大斷面防水閘門硐室的設(shè)計(jì)與施工

祝令錦

水患是礦山建設(shè)和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的自然災(zāi)害，因此，預(yù)防和治理水患是一項(xiàng)重要的安全課題。建造防水閘門硐室，進(jìn)行水平、采區(qū)上下組煤層隔離，是預(yù)防水患普遍采用的方法?！睹旱V安全規(guī)程》第二百七十三條規(guī)定:“水文地質(zhì)條件復(fù)雜或有突出淹井危險(xiǎn)的礦井，必須在井底車場(chǎng)周圍設(shè)置防水閘門。在其他有突出危險(xiǎn)的地區(qū)，只有在設(shè)置防水閘門后，方可掘進(jìn)”。龍東礦井下 21煤試采區(qū)機(jī)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(shè)計(jì)與施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1 試采區(qū)水文地質(zhì)特征

21煤試采區(qū)位于 7煤中央采區(qū)的上端，東輔塊段的北部，煤層傾角為 5°～8°左右，局部?jī)A角達(dá) 14°。主要水害有:

1)含水層水:21煤層在開采過(guò)程中，煤層頂板十二灰?guī)r溶溶隙含水層對(duì) 21煤正?；夭捎绊懖淮蟆６畈康膴W陶系灰?guī)r含水層水將構(gòu)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(qū)第四系松散層厚度為 175.19m～187.24m，主要由粘土、砂質(zhì)粘土、砂層等組成。當(dāng)下伏煤層開采時(shí)，頂板充分垮落后，其含水層水能有效的進(jìn)入人工采場(chǎng)內(nèi)，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(chǎng)內(nèi)，是本采區(qū)防治水主要工作之一。

3)21煤頂板十二灰?guī)r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(shí)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(qū)域性強(qiáng)含水層，并能獲得區(qū)域性徑流的補(bǔ)給。其靜水壓較大，并因斷裂構(gòu)造的作用，使八陡組灰?guī)r和下部馬家溝灰?guī)r產(chǎn)生水力聯(lián)系后，將對(duì) 21煤層的安全開采造成極大的突水威脅。

5)構(gòu)造水:本區(qū)現(xiàn)已基本查明的地質(zhì)構(gòu)造主要有褶曲及斷裂構(gòu)造，且褶曲幅度大于 5m以上就有 4個(gè)，F(xiàn)7斷層在該處有極大富水性，且與奧灰的水力聯(lián)系較強(qiáng)。因此，斷層構(gòu)造水成為本區(qū)一大水患。21煤層試采區(qū)涌水量見表1。

表1 21煤層試采區(qū)涌水量預(yù)計(jì)

2 硐室設(shè)計(jì)

2.1 龍東礦 21煤試采區(qū)機(jī)軌合一巷防水閘門硐室設(shè)計(jì)原理

防水閘門硐室由硐室主體和前后護(hù)碹組成。防水閘門硐室設(shè)計(jì)主要是硐室主體與護(hù)碹的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。理論研究與實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明:高壓防水閘門硐室承載水壓以壓、剪應(yīng)力為主;硐室破壞機(jī)理是壓剪應(yīng)力引起的拉伸破壞;水壓并非幾段楔形體的平均承擔(dān)，而是端部第一段楔形體承擔(dān) 3/4的水壓;硐室內(nèi)應(yīng)力是非均勻分布，在迎水端部為高壓應(yīng)力區(qū)，自端頭向尾部各截面上的應(yīng)力逐漸衰減，硐室達(dá)到一定長(zhǎng)度，應(yīng)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(yīng)力的值差別不大。

2.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)內(nèi)容:對(duì)于水文地質(zhì)復(fù)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(jù)水文地質(zhì)資料，該礦奧灰水頭標(biāo)高-82 m，而北輔探巷的標(biāo)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(qū)機(jī)軌合一巷標(biāo)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(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)內(nèi)容，當(dāng)最大壓力超過(guò)1.6 MPa時(shí)，應(yīng)采用單級(jí)倒錐型。選用單扇加肋扁殼作防水閘門。前后室各長(zhǎng) 5.5m，凈寬4.0m，凈斷面13.1m2;硐室長(zhǎng)度6.2m，最大掘進(jìn)高度8.2m，掘進(jìn)斷面 57.6m2。前后室和硐室掘進(jìn)總體積 501m3，澆筑混凝土324m3，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(yīng)設(shè)置在巖性均一、質(zhì)密、構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的巖層中，同時(shí)，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(jìn)行專門加固處理。經(jīng)研究論證，21煤試采區(qū)是一個(gè)水文地質(zhì)復(fù)雜，具有奧灰水危害的區(qū)域(試采區(qū)范圍奧灰水含水層距21煤層底板)確定硐室設(shè)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(fā)育、質(zhì)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(dǎo)硐法施工，即先掘出中央導(dǎo)硐，刷大前后室一次掘成，再刷大硐室。刷硐室時(shí)，先刷頂部，再刷兩幫，最后由前向后按設(shè)計(jì)尺寸落底。采用光爆法開挖硐室，錨、網(wǎng)、噴聯(lián)合臨時(shí)支護(hù)控制頂幫，加固圍巖。每次開挖長(zhǎng)度 1m，炮眼底距設(shè)計(jì)輪廓線300mm，淺打眼、放小炮，用風(fēng)鎬刷至設(shè)計(jì)尺寸。錨桿按間、排距900mm布置，用φ20mm×2 000mm長(zhǎng)鋼錨桿，樹脂藥卷固定，每眼3塊樹脂藥卷，掛50mm×60mm鋼筋點(diǎn)焊網(wǎng)，網(wǎng)搭接100mm，間隔200mm一個(gè)節(jié)點(diǎn)，雙股鐵絲聯(lián)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(fēng)化，硐室施工采用一掘一噴作業(yè)方式，初噴混凝土厚 20 mm～30mm，復(fù)噴混凝土厚150mm，最后起底，用錨桿按間、排距900mm對(duì)底板錨固，并及時(shí)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(yù)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?biāo)较蚝髢A 1°就位，再將門框用錨桿與圍巖聯(lián)成一體，用工字鋼固定。各預(yù)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(wǎng)片聯(lián)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(hào)下井，對(duì)號(hào)入座聯(lián)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(qiáng)度，以及流動(dòng)性、和易性、密實(shí)性，按水泥重量的2%～3%摻入NC混凝土早強(qiáng)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(zhǎng)×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?shù)氖┕ろ樞?。為防止塌碹，必須?yán)格堅(jiān)持兩幫同時(shí)澆筑，每幫澆筑量不宜過(guò)大，不能超過(guò)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(yù)埋注漿管和應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)等測(cè)試儀器。當(dāng)門框、排水管及底部鋼筋網(wǎng)片聯(lián)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(jī)上水泥、黃砂，大石子采用人工上料，并使用機(jī)械振動(dòng)棒搗固，搗固過(guò)程中要注意搗固程度，搗固過(guò)狠容易跑模，搗固不夠又達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(duì)號(hào)組裝，按中、腰線對(duì)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(dòng)，用臨時(shí)模板阻隔，直到拱頂，避免出現(xiàn)水平接槎面。當(dāng)立模、接鋼筋和安裝管路不能連續(xù)澆筑時(shí)，在接槎面上按間、排距800mm插上φ16mm、長(zhǎng)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(yǎng)護(hù) 28 d。為了檢測(cè)硐室混凝土的強(qiáng)度，在不同部位留取 8組試塊，養(yǎng)護(hù) 28 d后做抗壓試驗(yàn)，其結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)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(kuò)散半徑 3m～8m。注漿前，先用清水做聯(lián)通試驗(yàn)，不與聯(lián)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(biāo)號(hào)為 525普通硅酸鹽水泥?？紤]到漿液的流動(dòng)性和易注性，水灰重量配比選擇(0.6～1)∶1，當(dāng)在附近巷道內(nèi)出現(xiàn)跑冒漿時(shí)，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(shù)為2.8～3.2，水泥漿與水玻璃比結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)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?jí)毫?yīng)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(yīng)達(dá)到 3.8 MPa終壓，并保持穩(wěn)定10min以上，當(dāng)前兩次注漿壓力小于規(guī)定壓力不能進(jìn)漿時(shí)，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(jié)語(yǔ)

此防水閘門(墻)施工方法簡(jiǎn)單易行，減少了施工工序，可大大節(jié)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(shè)備的占用量。缺點(diǎn)是大石子采用人工上料，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工工期長(zhǎng)，尤其是拱頂澆筑時(shí)，人工上料勞動(dòng)強(qiáng)度繁重，有待下一步設(shè)備改進(jìn)后得到改善和提高。

[1] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

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