桃园煤矿防水闸墙设计与施工

胡靖

（淮北矿业集团公司 桃园煤矿，安徽 宿州234116）

0 概况

桃园煤矿位于安徽省宿州市境内。北界为F1断层，南部以第10勘探线为界与祁南煤矿毗邻，西界为10煤层露头线，东界至32煤层-800m水平投影线。矿井走向南北长约15km，倾向东西宽1.5～3.5km，面积29.45km2。桃园煤矿于1995年11月15日正式投产，矿井采用立井分水平阶段石门开拓方式，分两个水平开采。第一水平标高为-520m，第二水平标高为-800m，回风水平标高为-310m。矿井生现核定生产能力为180万吨/年。

桃园煤矿各主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层(段)是矿井充水的直接充水含水层，一般富水性较弱。四含是矿井充水的间接充水含水层，是浅部煤层开采时矿井充水的重要补给水源之一，一般富水性弱。太灰和奥灰岩溶裂隙含水层具水压高、来势猛、水量大的特征，是矿井安全生产的重要隐患之一，防治水工程量较大。本矿为以裂隙含水层充水为主的矿床，水文地质条件复杂，即Ⅱ类三型。

Ⅱ6轨道大巷外段南起Ⅱ4皮带大巷，北至F2断层，巷道近平行于岩层走向，岩层层位为10煤底板下，一灰顶界面上，巷道内主要岩性为粉砂岩、泥岩，巷道采用“U型棚+注+锚”支护，净断面宽5.2m，高4.2m。该巷道在掘进施工期间发生底鼓并出水，出水点岩性为泥岩，巷道底板标高-788.4m。 巷道上距10煤层底板法距39m、下距一灰顶界法距12m。2012年10月15日在注浆堵水施工过程中，钻孔单孔最大灰岩涌水量为100m3/h～150m3/h，至此巷道被迫停头整顿。

1 防水闸墙设计位置选择

1.1 选择原则

（1）所选位置应不受井下采动的影响；

（2）应尽可能选择在较致密岩（煤）层内；

（3）应远避断层和岩石破碎地带；

（4）不受多煤层开采因素影响；

（5）小断面、原有光爆锚喷成型较好的直线段巷道内

（6）在矿井水文地质条件复杂地区，进行采区设计时，必须根据水患威胁情况，必须在其附近保留足够的防水煤（岩）柱。

1.2 位置选择

Ⅱ6轨道大巷位于10煤底板下、一灰顶板上，出水点位于ⅡN10点前99m，底板标高-788.4m，上距10煤层底板法距39m、下距一灰顶界法距12m。巷道内岩性为黑色海相泥岩，根据Ⅱ6大巷太灰孔实测水压为6.6MPa，设计抗水压能力为6.6MPa。墙体材料为钢筋混凝土，混凝土型号选用 C30，轴心抗压强度 14.3MPa，弯曲抗压强度16.5MPa，抗剪强度1.40MPa，再根据Ⅱ6轨道大巷外段围岩性质及其稳定性，以及放水的要求，决定把防水闸墙设计在ⅡN10+75m～ⅡN10+86m。根据对所选位置的岩样进行测试，水闸墙位置附近参考岩石强度指标为：抗压强度18.73MPa，破坏载荷36.16kN。

上述强度指标是在有围压条件下测得，与修建防水闸门时的受力条件有一定差距，设计时通过安全系数进行了调整。

1.3 防水闸墙墙体厚度计算

墙体厚度计算公式为：

式中：L—— 闸门墙体长度；

P——闸门墙体的设计水压，N/mm2（MPa），取6.6MPa；

γ0——结构的重要性系数，取1.1；

γf——作用的分项系数，取1.3；

γd——结构系数，取1.20～1.75，水压大、硐室净断面积大时取大值，取1.75；

L1——闸门墙体应力衰减段计算长度，m；

ln——自然对数符号；

ft——混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2，取1.43N/mm2；

L0—闸门墙体应力回升段长度，取1.0～2.0m，取2.0m。

1.4 墙体嵌入围岩深度计算

墙体嵌入围岩深度计算公式为：

式中：E——墙体嵌入围岩深度，m；

fcc——素混凝土的轴心抗压强度设计值，由表1中规定混凝土轴心抗压强度设计值乘以0.95确定，N/mm2（MPa）；

S2——防水闸门硐室最大掘进断面面积，m2；

γsd——作用不确定系数，取1.20～2.0，水压大、硐室净断面积大时取大值，取2.0；

S——闸门墙体前后巷道净断面积，为18.9m2；

E——闸门墙体嵌入围岩深度（含砌壁厚），m；

h3——闸门墙体前后巷道墙高，取1.6m。

表1 混凝土参数等级表

据《混凝土结构设计规范（GB50010-2010）》

运用以上公式，计算水闸门密闭体长度S和嵌入围岩深度E，各参数取值如下表2所示：

表2 《采矿工程设计手册》公式计算表

由于本次设计承受水压达6.6MPa，从安全的角度考虑，根据上述计算，水闸墙建议采用双段楔形墙体设计，厚度取10m，嵌入围岩深度取2.0m。结合巷道实际情况，不具备楔形墙体向两帮刷大条件，采用T型墙体，墙体厚度10m，嵌入围岩深度取1.5m。如图1。

1.5 水闸墙施工技术要求

（1）首先根据来水方向及墙体处的工程地质条件，对墙体来压侧原有巷道的周边用200mm厚的混凝土加固20m，外侧加固5m。

（2）墙体形状设计为T型直墙式。

（3）闸墙体和两端护砌段应整体砌筑，墙体迎水一端混凝土中应配置2道工字钢轨（长7.2m），工字钢轨前垂直巷道加一层钢筋编织网，钢筋网网格间距1m。

（4）墙体材料采用钢筋混凝土，在浇铸时平行巷道底板加2层钢筋编织网，钢筋网网格间距1m；第一道布置在底板以上1m，第二道布置在底板以上2.5m。

图1

（5）防水闸墙施工时要予埋两根4寸高压水管，长为11m，管路里侧端头用铁篦子护好，防止杂物堵住管路；管路外侧安装测压表、闸阀。

（6）墙体内四周对称打Φ22螺纹锚杆与注浆锚杆，螺纹锚杆长2.4m，株排距0.6m×0.6m，锚杆外露长度不小于0.6m，每段墙体中部用钢筋绳连成一体；注浆锚杆长2.5m，株排距1.6m×1.6m。

（7）现巷道有水流出，水沟内埋设一趟8寸水管，排水管与水沟间进行浇铸，施工过程中巷道内活水经排水管流出，防水闸墙施工完毕后对排水管进行注浆封闭。

（8）墙内混凝土由内向外，由下向上一次浇注。

（9）混凝土标号为C30，1m3混凝土配比为：水：175kg、水泥（42.5#）：461kg、中砂：512kg、砾石（Φ＜40mm）：1252kg；配合比为：0.38: 1:1.11:2.72。混凝土搅拌时，严格控制水灰比，所用水要清洁，入模时须用插入式震捣棒，边捣边注，直到水灰分离。

（10）每段墙体浇筑完成时，对巷帮用风钻打注浆孔，注马丽散。

（11）在墙体两段巷道顶板分别预留3根注浆花管，成扇形分布；巷道两帮每段预留2根注浆花管。混凝土浇筑全部完成后进行顶板及巷帮壁后注浆，封堵墙体与围岩间裂隙。其注浆最终压力应大于设计水压的1.5倍（即9.9MPa）。

（12）注浆结束15天后，对防水闸墙进行耐压试验，压力要求同上。同时要求在墙体基本不发生渗漏现象的情况下，压力稳定24小时。如果稳压达不到设计要求或者渗漏量较大时要采取措施进行加固和注浆。

1.6 防水闸墙设计施工应注意的问题

（1）防水闸墙设计前，要全面弄清设计条件，如闸墙预计承压力、闸墙所在巷道的断面、支护形式和原掘进方法，拟选定混凝土标号，闸墙硐室围岩性质，硬度及各种力学参数。

（2）闸墙形式的选择。若突水水压比较大，可以楔形水闸墙，若果压力特别大，可构筑多段楔形水闸墙。

（3）水闸墙要构筑在致密坚硬及无裂隙的岩石中。

（4）水闸墙周边应掏槽嵌入到岩石中，并事先埋好注浆管，待闸墙体完工后，再进行注浆，充填缝隙，使之与围岩构成一体。

（5）要留设泄水管路阀门，管路进行防腐处理。

2 结语

桃园煤矿防水闸墙的设计与施工，取得了较为理想的堵水效果，每年为矿井减少排水费用420万元，提高了矿井安全等级，取得了良好的经济效益和社会效益。该防水闸墙施工成功主要取决于以下五个方面：一是防水闸墙位置的合理确定；二是墙体厚度与墙体嵌入围岩深度的科学计算；三是墙体形态结构的精心设计；四是墙体掏槽工具的恰当选取；五是分段注浆堵漏方法的成功运用。

［1］李义昌，郑伦素.水文地质及工程地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社，1988.

［2］阎琇璋.煤矿地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社，1989.

［3］中国煤炭工业劳动保护科学技术学会.矿井水害防治技术[M].北京:煤炭工业出版社，2007.138－140.

［4］国家安全生产监督管理宣传教育中心.煤矿职工防治水专项培训教材[M].徐州:中国矿业大学出版社，2010.