桃園煤礦防水閘墻設計與施工

胡靖

（淮北礦業集團公司 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。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，礦井采用立井分水平階段石門開拓方式，分兩個水平開采。第一水平標高為-520m，第二水平標高為-800m，回風水平標高為-310m。礦井生現核定生產能力為180萬噸/年。

桃園煤礦各主采煤層頂底板砂巖裂隙含水層(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，是淺部煤層開采時礦井充水的重要補給水源之一，一般富水性弱。太灰和奧灰巖溶裂隙含水層具水壓高、來勢猛、水量大的特征，是礦井安全生產的重要隱患之一，防治水工程量較大。本礦為以裂隙含水層充水為主的礦床，水文地質條件復雜，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，巷道內主要巖性為粉砂巖、泥巖，巷道采用“U型棚+注+錨”支護，凈斷面寬5.2m，高4.2m。該巷道在掘進施工期間發生底鼓并出水，出水點巖性為泥巖，巷道底板標高-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程中，鉆孔單孔最大灰巖涌水量為100m3/h～150m3/h，至此巷道被迫停頭整頓。

1 防水閘墻設計位置選擇

1.1 選擇原則

（1）所選位置應不受井下采動的影響；

（2）應盡可能選擇在較致密巖（煤）層內；

（3）應遠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

（6）在礦井水文地質條件復雜地區，進行采區設計時，必須根據水患威脅情況，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，出水點位于ⅡN10點前99m，底板標高-788.4m，上距10煤層底板法距39m、下距一灰頂界法距12m。巷道內巖性為黑色海相泥巖，根據Ⅱ6大巷太灰孔實測水壓為6.6MPa，設計抗水壓能力為6.6MPa。墻體材料為鋼筋混凝土，混凝土型號選用 C30，軸心抗壓強度 14.3MPa，彎曲抗壓強度16.5MPa，抗剪強度1.40MPa，再根據Ⅱ6軌道大巷外段圍巖性質及其穩定性，以及放水的要求，決定把防水閘墻設計在ⅡN10+75m～ⅡN10+86m。根據對所選位置的巖樣進行測試，水閘墻位置附近參考巖石強度指標為：抗壓強度18.73MPa，破壞載荷36.16kN。

上述強度指標是在有圍壓條件下測得，與修建防水閘門時的受力條件有一定差距，設計時通過安全系數進行了調整。

1.3 防水閘墻墻體厚度計算

墻體厚度計算公式為：

式中：L—— 閘門墻體長度；

P——閘門墻體的設計水壓，N/mm2（MPa），取6.6MPa；

γ0——結構的重要性系數，取1.1；

γf——作用的分項系數，取1.3；

γd——結構系數，取1.20～1.75，水壓大、硐室凈斷面積大時取大值，取1.75；

L1——閘門墻體應力衰減段計算長度，m；

ln——自然對數符號；

ft——混凝土軸心抗拉強度設計值，N/mm2，取1.43N/mm2；

L0—閘門墻體應力回升段長度，取1.0～2.0m，取2.0m。

1.4 墻體嵌入圍巖深度計算

墻體嵌入圍巖深度計算公式為：

式中：E——墻體嵌入圍巖深度，m；

fcc——素混凝土的軸心抗壓強度設計值，由表1中規定混凝土軸心抗壓強度設計值乘以0.95確定，N/mm2（MPa）；

S2——防水閘門硐室最大掘進斷面面積，m2；

γsd——作用不確定系數，取1.20～2.0，水壓大、硐室凈斷面積大時取大值，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 混凝土參數等級表

據《混凝土結構設計規范（GB50010-2010）》

運用以上公式，計算水閘門密閉體長度S和嵌入圍巖深度E，各參數取值如下表2所示：

表2 《采礦工程設計手冊》公式計算表

由于本次設計承受水壓達6.6MPa，從安全的角度考慮，根據上述計算，水閘墻建議采用雙段楔形墻體設計，厚度取10m，嵌入圍巖深度取2.0m。結合巷道實際情況，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 水閘墻施工技術要求

（1）首先根據來水方向及墻體處的工程地質條件，對墻體來壓側原有巷道的周邊用200mm厚的混凝土加固20m，外側加固5m。

（2）墻體形狀設計為T型直墻式。

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

（4）墻體材料采用鋼筋混凝土，在澆鑄時平行巷道底板加2層鋼筋編織網，鋼筋網網格間距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）防水閘墻施工時要予埋兩根4寸高壓水管，長為11m，管路里側端頭用鐵篦子護好，防止雜物堵住管路；管路外側安裝測壓表、閘閥。

（6）墻體內四周對稱打Φ22螺紋錨桿與注漿錨桿，螺紋錨桿長2.4m，株排距0.6m×0.6m，錨桿外露長度不小于0.6m，每段墻體中部用鋼筋繩連成一體；注漿錨桿長2.5m，株排距1.6m×1.6m。

（7）現巷道有水流出，水溝內埋設一趟8寸水管，排水管與水溝間進行澆鑄，施工過程中巷道內活水經排水管流出，防水閘墻施工完畢后對排水管進行注漿封閉。

（8）墻內混凝土由內向外，由下向上一次澆注。

（9）混凝土標號為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。混凝土攪拌時，嚴格控制水灰比，所用水要清潔，入模時須用插入式震搗棒，邊搗邊注，直到水灰分離。

（10）每段墻體澆筑完成時，對巷幫用風鉆打注漿孔，注馬麗散。

（11）在墻體兩段巷道頂板分別預留3根注漿花管，成扇形分布；巷道兩幫每段預留2根注漿花管。混凝土澆筑全部完成后進行頂板及巷幫壁后注漿，封堵墻體與圍巖間裂隙。其注漿最終壓力應大于設計水壓的1.5倍（即9.9MPa）。

（12）注漿結束15天后，對防水閘墻進行耐壓試驗，壓力要求同上。同時要求在墻體基本不發生滲漏現象的情況下，壓力穩定24小時。如果穩壓達不到設計要求或者滲漏量較大時要采取措施進行加固和注漿。

1.6 防水閘墻設計施工應注意的問題

（1）防水閘墻設計前，要全面弄清設計條件，如閘墻預計承壓力、閘墻所在巷道的斷面、支護形式和原掘進方法，擬選定混凝土標號，閘墻硐室圍巖性質，硬度及各種力學參數。

（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，可構筑多段楔形水閘墻。

（3）水閘墻要構筑在致密堅硬及無裂隙的巖石中。

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

（5）要留設泄水管路閥門，管路進行防腐處理。

2 結語

桃園煤礦防水閘墻的設計與施工，取得了較為理想的堵水效果，每年為礦井減少排水費用420萬元，提高了礦井安全等級，取得了良好的經濟效益和社會效益。該防水閘墻施工成功主要取決于以下五個方面：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計算；三是墻體形態結構的精心設計；四是墻體掏槽工具的恰當選取；五是分段注漿堵漏方法的成功運用。

［1］李義昌，鄭倫素.水文地質及工程地質學[M].徐州:中國礦業大學出版社，1988.

［2］閻琇璋.煤礦地質學[M].徐州:中國礦業大學出版社，1989.

［3］中國煤炭工業勞動保護科學技術學會.礦井水害防治技術[M].北京:煤炭工業出版社，2007.138－140.

［4］國家安全生產監督管理宣傳教育中心.煤礦職工防治水專項培訓教材[M].徐州:中國礦業大學出版社，2010.