散半徑1.3 m布置，間排距不大于2.5 m，注漿管外露0.3 m。

注漿時采用P.O32.5水泥單液注漿，水灰比(質(zhì)量比)采用0.5∶1。每條注漿管注漿次數(shù)不少于3次，注漿壓力不小于10.65 MPa，且進漿量不大于20 L/min。注漿結(jié)束后必須將全部注漿管用M10砂漿封堵。

1.7 活動軌鋪設、篦子門

為確保一旦發(fā)生水患時能及時關閉閘門，要求在軌道大巷防水閘門處設活動軌?；顒榆壟c固定軌均放置在焊接槽鋼內(nèi)，用圓柱插銷固定；在膠帶大巷防水閘門處采用易于拆卸的皮帶支架。

為防止來水后雜物堆積在閘門上影響關門，要求在閘門里端距離水閘門15～25m處設置一道篦子門，箅子門采用9#角鋼和φ10mm圓鋼焊接而成。

2 防水閘門硐室施工技術要求

①施工前要做混凝土配比試驗，保證混凝土強度不低于C30；②防水閘門硐室施工原則上采用風鎬掏槽，確實困難時允許放小炮，但必須明確炮眼每孔裝藥量，根據(jù)實際情況盡量少打眼，減少對圍巖的破壞，掏槽后必須把活石、碎矸清理干凈；③澆筑混凝土前必須將防水閘門硐室兩幫及頂?shù)装鍥_刷干凈；④必須確?；炷涟枇暇鶆颍ＷC澆筑的連續(xù)性,配合振搗器振搗，特別要加強硐室頂部的混凝土振搗；⑤注漿管出漿口要放入預先鑿好的巖窩內(nèi)，用水泥袋或牛皮紙包住管口，并用石子埋填，巖窩直徑和深度100 mm左右；⑥混凝土澆筑過程中，分前、中、后留取不少于3組混凝土試塊，在井下養(yǎng)護期滿后，及時進行強度試驗。

3 結(jié) 語

防水閘門可將礦井開采引發(fā)時的突水控制在一定區(qū)域內(nèi)，不影響其他區(qū)域的安全生產(chǎn)，保證井下作業(yè)人員的安全，減少礦井因突水造成的經(jīng)濟損失，也為其他礦井解決類似問題提供了經(jīng)驗。

[1] 張榮立，何國緯，李 鐸.采礦工程設計手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[2] 苗河根.深井高壓防水閘門硐室試驗研究[J].礦山壓力與頂板管理，2002(3)：98-100.

2015-04-03)

付金陽(1982—)，男，工程師，276017 山東省臨沂市。