高強(qiáng)度分解沖擊力型防水密閉的研究與應(yīng)用

吳殿文

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司白洞礦業(yè)公司山西大同037003）

1 引言

煤礦在生產(chǎn)過程中，在不允許風(fēng)流通過和不需要通行的巷道必須構(gòu)筑永久密閉，以便于提高礦井風(fēng)量利用率、增加生產(chǎn)過程中的安全系數(shù)、增強(qiáng)礦井抗災(zāi)能力。但由于密閉封閉區(qū)域可能存在水患、火情、圍巖壓力大等不穩(wěn)定因素，因此在特殊地點構(gòu)筑密閉時需對密閉進(jìn)行加固處理，以防止密閉損壞發(fā)生礦井災(zāi)害事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

煤峪口礦井田東部3#層、9#層煤分別在60至70年代回采結(jié)束。根據(jù)地質(zhì)科提供的地質(zhì)水文資料，目前該礦井田東部的3#層、9#層采空區(qū)積水量達(dá)242.2萬m3。根據(jù)物理力學(xué)實驗結(jié)果得出，3#煤層頂板巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度（MPa）分別為：33.61～125.74、1.02～12.24、4.67～18.68；9#煤層頂板巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度（MPa）分別為：28.1～125.5、1.97～4.03、1.89～8.39，底板巖性總體強(qiáng)度不高，抗壓強(qiáng)度在40 MPa～60 MPa之間。井田工程地質(zhì)類型為Ⅲ類Ⅰ型，屬于工程地質(zhì)條件簡單礦井。針對該礦發(fā)生的兩起采空區(qū)密閉涌水量突然增大事故，為防止采空區(qū)密閉被水沖垮，必須對存在水災(zāi)隱患的區(qū)域重新構(gòu)筑防水密閉。由于目前防水密閉并無相關(guān)明確規(guī)定，因此，為提高抗水災(zāi)能力，防止采空區(qū)密閉被積水沖垮而發(fā)生水災(zāi)事故，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單且抗水能力強(qiáng)的防水密閉是非常必要的。

2 密閉構(gòu)筑設(shè)計及革新點

2.1 高強(qiáng)度分解沖擊力型防水密閉的構(gòu)筑

（1）密閉結(jié)構(gòu)

圖1 密閉正視圖

圖2 密閉左視圖

圖3 密閉俯視圖

①密閉里墻厚2 m內(nèi)側(cè)構(gòu)筑緩沖墻，外墻厚2 m中間充填3 m粉煤灰。

②緩沖墻規(guī)格如密閉三視圖所示，拱形墻后1 m并向前延生3 m。

③在密閉外墻0.5 m處構(gòu)筑0.5 m厚1.5 m高的擋水墻，擋水墻距板1.2 m處留設(shè)一根8寸排水管。

④外墻距頂板0.3 m處留設(shè)2根注射孔，便于為密閉中間墻體充填粉煤灰。

⑤構(gòu)筑密閉里墻和外墻時，在墻內(nèi)橫豎分別均勻布置3根工字鋼，橫3根靠里，豎3根靠外，并在交叉點固定連接。

⑥將付水平斜井底原有密閉觀測孔引致新建密閉外，并在密閉距地板0.6 m處留設(shè)一個8寸反水孔，便于密閉的觀察與管理。

（2）施工工藝及技術(shù)要求

①密閉必須建筑在頂?shù)装鍒杂驳拿簬r上，四周要掏槽，其規(guī)格為：左手幫槽深為見實煤后的0.5 m，右手幫槽深為見實煤后的0.8 m，底槽為見實煤后的0.2 m，掏槽寬度要大于密閉厚度的0.3 m，密閉與槽壁之間必須用水泥砂漿灌注嚴(yán)實。

②構(gòu)筑密閉墻時的6根工字鋼，每個交叉點都用抱箍抱緊并澆筑。

③砌墻時，必須將底槽內(nèi)浮煤清理干凈，先鋪一層砂漿(砂漿要求：水泥、砂子的比例為1:3)，再砌墻基。

④砌墻時，要分層砌起，片石要相互壓茬、砌齊、砌正，不得出現(xiàn)通縫，同時每砌一層片石，必須用水泥砂漿灌注一次，要嚴(yán)密不留空洞。

⑤抹面材料使用水泥砂漿，抹面時，要求平直、光滑不漏風(fēng)，(1 m長度內(nèi)凸凹高差不大于10 mm)，無裂縫、重縫、空縫。在抹面的同時，密閉周邊要抹有0.2 m的裙邊，抹面次數(shù)不得少于兩次。

2.2 革新內(nèi)容

（1）墻內(nèi)架設(shè)工字鋼，進(jìn)一步提高抗壓強(qiáng)度

對密閉結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，在構(gòu)筑密閉里墻和外墻時，加入橫豎均勻布置的工字鋼，保證密閉墻體的堅固性和可靠性；

（2）增設(shè)緩沖墻，將沖擊力分解

在現(xiàn)有密閉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加緩沖墻，用于在大量積水涌向密閉時，減小對密閉沖擊力。之所以選擇拱形結(jié)構(gòu)的緩沖墻，從力學(xué)角度分析，平面墻所受壓力為全部沖擊力；而對于拱形結(jié)構(gòu)來說，拱形墻墻體本身所受壓力為沖擊力在垂直拱形墻面上的一個分力，從而減小了密閉本身所受壓力，增加了密閉的抗沖擊性。

圖4 密閉受力分析圖

根據(jù)上圖平面受力情況分析，可得，在垂直于X軸方向上的面受到的壓力為：

略去二階以下無窮小量后，等于

同理：對于弧形面，實際受到的壓力為：

根據(jù)三角函數(shù)正弦定理可得在0°～90°范圍之內(nèi)sina＜1。

據(jù)上所述，弧形面（拱形面）受力小于平面，及拱形密閉抗壓能力大于平面密閉。

拱形緩沖墻密閉抗壓能力計算：

參《混凝土設(shè)施設(shè)計》礦井內(nèi)密閉載荷計算方法，

式中：qmax—為最大抗壓力MPa;

γf—為混凝土密度，煤密度1.38 t/m3;

γo—為采空區(qū)水密度，γo=1 t/m3;

Hw—為計算斷面高度m;

HD—為計算斷面距采空區(qū)積水高度m;

ζ—為側(cè)壓力系數(shù)，ζ=tan(45°-α/2);

根據(jù)現(xiàn)場實際，可得普通密閉抗壓qmax=0.45 MPa。

考慮拱形緩沖墻密閉拱形面的卸壓能力，緩沖墻與平面密閉起始夾角α=30°計算則，拱形緩沖墻密閉最大抗壓：qmax=3.61 MPa

由此可得拱形緩沖墻密閉能比普通密閉多承壓2.16 MPa,相當(dāng)于14.85萬m3靜壓水的壓力。

（3）更換大直徑反水管路，增大放水量

3 密閉設(shè)計實用性及效果分析

高強(qiáng)度分解沖擊力型防水密閉在副水平斜井底的應(yīng)用。

啟封付水平斜井通900大巷繞道，在付水平斜井底原有密閉外10 m處重新構(gòu)筑加固防水密閉一座。

以上方案在副水平斜井底的應(yīng)用，合理有效地防治了該區(qū)域積水涌出，為礦井安全安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件，取得了很好效果：

①反水孔換成8寸管道后，不存在堵管現(xiàn)象，免去掏管子的工作，節(jié)省了人力、物力，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

②增加拱形緩沖墻后，密閉與圍巖共同承擔(dān)水壓作用，提高了密閉的抗沖擊能力，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

現(xiàn)對楔形防水密閉與高強(qiáng)度分解沖擊力型防水密閉在密閉墻厚度相同的條件下，所能承受的水壓做如下對比：

按楔形公式計算：

式中:L——防水密閉墻墻體長度，m；

H——防水密閉墻墻體前、后巷道凈高；

B——防水密閉墻墻體前、后巷道凈寬；

α——凸緣基座支撐面與硐室中心線夾角，取α=30°；

γ0——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.1；

γf——作用的分項系數(shù)，取1.3；

γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.75；

fCC——混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，其值由規(guī)定的混;

凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fCC值乘以系數(shù)0.95確定，MPa。

取同樣的參數(shù)H=2.17 m，B=3.32 m，密閉墻墻體長度L=7 m。

分別帶入楔形計算公式得承受的水壓P=3.02 MPa，帶入本設(shè)計經(jīng)計算得承受的水壓p=11.04 MPa。

因此，高強(qiáng)度分解沖擊力型防水密閉是目前使用的楔形防水密閉承受水壓能力的3.6倍，效果顯著。

4 結(jié)語

防水密閉在水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜或受水患威脅的礦井是必不可少的防水工程。我國煤礦隨著開采進(jìn)度的加劇，深度的增加，大多礦井面臨水患問題。在治理方法上，都采用加固密閉墻體、改變密閉結(jié)構(gòu)以及液壓技術(shù)的應(yīng)用等方法。高強(qiáng)度分解沖擊力型防水密閉的構(gòu)筑，承擔(dān)水壓效果較常規(guī)防水密閉設(shè)計簡單、造價更低，使用方便，能起到顯著的防水作用，進(jìn)而有效治理水患問題，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。