干河煤礦防水閘墻設(shè)計(jì)方案研究

曹攀攀

（中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120）

由于干河煤礦部分區(qū)域與郭莊泉域重點(diǎn)保護(hù)區(qū)重疊，2018年7月18日，國土資辦發(fā)（2018）95號(hào)文件《關(guān)于辦理避讓退出自然保護(hù)區(qū)泉域重點(diǎn)保護(hù)區(qū)礦業(yè)權(quán)變更登記工作實(shí)施方案》，要求礦井依法依規(guī)進(jìn)行礦業(yè)權(quán)與保護(hù)區(qū)重疊范圍的退出工作。2018年8月1日，山西省國土廳公布自然生態(tài)保護(hù)紅線，圈定礦井面積10.336 5km2為禁采區(qū)，其中包括二采區(qū)1-203工作面所在區(qū)域。

實(shí)際勘探發(fā)現(xiàn)二采區(qū)1-203工作面采空區(qū)存在隱伏構(gòu)造溝通煤層頂板砂巖含水層，1-203工作面涌水量較大，涌出的水量無法控制，存在淹井的風(fēng)險(xiǎn)。干河煤礦積極落實(shí)相關(guān)政策，為保證礦井的安全生產(chǎn)，現(xiàn)急需在二采區(qū)1-203工作面正巷、副巷布置防水閘墻，將禁采區(qū)與可采區(qū)隔離開，避免禁采區(qū)域的水一旦涌出給礦井生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。

1 工程概況

干河煤礦位于山西省洪洞縣北部，生產(chǎn)規(guī)模2.10 Mt/a。礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜。1-203工作面回撤結(jié)束，具備密閉條件，在采區(qū)預(yù)留建設(shè)防水閘墻是必要的。1-203工作面地面標(biāo)高+550～ +635 m，1-203工作面目前涌水量約150 m3/h。目前諸多煤礦井下已經(jīng)建立承受較高水壓的防水閘墻，例如安徽宿州桃園煤礦砌筑的防水閘墻可以承受6.6 MPa水壓。因此，在借鑒其他礦井經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上尋求建立適合本礦井條件的防水閘墻隔離系統(tǒng)是可行的。

2 防水閘墻特征

根據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51070-2014）10.3.13條，承受水壓大于1.6 MPa的防水閘墻硐室應(yīng)選用倒截錐型結(jié)構(gòu)。防水閘墻硐室采用倒截錐型結(jié)構(gòu)形式，倒截錐段采用錨網(wǎng)索噴+鋼筋混凝土支護(hù)，采用預(yù)埋水管排水方式。閘墻硐室長度20.5 m，其中防水閘墻墻體段長度8.5 m，防水閘墻前后混凝土加強(qiáng)支護(hù)長度均為6.0 m，采用錨網(wǎng)索噴+混凝土砌碹支護(hù)方式，支護(hù)厚度500 mm。拱碹及鋪底混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40，噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。工作面正巷防水閘墻墻體段巷道底板距1號(hào)煤層頂板約1.63～2.23 m。

3 設(shè)計(jì)原則

3.1 選擇原則

（1）所選的位置應(yīng)盡可能地避免井下工作面回采擾動(dòng)的影響；（2）應(yīng)盡可能選擇在煤巖層條件較好的巖層內(nèi)；（3）嚴(yán)禁在斷層、陷落柱等構(gòu)造附近及松散破碎的巖層中布置防水閘墻；（4）防水閘墻布置應(yīng)避免多煤層開采擾動(dòng)因素對(duì)其產(chǎn)生不必要的影響；（5）當(dāng)?shù)V井水文地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，在進(jìn)行防水閘墻設(shè)計(jì)時(shí)，必須在其附近保留足夠的防水煤（巖）柱避免水患災(zāi)害威脅。

3.2 位置選擇

1-203工作面正巷巷道內(nèi)巖性為粉砂巖，根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告，防水閘墻處承受底板水壓為5.7 MPa。墻體材料為鋼筋混凝土，混凝土型號(hào)選用C40，軸心抗壓為19.1 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度為1.7 MPa。再根據(jù)1-203工作面正巷外段圍巖性質(zhì)及其穩(wěn)定性，決定把防水閘墻設(shè)計(jì)在1-203工作面正巷距離二采區(qū)回風(fēng)巷巷幫約103 m位置處，對(duì)所選取的位置進(jìn)行鉆孔取樣，進(jìn)行巖石力學(xué)測試。測試結(jié)果得到巖石的強(qiáng)度指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度23.3 MPa，破壞載荷39.21 kN?？紤]到巖石的尺度效應(yīng)，井下建設(shè)防水閘墻時(shí)圍巖應(yīng)力條件存在一定的差距，因此，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

3.3 防水閘墻墻體厚度計(jì)算

墻體厚度計(jì)算公式為：

式中：L為防水閘墻墻體的長度，m；P為防水閘墻墻體的水壓，N/mm2（MPa）；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；γf為作用的分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取20～1.75，水壓大、硐室凈斷面積大時(shí)取大值，取1.75；Li為防水閘墻墻體應(yīng)力衰減段計(jì)算長度，m；ln為自然對(duì)數(shù)符號(hào)；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；L0為防水閘墻墻體應(yīng)力回升段長度，1.0～2.0 m，取2.0 m。

3.4 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為防水墻體嵌入圍巖深度，m；fc為素混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，根據(jù)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以0.95確定，N/mm2（MPa）；S2為防水閘墻硐室最大掘進(jìn)斷面面積，m2；γsd為作用不確定系數(shù)，取1.20～2.0，當(dāng)?shù)V井水壓較大、硐室凈斷面積大時(shí)，應(yīng)取大值，取2.0；S為防水閘墻墻體前后巷道凈斷面積，m2；E為防水閘墻墻體嵌入圍巖深度（含砌壁厚），m；h3為防水閘墻墻體前后巷道墻高，取1.6 m。

4 防水閘墻結(jié)構(gòu)形式方案

本次主要考慮倒截錐形和注漿楔形兩種結(jié)構(gòu)形式，從理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行比較。

4.1 方案一：倒截錐形方案

根據(jù)《煤礦井底車場硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》，倒截錐形宜用于承受水壓大于1.6 MPa的防水閘門硐室，經(jīng)計(jì)算，E=1.4 m，L=7.5 m。倒截錐形防水閘墻如圖2。

圖2 倒截錐形防水閘墻

4.2 方案二：注漿楔形方案

由于防水閘墻斷面復(fù)雜、施工及支護(hù)難度大、工程費(fèi)用高，提出注漿楔形結(jié)構(gòu)，承受高壓來水。注漿楔形防水閘墻暫無計(jì)算公式，根據(jù)井下施工實(shí)際，取E=1.4m，L=7.5m。注漿楔形防水閘墻如圖3。

圖3 注漿楔形防水閘墻

5 數(shù)值模擬

5.1 模型建立

為研究防水閘墻修建后周圍應(yīng)力變化規(guī)律，以干河煤礦1-203工作面地質(zhì)資料為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維模型如圖4。尺寸為：X、Y、Z方向分別取70 m、20 m、17.4 m。模型上部邊界深度594 m，容重25 kN/m3，垂直應(yīng)力為14.55 MPa。計(jì)算中采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，采用應(yīng)變軟化模型以反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強(qiáng)度逐步降低的性質(zhì)。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

5.2 方案一：倒截錐形方案

受到高壓來水后，倒截錐形防水閘墻位移及應(yīng)力分布如圖5。

圖5 倒截錐形防水閘墻應(yīng)力及位移分布圖

由圖5可知：倒截錐形防水閘墻應(yīng)力在圍巖內(nèi)呈現(xiàn)環(huán)狀擴(kuò)散，無應(yīng)力集中現(xiàn)象，在倒截錐的尾部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，此處易發(fā)生拉應(yīng)力破壞產(chǎn)生裂隙，但對(duì)整個(gè)防水閘墻穩(wěn)定性無影響，且局部裂隙不會(huì)發(fā)生貫通現(xiàn)象。因此，倒截錐形結(jié)構(gòu)防水閘墻可以穩(wěn)定承載5.7 MPa來水壓力。

5.3 方案二：注漿楔形方案

受到高壓來水后，注漿楔形位移及應(yīng)力分布如圖6。

圖6 楔形結(jié)構(gòu)水閘墻的應(yīng)力與位移分布云圖

由圖6可知：閘墻內(nèi)無應(yīng)力集中現(xiàn)象，高壓水對(duì)防水閘墻的應(yīng)力隨著圍巖深度的增加逐漸擴(kuò)散，但擴(kuò)散角度呈現(xiàn)銳角，擴(kuò)散范圍小。由位移分布云圖可知，巷道圍巖內(nèi)位移等值線仍貫通巷道圍巖，因此，該結(jié)構(gòu)易形成貫通巷道的裂隙，從而形成導(dǎo)水通道。

6 設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

本次優(yōu)化基于高水壓礦井地質(zhì)條件，通過上述數(shù)值方法對(duì)注漿楔形結(jié)構(gòu)防水閘墻以及倒截錐形結(jié)構(gòu)防水閘墻兩種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，得到各方案的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

雖然方案二在工程量、施工工藝及投資上優(yōu)勢較明顯，但巷道承受水壓效果不理想且施工工藝復(fù)雜；方案一雖施工工程量大，但承受水壓大，結(jié)合工程實(shí)際和規(guī)范要求，設(shè)計(jì)推薦方案一。

7 結(jié)語

干河煤礦工作面承受水壓高達(dá)5.7 MPa，本次推薦倒截錐形防水閘墻。該結(jié)構(gòu)防水閘墻雖工程量大，但是高壓來水后，圍巖內(nèi)無應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)抵抗高壓水來壓。倒截錐形防水閘墻可適應(yīng)越來越復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，優(yōu)勢較為明顯，消除了礦井的安全隱患，保障了礦井安全生產(chǎn)，未來在井下水文地質(zhì)類型復(fù)雜或極復(fù)雜的礦井具有較大推廣意義。