大斷面防水閘門硐室的設計與施工

祝令錦

水患是礦山建設和生產中經常遇到的自然災害，因此，預防和治理水患是一項重要的安全課題。建造防水閘門硐室，進行水平、采區上下組煤層隔離，是預防水患普遍采用的方法?！睹旱V安全規程》第二百七十三條規定:“水文地質條件復雜或有突出淹井危險的礦井，必須在井底車場周圍設置防水閘門。在其他有突出危險的地區，只有在設置防水閘門后，方可掘進”。龍東礦井下 21煤試采區機軌合一巷防水閘門硐室的建成，為今后大屯煤電公司防水閘門的設計與施工積累了豐富的經驗。

1 試采區水文地質特征

21煤試采區位于 7煤中央采區的上端，東輔塊段的北部，煤層傾角為 5°～8°左右，局部傾角達 14°。主要水害有:

1)含水層水:21煤層在開采過程中，煤層頂板十二灰巖溶溶隙含水層對 21煤正常回采影響不大。而深部的奧陶系灰巖含水層水將構成一定危害，是礦井防治水的主要含水體之一。

2)第四系松散層水:本區第四系松散層厚度為 175.19m～187.24m，主要由粘土、砂質粘土、砂層等組成。當下伏煤層開采時，頂板充分垮落后，其含水層水能有效的進入人工采場內，并能起到傳遞高壓含水層水的作用。因此防止第四系下部水滲入到采場內，是本采區防治水主要工作之一。

3)21煤頂板十二灰巖溶溶隙水:太原組十二灰含水層為 21煤層的直接頂板，是該煤層開采時直接充水含水層之一，具有局部存在突水的可能。

4)奧灰含水層水:奧灰含水層距上覆 21煤層 57m左右，該含水層厚度大，地下水貯存豐富，為區域性強含水層，并能獲得區域性徑流的補給。其靜水壓較大，并因斷裂構造的作用，使八陡組灰巖和下部馬家溝灰巖產生水力聯系后，將對 21煤層的安全開采造成極大的突水威脅。

5)構造水:本區現已基本查明的地質構造主要有褶曲及斷裂構造，且褶曲幅度大于 5m以上就有 4個，F7斷層在該處有極大富水性，且與奧灰的水力聯系較強。因此，斷層構造水成為本區一大水患。21煤層試采區涌水量見表1。

表1 21煤層試采區涌水量預計

2 硐室設計

2.1 龍東礦 21煤試采區機軌合一巷防水閘門硐室設計原理

防水閘門硐室由硐室主體和前后護碹組成。防水閘門硐室設計主要是硐室主體與護碹的長度、結構設計計算。理論研究與實際測試結果表明:高壓防水閘門硐室承載水壓以壓、剪應力為主;硐室破壞機理是壓剪應力引起的拉伸破壞;水壓并非幾段楔形體的平均承擔，而是端部第一段楔形體承擔 3/4的水壓;硐室內應力是非均勻分布，在迎水端部為高壓應力區，自端頭向尾部各截面上的應力逐漸衰減，硐室達到一定長度，應力逐漸趨于零;在不同彈性模量的圍巖條件下引起的硐室同一截面上應力的值差別不大。

2.2 設計方案

根據《采礦工程設計手冊》相關內容:對于水文地質復雜又未疏干降壓的礦井，可采用主要含水層最大靜水位于開采水平的高差作為最大水壓。

根據水文地質資料，該礦奧灰水頭標高-82 m，而北輔探巷的標高約為-270m，可求得最大靜水壓力為:

其中，ρ為水的密度，取1 000 kg/m3;H為奧灰水頭值與21煤試采區機軌合一巷標高高度差，約為188m;g=9.8N/kg。

求得P=1 842 400Pa=1.84MPa。

故防水閘門硐室需要最大承壓為2.0MPa。又根據《采礦工程設計手冊》相關內容，當最大壓力超過1.6 MPa時，應采用單級倒錐型。選用單扇加肋扁殼作防水閘門。前后室各長 5.5m，凈寬4.0m，凈斷面13.1m2;硐室長度6.2m，最大掘進高度8.2m，掘進斷面 57.6m2。前后室和硐室掘進總體積 501m3，澆筑混凝土324m3，混凝土強度等級為C28，用鋼筋5.79 t，平面圖見圖1。

2.3 硐室位置的確定

防水閘門硐室應設置在巖性均一、質密、構造簡單、穩定的巖層中，同時，還要考慮便于水閘門封閉和管理。若遇到互層或煤線等須進行專門加固處理。經研究論證，21煤試采區是一個水文地質復雜，具有奧灰水危害的區域(試采區范圍奧灰水含水層距21煤層底板)確定硐室設在太原群一灰和二灰之間厚 7m的粉砂巖中。硐室頂部有0.5m厚的粘土巖，下部有2道0.2m厚的煤線;粉砂巖裂隙發育、質軟易碎，但不透水。

3 硐室施工

3.1 硐室開挖與圍巖加固

硐室采用導硐法施工，即先掘出中央導硐，刷大前后室一次掘成，再刷大硐室。刷硐室時，先刷頂部，再刷兩幫，最后由前向后按設計尺寸落底。采用光爆法開挖硐室，錨、網、噴聯合臨時支護控制頂幫，加固圍巖。每次開挖長度 1m，炮眼底距設計輪廓線300mm，淺打眼、放小炮，用風鎬刷至設計尺寸。錨桿按間、排距900mm布置，用φ20mm×2 000mm長鋼錨桿，樹脂藥卷固定，每眼3塊樹脂藥卷，掛50mm×60mm鋼筋點焊網，網搭接100mm，間隔200mm一個節點，雙股鐵絲聯牢，擰緊錨桿托盤，使之緊貼巖面，錨桿錨固力不小于 8 t。為防止圍巖風化，硐室施工采用一掘一噴作業方式，初噴混凝土厚 20 mm～30mm，復噴混凝土厚150mm，最后起底，用錨桿按間、排距900mm對底板錨固，并及時用100mm厚的混凝土鋪底，封閉圍巖。

3.2 門框、管路的固定及鋼筋綁扎

硐室主體段澆筑混凝土前，先安裝 2趟φ377mm的排水管和其他預埋管，然后把解體下井的門框組裝好，用手拉葫蘆吊起，找正、墊平，朝順水方向后傾 1°就位，再將門框用錨桿與圍巖聯成一體，用工字鋼固定。各預埋管均每隔 1m焊上防滑角鋼，使各種管路和門框及四角的鋼筋網片聯成一體。由于綁扎鋼筋工作量大，井下受空間限制不易操作，故把所有配筋解體，先在地面分焊成片，編號下井，對號入座聯成一體。

3.3 澆筑混凝土

C 30混凝土配比為水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.43∶1.25∶2.91，碎石最大粒徑為 40mm。為了增加混凝土的強度，以及流動性、和易性、密實性，按水泥重量的2%～3%摻入NC混凝土早強劑。澆筑混凝土要先按照腰線將硐室底板澆筑好，然后按照中線和腰線的要求由里向外碹箍，碹腿采用180mm×180mm方木，碹箍事先在地面按照前后室尺寸加工好，碹箍使用750mm×200mm×50mm木板(長×寬×厚)間隔拼接，支撐架采用150mm×100mm木板，木料之間采用耙釘固定牢固。澆筑按照先墻后拱門最后封頂的施工順序。為防止塌碹，必須嚴格堅持兩幫同時澆筑，每幫澆筑量不宜過大，不能超過1 500mm(巷道斷面方向)。澆筑順序先前室，次硐室主體段，最后后室(見圖 2)。隨澆筑混凝土，隨預埋注漿管和應變計、鋼筋計、滲壓計等測試儀器。當門框、排水管及底部鋼筋網片聯好后，澆筑前用清水沖刷混凝土表面，清除浮碴，排凈底板積水，自下而上澆筑混凝土，上料采用噴漿機上水泥、黃砂，大石子采用人工上料，并使用機械振動棒搗固，搗固過程中要注意搗固程度，搗固過狠容易跑模，搗固不夠又達不到設計強度，以模板縫搗出灰漿為宜。硐室底部澆筑完混凝土后，立模、接鋼筋。模板用厚40mm木板分塊制成，對號組裝，按中、腰線對正、找平，輔立柱和撐木固定牢。為防止分段后混凝土向下流動，用臨時模板阻隔，直到拱頂，避免出現水平接槎面。當立模、接鋼筋和安裝管路不能連續澆筑時，在接槎面上按間、排距800mm插上φ16mm、長1m的螺紋鋼，并把混凝土面鑿出新槎，用高壓水沖洗干凈，再澆筑混凝土并指派專人振搗。澆筑好的混凝土待拆模后，每天灑水6次，養護 28 d。為了檢測硐室混凝土的強度，在不同部位留取 8組試塊，養護 28 d后做抗壓試驗，其結果均能滿足設計要求。

3.4 壁后注漿

選用TGZ-60/210注漿泵，分4擋，每擋壓力分別為21MPa，18MPa，9.5MPa，6.0MPa，泵量為16 L/m in，19 L/m in，36 L/m in，60 L/min。注漿管呈放射狀布置在硐室拱部、兩幫及底部，共120根，注漿擴散半徑 3m～8m。注漿前，先用清水做聯通試驗，不與聯通的其他注漿管用堵帽封住。采用全方位注漿，即水平方向:先后室，次硐室主體段，最后前室;垂直方向:先硐室底部，次兩幫，最后頂部。選用水泥單液漿，水泥選用標號為 525普通硅酸鹽水泥?？紤]到漿液的流動性和易注性，水灰重量配比選擇(0.6～1)∶1，當在附近巷道內出現跑冒漿時，采用雙液注漿，即在上述單液漿中摻入一定量的水玻璃，加快初凝。水玻璃選用波美度為40 Be′，模數為2.8～3.2，水泥漿與水玻璃比結合實際需要進行配制，暫按1∶(0.1～0.5)考慮，注漿的終止壓力取3.8MPa。注漿起始壓力應由小到大，逐漸增加，第一次注漿取 1 MPa～2MPa，第二次注漿取2 MPa～3 MPa，第三次注漿取3 MPa～3.8MPa。注漿壓力最后應達到 3.8 MPa終壓，并保持穩定10min以上，當前兩次注漿壓力小于規定壓力不能進漿時，則采取一次性直接采用3.8MPa終壓。此次注漿用水泥21.6 t。

4 結語

此防水閘門(墻)施工方法簡單易行，減少了施工工序，可大大節省工程量，又提高了混凝土施工的可操作性，且減少了施工設備的占用量。缺點是大石子采用人工上料，勞動強度大，施工工期長，尤其是拱頂澆筑時，人工上料勞動強度繁重，有待下一步設備改進后得到改善和提高。

[1] 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[M].北京:煤炭工業出版社，2005.

[2] 張榮立.采礦工程設計手冊[M].北京:煤炭工業出版社，2003.

[3] 何滿潮，孔勝明.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南[M].北京:科學出版社，2007.

[4] JGJ 55-2000(J 64-2000)，普通混凝土配合比設計規程[S].