干河煤礦防水閘墻設計方案研究

曹攀攀

（中煤天津設計工程有限責任公司，天津 300120）

由于干河煤礦部分區域與郭莊泉域重點保護區重疊，2018年7月18日，國土資辦發（2018）95號文件《關于辦理避讓退出自然保護區泉域重點保護區礦業權變更登記工作實施方案》，要求礦井依法依規進行礦業權與保護區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保護紅線，圈定礦井面積10.336 5km2為禁采區，其中包括二采區1-203工作面所在區域。

實際勘探發現二采區1-203工作面采空區存在隱伏構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，存在淹井的風險。干河煤礦積極落實相關政策，為保證礦井的安全生產，現急需在二采區1-203工作面正巷、副巷布置防水閘墻，將禁采區與可采區隔離開，避免禁采區域的水一旦涌出給礦井生產帶來嚴重隱患。

1 工程概況

干河煤礦位于山西省洪洞縣北部，生產規模2.10 Mt/a。礦井水文地質類型為復雜。1-203工作面回撤結束，具備密閉條件，在采區預留建設防水閘墻是必要的。1-203工作面地面標高+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，在借鑒其他礦井經驗的基礎上尋求建立適合本礦井條件的防水閘墻隔離系統是可行的。

2 防水閘墻特征

根據《煤炭礦井防治水設計規范》（GB51070-2014）10.3.13條，承受水壓大于1.6 MPa的防水閘墻硐室應選用倒截錐型結構。防水閘墻硐室采用倒截錐型結構形式，倒截錐段采用錨網索噴+鋼筋混凝土支護，采用預埋水管排水方式。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支護長度均為6.0 m，采用錨網索噴+混凝土砌碹支護方式，支護厚度500 mm。拱碹及鋪底混凝土強度等級均為C40，噴射混凝土強度等級為C20。工作面正巷防水閘墻墻體段巷道底板距1號煤層頂板約1.63～2.23 m。

3 設計原則

3.1 選擇原則

（1）所選的位置應盡可能地避免井下工作面回采擾動的影響；（2）應盡可能選擇在煤巖層條件較好的巖層內；（3）嚴禁在斷層、陷落柱等構造附近及松散破碎的巖層中布置防水閘墻；（4）防水閘墻布置應避免多煤層開采擾動因素對其產生不必要的影響；（5）當礦井水文地質條件復雜時，在進行防水閘墻設計時，必須在其附近保留足夠的防水煤（巖）柱避免水患災害威脅。

3.2 位置選擇

1-203工作面正巷巷道內巖性為粉砂巖，根據礦井地質報告，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，混凝土型號選用C40，軸心抗壓為19.1 MPa，軸心抗拉強度為1.7 MPa。再根據1-203工作面正巷外段圍巖性質及其穩定性，決定把防水閘墻設計在1-203工作面正巷距離二采區回風巷巷幫約103 m位置處，對所選取的位置進行鉆孔取樣，進行巖石力學測試。測試結果得到巖石的強度指標為：抗壓強度23.3 MPa，破壞載荷39.21 kN。考慮到巖石的尺度效應，井下建設防水閘墻時圍巖應力條件存在一定的差距，因此，設計時根據現場實際情況對安全系數進行了適當調整。

3.3 防水閘墻墻體厚度計算

墻體厚度計算公式為：

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為結構重要性系數，取1.1；γf為作用的分項系數，取1.3；γd為結構系數，取20～1.75，水壓大、硐室凈斷面積大時取大值，取1.75；Li為防水閘墻墻體應力衰減段計算長度，m；ln為自然對數符號；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，N/mm2；L0為防水閘墻墻體應力回升段長度，1.0～2.0 m，取2.0 m。

3.4 墻體嵌入圍巖深度計算

墻體嵌入圍巖深度計算公式為：

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度設計值，根據混凝土軸心抗壓強度設計值應乘以0.95確定，N/mm2（MPa）；S2為防水閘墻硐室最大掘進斷面面積，m2；γsd為作用不確定系數，取1.20～2.0，當礦井水壓較大、硐室凈斷面積大時，應取大值，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 防水閘墻結構形式方案

本次主要考慮倒截錐形和注漿楔形兩種結構形式，從理論計算、數值模擬等方面進行比較。

4.1 方案一：倒截錐形方案

根據《煤礦井底車場硐室設計規范》，倒截錐形宜用于承受水壓大于1.6 MPa的防水閘門硐室，經計算，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雜、施工及支護難度大、工程費用高，提出注漿楔形結構，承受高壓來水。注漿楔形防水閘墻暫無計算公式，根據井下施工實際，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 數值模擬

5.1 模型建立

為研究防水閘墻修建后周圍應力變化規律，以干河煤礦1-203工作面地質資料為工程背景，采用FLAC3D數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，垂直應力為14.55 MPa。計算中采用莫爾-庫侖屈服準則判斷巖體的破壞，采用應變軟化模型以反映煤體破壞后隨變形發展殘余強度逐步降低的性質。

圖4 數值計算模型

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力分布如圖5。

圖5 倒截錐形防水閘墻應力及位移分布圖

由圖5可知：倒截錐形防水閘墻應力在圍巖內呈現環狀擴散，無應力集中現象，在倒截錐的尾部會產生拉應力，此處易發生拉應力破壞產生裂隙，但對整個防水閘墻穩定性無影響，且局部裂隙不會發生貫通現象。因此，倒截錐形結構防水閘墻可以穩定承載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，注漿楔形位移及應力分布如圖6。

圖6 楔形結構水閘墻的應力與位移分布云圖

由圖6可知：閘墻內無應力集中現象，高壓水對防水閘墻的應力隨著圍巖深度的增加逐漸擴散，但擴散角度呈現銳角，擴散范圍小。由位移分布云圖可知，巷道圍巖內位移等值線仍貫通巷道圍巖，因此，該結構易形成貫通巷道的裂隙，從而形成導水通道。

6 設計方案對比分析

本次優化基于高水壓礦井地質條件，通過上述數值方法對注漿楔形結構防水閘墻以及倒截錐形結構防水閘墻兩種結構穩定性進行了模擬分析，得到各方案的優缺點見表1。

表1 方案優缺點比較

雖然方案二在工程量、施工工藝及投資上優勢較明顯，但巷道承受水壓效果不理想且施工工藝復雜；方案一雖施工工程量大，但承受水壓大，結合工程實際和規范要求，設計推薦方案一。

7 結語

干河煤礦工作面承受水壓高達5.7 MPa，本次推薦倒截錐形防水閘墻。該結構防水閘墻雖工程量大，但是高壓來水后，圍巖內無應力集中現象，可以形成穩定的承載結構抵抗高壓水來壓。倒截錐形防水閘墻可適應越來越復雜的水文地質條件，優勢較為明顯，消除了礦井的安全隱患，保障了礦井安全生產，未來在井下水文地質類型復雜或極復雜的礦井具有較大推廣意義。