矿井巷道挡水墙设计及施工技术

席观伟

(河南省资源环境调查三院，河南 郑州 450000)

在矿井的生产活动中，会有各种水源通过各种过水通道涌入矿井；矿井水害按照不同的地质条件，划分为顶板水、底板水、老空水、地表水等多种。矿井水害是威胁生产安全的重要隐患，具有突发性强、危害范围大的特点，依据矿井水害来源及原因分析，针对性地对矿井水害采取预防措施是矿井采掘活动的重要工作；分析不同的水害类型，提出不同的解决方案，对有突水危险的区域设立防水隔离设施，防止发生突水。

本次主要探讨设计挡水墙，用以堵截邻近矿井老空水通过巷道，防范其对矿井造成水害。井下挡水墙可以堵截与本矿其他开采空间连通的巷道，彻底切断水害采区与其他开采空间的水力联系，能防止邻近矿井的老空水涌入，减轻矿井排水压力；通过采取裂隙注浆加固措施，增加挡水墙的抗压能力，提高矿井安全级别。井下挡水墙作为防治矿井水害的方法之一，具有施工工艺简单、技术成熟、便于施工的特点，基本不受场地限制，投入小、建造快、见效快，普遍被矿井作为防治水害使用。国内矿井在设计挡水墙用于防治水害方面取得了很多成功经验，但笔者注意到，很多文献对挡水墙的设计中，没有将挡水墙的抗剪能力和壁后注浆防渗问题考虑进去，应引起注意。

1 概况

某矿井-330 m水平的22采区已停止采掘活动6年，与北部邻近矿井的防水煤柱在局部区段小于规范要求厚度，且邻近矿井因资源枯竭，将于近几年闭坑。邻近矿井涌水量为200 m3/h，目前水位标高-210 m，临近矿井关闭后，区域水位上升到+125 m，静水压力将达到4.55 MPa，防水煤柱可能失衡。这部分水源在闭坑后水位逐渐抬高的情况下，有可能压垮22采区的防水煤柱薄弱带而突入矿井。依据《煤矿防治水细则》规定，“水文地质类型复杂、极复杂或者有突水淹井危险的矿井，应当在井底车场周围设置防水闸门，或者在正常排水系统基础上另外安设地面直接供电控制、且排水能力不小于最大涌水量的潜水泵排水系统。有突水危险的采区，应当在其附近设置防水闸门”。因此，决定对矿井22采区的巷道设计永久性挡水墙，即封堵22采区胶带、轨道、运输大巷等6处巷道，堵截邻近矿井突水到22采区后下流到其他采区的通道。

2 设计依据

矿井22采区与周边矿井的防水煤柱最薄仅19 m，存在突水威胁。依据此次水害治理要求，设计在巷道内施工挡水墙(巷道断面规格为宽4.00 m、高3.50 m)，防止周边矿井通过22采区巷道突水至该矿井。挡水墙采用强度等级为C30的混凝进行浇筑，混凝土配合比为1 m3混凝土需水泥461 kg、水175 kg、砂512 kg、碎石1 252 kg，水泥、水、砂、碎石的质量比为1∶0.40∶1.11∶2.72。

2.1 静水压力

堵水点为井下联通巷道，目前周边矿井水位为-210 m，静水压力1.20 MPa，防水煤柱处在安全状态；一旦周边煤矿停产，区域水位上升到+125 m，静水压力可达到4.55 MPa。矿井地下水静水压力如图1所示。

图1 矿井地下水静水压力示意Fig.1 Sketch map of underground water pressure in mine

2.2 工作面侧向突水分析预测

侧帮防止突水的理论静水压力采用《专门水文地质学》斯列萨列夫公式[4-5]：

P理安=(4/3)×Kp×(A/L)2

(1)

式中，P理安为侧帮承受含水层的静水压力；Kp为防水煤柱平均抗张强度，采用井下实测数据3.74×105Pa；A为煤柱宽度，取最小值15 m(每侧工作面压裂破坏2 m)；L为工作面开采煤层高度，取煤层平均厚度5.20 m。

将数据代入公式计算得，P理安=4.15 MPa。

(1)P实=1.20 MPa。P实

(2)待周边矿井关闭，雨季水位恢复到+125 m标高，则有P实=4.55 MPa。P实>P理安，防水煤柱是不安全的，侧帮水会渗入本矿井。

3 挡水墙结构形状选择

根据《煤炭矿井防治水设计规范》《煤矿井下车场及硐室设计规范》，防水闸门与防水闸墙硐室墙体结构形式有圆柱形、楔形、倒截锥形3种结构形式，计算方法不同，其计算结果也会有很大差别；设计的前提条件和选择的参数不同，也会有不同的计算结果。因此选择符合实际条件的、合理的参数，以及选择有安全保障的挡水墙计算公式，是挡水墙成功堵水的关键。可根据硐室承受水压，选用圆柱形结构、楔形结构、倒截锥形结构，并应满足下列要求：①承受水压不大于1.60 MPa的硐室应选用圆柱形或楔形结构；②承受水压大于1.60 MPa的硐室应选用倒截锥形结构，本次设计防水闸墙硐室承受的水压达到4.55 MPa，远远大于1.60 MPa，根据相关设计规范要求，应选用二级倒截锥形结构。

(1)挡水墙设计。根据设计水压值P=4.55 MPa>1.60 MPa，依据《煤炭矿井防治水设计规范》挡水墙采用双倒锥形结构，可采用倒截锥形公式计算。倒截锥形防水闸墙如图2所示。

L1=[ln(r0rfrdP)-lnft]/0.398 6

(2)

L=L1+L0

(3)

式中，L1为闸门墙体应力衰减段计算长度；r0为结构的重要性系数，取1.1；rf为作用的分项系数，取1.3；rd取1.75；P为防水闸门硐室设计承受的水压，4.55 MPa；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，选用C30混凝土，取1.5 N/mm2；L为闸门墙体长度；L0为闸门墙体应力回升段长度，取1.5 m。

图2 倒截锥形防水闸墙示意Fig.2 Schematic diagram of cut-off cone-shaped waterproof sluice wall

代入公式计算得：L1=5.09 m，L=6.59 m。

S2=(r0rfrdrsdP+fcc)S/fcc

(4)

(5)

式中，S2为防水闸门硐室最大掘进断面积；rsd为作用不定性系数，取2.0；fcc为素混凝土的轴心抗压强度设计值，取12.75 N/mm2；S为闸门墙体前、后巷道净断面积，23.07 m2；E为闸门墙体嵌入围岩深度(含砌壁厚)；B为闸门墙体前、后巷道净宽，4.0 m；h3为闸门墙体前、后巷道墙高，3.5 m。

代入公式计算得出：S2=64.27 m2，E=1.84 m。

根据以上计算结果，考虑到挡水墙体安全的承受水压，最终确定墙体厚度取值7.00 m，掏槽深度取2.00 m。

(2)挡水墙硐室验算。硐室主体抗剪理论验算如下：

(6)

将数据代入公式计算得：L=4.30 m<设计挡水墙厚度7.00 m，满足要求。

(3)挡水墙结构。考虑到挡水墙的安全系数和提高矿井防灾抗灾的能力，挡水墙设计为夹层结构，中间混凝土挡水墙厚7.00 m；考虑到混凝土墙的侧压力，挡水墙两边需设计止浆墙，两道止浆墙的厚度均采用1.00 m，则挡水墙+止浆墙的总厚度为9.00 m，止浆墙、挡水墙墙体周围掏槽深度不小于2.00 m。矿井在构建挡水墙时，先在挡水墙两端施工混凝土止浆墙，再施工中部混凝土挡水墙。

(4)最外侧防水闸墙加固。为了增加挡水墙抗剪切力，设计在巷道侧方及顶、底部施工φ40 mm×2 500 mm圆钢，选用Q345型圆钢，计算公式：

(7)

式中，X为圆钢数量；P为静水压力，设计取4.55 MPa；S1为背水巷道断面积，14 m2；S2为圆钢横截面积，0.001 26 m2；T为圆钢抗剪强度，设计取400 MPa。

计算得圆钢数量为126根，此次用圆钢132根。

巷道周围均匀布置长3.00 m的圆钢，巷道两侧间距为0.7 m，每排需10根；巷道顶、底间距为0.6 m，每排需12根，排距为1.00 m；垂直巷道轮廓线布置，外露1.00 m左右，圆钢采用水泥药卷锚固。为不影响浇筑混凝土，在保证支护安全的前提下，根据施工工艺，混凝土墙可一次或分段浇筑，随浇筑混凝土随安装圆钢。

4 挡水墙技术要求

(1)防水闸墙施工必须严格按照《煤矿安全规程》《煤矿防治水细则》《矿山井巷工程施工验收规范》有关条款规定执行[6-8]。

(2)挡水墙位置必须选在围岩稳定的地方，由技术人员现场确定后，方可施工。

(3)巷道挑顶、扩帮、卧底时应采用风镐施工，禁止放炮掏槽，以保证围岩稳定、完整；先挑顶，确认安全后再扩帮和卧底。

(4)挡水墙硐室应布置在坚硬的岩层中，四周要留设足够的安全保护煤(岩)柱，严禁受采动影响。

(5)掏槽后底部、两帮、顶部围岩必须清理干净，并用水冲洗水闸墙硐室，且应形成粗糙面，浇筑混凝土时四周墙帮必须先刷洗干净，方可浇筑。四周掏槽后插锚杆，墙体内锚杆长度均为3.00～4.00 m，墙体外露锚杆长度均为1.50 m，止浆墙扎钢筋网时将其压入墙体内。

(6)止浆墙内铺设2道φ18 mm钢筋网，间排距为300 mm×300 mm，用箍筋扎紧，并一次注浆浇筑成型；两面止浆墙内侧均预埋φ18 mm×1 200 mm弯钩钢筋，间、排距均为300 mm，使两面止浆墙与中间挡水墙形成一个整体，增加整体抗压强度。

(7)最外侧防水闸墙加固。为了增加挡水墙抗剪切力，设计在挡水墙与巷道顶、底及侧方施工φ40 mm×3 000 mm圆钢，选用Q345型圆钢，巷道周围均匀布置圆钢，排距为1.00 m，每排22根，顶底面各6根，两侧面各5根，布设6排；垂直巷道轮廓线布置。

(8)为了增强挡水墙的墙体抗压和抗剪强度，设计在挡水墙体内加布钢筋和废旧钢轨；钢筋选用φ18 mm螺纹钢，分6道编网，间排距为300 mm×300 mm，施工时用10号铁丝扎紧；废旧钢轨可利用矿方现有的11 kg/m或18 kg/m，轨面向迎水方向，横向均匀布置3面道轨，2个楔形处各布置3排2列共12根钢轨，中间再布置2排1列共2根钢轨。

(9)止浆墙浇筑。先浇筑迎水侧混凝土止浆墙，之后施工中部挡水墙钢筋笼，再浇筑背水侧混凝土止浆墙(顶部预留0.50 m通道)。顶部浇筑或捣固较困难，应分段施工，与岩帮的填实、壁基的浇筑尤为重要。为不影响浇筑混凝土，在保证支护安全的前提下，根据施工工艺，可一次或分段浇筑。

(10)中部挡水墙浇筑。墙体充满后，向墙体内注单液水泥浆，为保证水泥浆与围岩充分接触，注浆过程中不允许加入任何化学添加剂。采用间歇式注浆，每注1～2 h或注1层时停20 min左右，让浆液充分沉淀，保证上部充分注满。

(11)挡水墙浇筑时，提前安设观测水压的装置，定期观测，雨季加密观测，发现异常及时处理。

(12)浇筑后，必须有专人定期喷水对水闸墙进行养护。

5 围岩加固

挡水墙施工中，无论采用何种建造方法，其与围岩接触部位的裂隙或多或少都会存在，挡水墙建造后在静水压力下会通过这些裂缝进入巷道，如果控制不好会影响挡水墙堵水效果。因此，在施工中应预埋注浆管，必须对围岩进行加固和壁后注浆。其目的是封堵裂隙通道，提高挡水墙整体强度，增强挡水墙的整体抗破坏能力[9-12]。

(1)围岩裂隙注浆加固。对于围岩强度低于挡水墙混凝土强度时，对围岩采取加固措施，使围岩抗压强度不低于混凝土抗压强度。建造挡水墙时，要考虑预埋注浆管，进行注浆加固。止浆墙周边围岩注浆在挡水墙凝固的7 d之内进行。对止浆墙外侧10 m范围内喷浆、挂网(φ6 mm、网格100 mm×100 mm)，喷层厚度10～20 cm，喷射混凝土强度不低于C30，可以分2遍喷射。

(2)壁后注浆。采用全方位壁后注浆，注浆管呈放射状分布，注浆管布置在硐室两帮、顶部及底部。注浆前先用清水做联通试验和压水试验，根据注浆段单位吸水量确定浆液浓度，注浆采用水泥单液浆；注浆时为取得良好的浆液扩散效果，须先用稀浆进行试注，了解注浆及压力情况，之后正式注浆，需密切关注压力变化，在经历初期无压至后期达到设计压力时，可停止注浆；注浆不少于3次，注浆结束标准(终压)为设计静水压力的1.5～2.0倍。壁后注浆先水平方向(先后室、次主体段、最后前室)，再垂直方向(先底部、次两帮、最后顶部)。

(3)注浆前，必须进行压水试验，一般采用1 MPa泵压注水，稳定30 min，根据注浆段单位吸水量，确定浆液浓度及注浆材料。

单位吸水量计算公式：

g=Q/(P×L)

(8)

式中，g为单位吸水量；Q为单位时间内在稳定水压下的钻孔吸入量；P为实验时所采用的稳定水头压力；L为钻孔试验的段高。

6 结论

挡水墙设计稍有偏差，不但不能解决矿井水害，还会增加不必要的工作和损失，不能直接用公式计算，应优先考虑静水压力、墙体强度、围岩强度、巷道断面形状等，综合考虑与挡水墙相关的安全因素。如挡水墙按设计承受水压初步设计后，要增加一定的安全系数；应进行抗剪验算，验算方法也有多种；要考虑挡水墙的安全承受能力，设计圆钢加固方案和挡水墙体的钢筋网布设；还要考虑挡水墙体外侧的裂隙渗漏问题，进行注浆加固等。还应选用有施工资质和施工经验的队伍进行施工和验收，才能保证建造质量。

此次井下挡水墙设计施工，依据《煤炭矿井防治水设计规范》《煤矿井下车场及硐室设计规范》，通过合理的计算和抗剪验算，为了增加挡水墙体的抗剪能力，还设计了圆钢加固方法，能满足抵抗水害的能力；且考虑到墙体与围岩的关系，提出了合理的壁后抗渗注浆方法。依据此次挡水墙计算设计及关键技术要求，对类似矿井的挡水墙构建有参考和借鉴作用，挡水墙严格按照要求构建后，可提高矿井的抗水害能力，为矿井安全生产提供有利条件。