礦井巷道擋水墻設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

席觀偉

(河南省資源環(huán)境調(diào)查三院，河南 鄭州 450000)

在礦井的生產(chǎn)活動(dòng)中，會(huì)有各種水源通過各種過水通道涌入礦井；礦井水害按照不同的地質(zhì)條件，劃分為頂板水、底板水、老空水、地表水等多種。礦井水害是威脅生產(chǎn)安全的重要隱患，具有突發(fā)性強(qiáng)、危害范圍大的特點(diǎn)，依據(jù)礦井水害來源及原因分析，針對(duì)性地對(duì)礦井水害采取預(yù)防措施是礦井采掘活動(dòng)的重要工作；分析不同的水害類型，提出不同的解決方案，對(duì)有突水危險(xiǎn)的區(qū)域設(shè)立防水隔離設(shè)施，防止發(fā)生突水。

本次主要探討設(shè)計(jì)擋水墻，用以堵截鄰近礦井老空水通過巷道，防范其對(duì)礦井造成水害。井下?lián)跛畨梢远陆嘏c本礦其他開采空間連通的巷道，徹底切斷水害采區(qū)與其他開采空間的水力聯(lián)系，能防止鄰近礦井的老空水涌入，減輕礦井排水壓力；通過采取裂隙注漿加固措施，增加擋水墻的抗壓能力，提高礦井安全級(jí)別。井下?lián)跛畨ψ鳛榉乐蔚V井水害的方法之一，具有施工工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、便于施工的特點(diǎn)，基本不受場(chǎng)地限制，投入小、建造快、見效快，普遍被礦井作為防治水害使用。國(guó)內(nèi)礦井在設(shè)計(jì)擋水墻用于防治水害方面取得了很多成功經(jīng)驗(yàn)，但筆者注意到，很多文獻(xiàn)對(duì)擋水墻的設(shè)計(jì)中，沒有將擋水墻的抗剪能力和壁后注漿防滲問題考慮進(jìn)去，應(yīng)引起注意。

1 概況

某礦井-330 m水平的22采區(qū)已停止采掘活動(dòng)6年，與北部鄰近礦井的防水煤柱在局部區(qū)段小于規(guī)范要求厚度，且鄰近礦井因資源枯竭，將于近幾年閉坑。鄰近礦井涌水量為200 m3/h，目前水位標(biāo)高-210 m，臨近礦井關(guān)閉后，區(qū)域水位上升到+125 m，靜水壓力將達(dá)到4.55 MPa，防水煤柱可能失衡。這部分水源在閉坑后水位逐漸抬高的情況下，有可能壓垮22采區(qū)的防水煤柱薄弱帶而突入礦井。依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定，“水文地質(zhì)類型復(fù)雜、極復(fù)雜或者有突水淹井危險(xiǎn)的礦井，應(yīng)當(dāng)在井底車場(chǎng)周圍設(shè)置防水閘門，或者在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上另外安設(shè)地面直接供電控制、且排水能力不小于最大涌水量的潛水泵排水系統(tǒng)。有突水危險(xiǎn)的采區(qū)，應(yīng)當(dāng)在其附近設(shè)置防水閘門”。因此，決定對(duì)礦井22采區(qū)的巷道設(shè)計(jì)永久性擋水墻，即封堵22采區(qū)膠帶、軌道、運(yùn)輸大巷等6處巷道，堵截鄰近礦井突水到22采區(qū)后下流到其他采區(qū)的通道。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

礦井22采區(qū)與周邊礦井的防水煤柱最薄僅19 m，存在突水威脅。依據(jù)此次水害治理要求，設(shè)計(jì)在巷道內(nèi)施工擋水墻(巷道斷面規(guī)格為寬4.00 m、高3.50 m)，防止周邊礦井通過22采區(qū)巷道突水至該礦井。擋水墻采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝進(jìn)行澆筑，混凝土配合比為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、碎石的質(zhì)量比為1∶0.40∶1.11∶2.72。

2.1 靜水壓力

堵水點(diǎn)為井下聯(lián)通巷道，目前周邊礦井水位為-210 m，靜水壓力1.20 MPa，防水煤柱處在安全狀態(tài)；一旦周邊煤礦停產(chǎn)，區(qū)域水位上升到+125 m，靜水壓力可達(dá)到4.55 MPa。礦井地下水靜水壓力如圖1所示。

圖1 礦井地下水靜水壓力示意Fig.1 Sketch map of underground water pressure in mine

2.2 工作面?zhèn)认蛲凰治鲱A(yù)測(cè)

側(cè)幫防止突水的理論靜水壓力采用《專門水文地質(zhì)學(xué)》斯列薩列夫公式[4-5]：

P理安=(4/3)×Kp×(A/L)2

(1)

式中，P理安為側(cè)幫承受含水層的靜水壓力；Kp為防水煤柱平均抗張強(qiáng)度，采用井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)3.74×105Pa；A為煤柱寬度，取最小值15 m(每側(cè)工作面壓裂破壞2 m)；L為工作面開采煤層高度，取煤層平均厚度5.20 m。

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得，P理安=4.15 MPa。

(1)P實(shí)=1.20 MPa。P實(shí)

(2)待周邊礦井關(guān)閉，雨季水位恢復(fù)到+125 m標(biāo)高，則有P實(shí)=4.55 MPa。P實(shí)>P理安，防水煤柱是不安全的，側(cè)幫水會(huì)滲入本礦井。

3 擋水墻結(jié)構(gòu)形狀選擇

根據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計(jì)規(guī)范》《煤礦井下車場(chǎng)及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》，防水閘門與防水閘墻硐室墻體結(jié)構(gòu)形式有圓柱形、楔形、倒截錐形3種結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算方法不同，其計(jì)算結(jié)果也會(huì)有很大差別；設(shè)計(jì)的前提條件和選擇的參數(shù)不同，也會(huì)有不同的計(jì)算結(jié)果。因此選擇符合實(shí)際條件的、合理的參數(shù)，以及選擇有安全保障的擋水墻計(jì)算公式，是擋水墻成功堵水的關(guān)鍵。可根據(jù)硐室承受水壓，選用圓柱形結(jié)構(gòu)、楔形結(jié)構(gòu)、倒截錐形結(jié)構(gòu)，并應(yīng)滿足下列要求：①承受水壓不大于1.60 MPa的硐室應(yīng)選用圓柱形或楔形結(jié)構(gòu)；②承受水壓大于1.60 MPa的硐室應(yīng)選用倒截錐形結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)防水閘墻硐室承受的水壓達(dá)到4.55 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.60 MPa，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，應(yīng)選用二級(jí)倒截錐形結(jié)構(gòu)。

(1)擋水墻設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)水壓值P=4.55 MPa>1.60 MPa，依據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計(jì)規(guī)范》擋水墻采用雙倒錐形結(jié)構(gòu)，可采用倒截錐形公式計(jì)算。倒截錐形防水閘墻如圖2所示。

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

(2)

L=L1+L0

(3)

式中，L1為閘門墻體應(yīng)力衰減段計(jì)算長(zhǎng)度；r0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.1；rf為作用的分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；rd取1.75；P為防水閘門硐室設(shè)計(jì)承受的水壓，4.55 MPa；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，選用C30混凝土，取1.5 N/mm2；L為閘門墻體長(zhǎng)度；L0為閘門墻體應(yīng)力回升段長(zhǎng)度，取1.5 m。

圖2 倒截錐形防水閘墻示意Fig.2 Schematic diagram of cut-off cone-shaped waterproof sluice wall

代入公式計(jì)算得：L1=5.09 m，L=6.59 m。

S2=(r0rfrdrsdP+fcc)S/fcc

(4)

(5)

式中，S2為防水閘門硐室最大掘進(jìn)斷面積；rsd為作用不定性系數(shù)，取2.0；fcc為素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取12.75 N/mm2；S為閘門墻體前、后巷道凈斷面積，23.07 m2；E為閘門墻體嵌入圍巖深度(含砌壁厚)；B為閘門墻體前、后巷道凈寬，4.0 m；h3為閘門墻體前、后巷道墻高，3.5 m。

代入公式計(jì)算得出：S2=64.27 m2，E=1.84 m。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮到擋水墻體安全的承受水壓，最終確定墻體厚度取值7.00 m，掏槽深度取2.00 m。

(2)擋水墻硐室驗(yàn)算。硐室主體抗剪理論驗(yàn)算如下：

(6)

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得：L=4.30 m<設(shè)計(jì)擋水墻厚度7.00 m，滿足要求。

(3)擋水墻結(jié)構(gòu)。考慮到擋水墻的安全系數(shù)和提高礦井防災(zāi)抗災(zāi)的能力，擋水墻設(shè)計(jì)為夾層結(jié)構(gòu)，中間混凝土擋水墻厚7.00 m；考慮到混凝土墻的側(cè)壓力，擋水墻兩邊需設(shè)計(jì)止?jié){墻，兩道止?jié){墻的厚度均采用1.00 m，則擋水墻+止?jié){墻的總厚度為9.00 m，止?jié){墻、擋水墻墻體周圍掏槽深度不小于2.00 m。礦井在構(gòu)建擋水墻時(shí)，先在擋水墻兩端施工混凝土止?jié){墻，再施工中部混凝土擋水墻。

(4)最外側(cè)防水閘墻加固。為了增加擋水墻抗剪切力，設(shè)計(jì)在巷道側(cè)方及頂、底部施工φ40 mm×2 500 mm圓鋼，選用Q345型圓鋼，計(jì)算公式：

(7)

式中，X為圓鋼數(shù)量；P為靜水壓力，設(shè)計(jì)取4.55 MPa；S1為背水巷道斷面積，14 m2；S2為圓鋼橫截面積，0.001 26 m2；T為圓鋼抗剪強(qiáng)度，設(shè)計(jì)取400 MPa。

計(jì)算得圓鋼數(shù)量為126根，此次用圓鋼132根。

巷道周圍均勻布置長(zhǎng)3.00 m的圓鋼，巷道兩側(cè)間距為0.7 m，每排需10根；巷道頂、底間距為0.6 m，每排需12根，排距為1.00 m；垂直巷道輪廓線布置，外露1.00 m左右，圓鋼采用水泥藥卷錨固。為不影響澆筑混凝土，在保證支護(hù)安全的前提下，根據(jù)施工工藝，混凝土墻可一次或分段澆筑，隨澆筑混凝土隨安裝圓鋼。

4 擋水墻技術(shù)要求

(1)防水閘墻施工必須嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》《煤礦防治水細(xì)則》《礦山井巷工程施工驗(yàn)收規(guī)范》有關(guān)條款規(guī)定執(zhí)行[6-8]。

(2)擋水墻位置必須選在圍巖穩(wěn)定的地方，由技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)確定后，方可施工。

(3)巷道挑頂、擴(kuò)幫、臥底時(shí)應(yīng)采用風(fēng)鎬施工，禁止放炮掏槽，以保證圍巖穩(wěn)定、完整；先挑頂，確認(rèn)安全后再擴(kuò)幫和臥底。

(4)擋水墻硐室應(yīng)布置在堅(jiān)硬的巖層中，四周要留設(shè)足夠的安全保護(hù)煤(巖)柱，嚴(yán)禁受采動(dòng)影響。

(5)掏槽后底部、兩幫、頂部圍巖必須清理干凈，并用水沖洗水閘墻硐室，且應(yīng)形成粗糙面，澆筑混凝土?xí)r四周墻幫必須先刷洗干凈，方可澆筑。四周掏槽后插錨桿，墻體內(nèi)錨桿長(zhǎng)度均為3.00～4.00 m，墻體外露錨桿長(zhǎng)度均為1.50 m，止?jié){墻扎鋼筋網(wǎng)時(shí)將其壓入墻體內(nèi)。

(6)止?jié){墻內(nèi)鋪設(shè)2道φ18 mm鋼筋網(wǎng)，間排距為300 mm×300 mm，用箍筋扎緊，并一次注漿澆筑成型；兩面止?jié){墻內(nèi)側(cè)均預(yù)埋φ18 mm×1 200 mm彎鉤鋼筋，間、排距均為300 mm，使兩面止?jié){墻與中間擋水墻形成一個(gè)整體，增加整體抗壓強(qiáng)度。

(7)最外側(cè)防水閘墻加固。為了增加擋水墻抗剪切力，設(shè)計(jì)在擋水墻與巷道頂、底及側(cè)方施工φ40 mm×3 000 mm圓鋼，選用Q345型圓鋼，巷道周圍均勻布置圓鋼，排距為1.00 m，每排22根，頂?shù)酌娓?根，兩側(cè)面各5根，布設(shè)6排；垂直巷道輪廓線布置。

(8)為了增強(qiáng)擋水墻的墻體抗壓和抗剪強(qiáng)度，設(shè)計(jì)在擋水墻體內(nèi)加布鋼筋和廢舊鋼軌；鋼筋選用φ18 mm螺紋鋼，分6道編網(wǎng)，間排距為300 mm×300 mm，施工時(shí)用10號(hào)鐵絲扎緊；廢舊鋼軌可利用礦方現(xiàn)有的11 kg/m或18 kg/m，軌面向迎水方向，橫向均勻布置3面道軌，2個(gè)楔形處各布置3排2列共12根鋼軌，中間再布置2排1列共2根鋼軌。

(9)止?jié){墻澆筑。先澆筑迎水側(cè)混凝土止?jié){墻，之后施工中部擋水墻鋼筋籠，再澆筑背水側(cè)混凝土止?jié){墻(頂部預(yù)留0.50 m通道)。頂部澆筑或搗固較困難，應(yīng)分段施工，與巖幫的填實(shí)、壁基的澆筑尤為重要。為不影響澆筑混凝土，在保證支護(hù)安全的前提下，根據(jù)施工工藝，可一次或分段澆筑。

(10)中部擋水墻澆筑。墻體充滿后，向墻體內(nèi)注單液水泥漿，為保證水泥漿與圍巖充分接觸，注漿過程中不允許加入任何化學(xué)添加劑。采用間歇式注漿，每注1～2 h或注1層時(shí)停20 min左右，讓漿液充分沉淀，保證上部充分注滿。

(11)擋水墻澆筑時(shí)，提前安設(shè)觀測(cè)水壓的裝置，定期觀測(cè)，雨季加密觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

(12)澆筑后，必須有專人定期噴水對(duì)水閘墻進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5 圍巖加固

擋水墻施工中，無論采用何種建造方法，其與圍巖接觸部位的裂隙或多或少都會(huì)存在，擋水墻建造后在靜水壓力下會(huì)通過這些裂縫進(jìn)入巷道，如果控制不好會(huì)影響擋水墻堵水效果。因此，在施工中應(yīng)預(yù)埋注漿管，必須對(duì)圍巖進(jìn)行加固和壁后注漿。其目的是封堵裂隙通道，提高擋水墻整體強(qiáng)度，增強(qiáng)擋水墻的整體抗破壞能力[9-12]。

(1)圍巖裂隙注漿加固。對(duì)于圍巖強(qiáng)度低于擋水墻混凝土強(qiáng)度時(shí)，對(duì)圍巖采取加固措施，使圍巖抗壓強(qiáng)度不低于混凝土抗壓強(qiáng)度。建造擋水墻時(shí)，要考慮預(yù)埋注漿管，進(jìn)行注漿加固。止?jié){墻周邊圍巖注漿在擋水墻凝固的7 d之內(nèi)進(jìn)行。對(duì)止?jié){墻外側(cè)10 m范圍內(nèi)噴漿、掛網(wǎng)(φ6 mm、網(wǎng)格100 mm×100 mm)，噴層厚度10～20 cm，噴射混凝土強(qiáng)度不低于C30，可以分2遍噴射。

(2)壁后注漿。采用全方位壁后注漿，注漿管呈放射狀分布，注漿管布置在硐室兩幫、頂部及底部。注漿前先用清水做聯(lián)通試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)，根據(jù)注漿段單位吸水量確定漿液濃度，注漿采用水泥單液漿；注漿時(shí)為取得良好的漿液擴(kuò)散效果，須先用稀漿進(jìn)行試注，了解注漿及壓力情況，之后正式注漿，需密切關(guān)注壓力變化，在經(jīng)歷初期無壓至后期達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可停止注漿；注漿不少于3次，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)(終壓)為設(shè)計(jì)靜水壓力的1.5～2.0倍。壁后注漿先水平方向(先后室、次主體段、最后前室)，再垂直方向(先底部、次兩幫、最后頂部)。

(3)注漿前，必須進(jìn)行壓水試驗(yàn)，一般采用1 MPa泵壓注水，穩(wěn)定30 min，根據(jù)注漿段單位吸水量，確定漿液濃度及注漿材料。

單位吸水量計(jì)算公式：

g=Q/(P×L)

(8)

式中，g為單位吸水量；Q為單位時(shí)間內(nèi)在穩(wěn)定水壓下的鉆孔吸入量；P為實(shí)驗(yàn)時(shí)所采用的穩(wěn)定水頭壓力；L為鉆孔試驗(yàn)的段高。

6 結(jié)論

擋水墻設(shè)計(jì)稍有偏差，不但不能解決礦井水害，還會(huì)增加不必要的工作和損失，不能直接用公式計(jì)算，應(yīng)優(yōu)先考慮靜水壓力、墻體強(qiáng)度、圍巖強(qiáng)度、巷道斷面形狀等，綜合考慮與擋水墻相關(guān)的安全因素。如擋水墻按設(shè)計(jì)承受水壓初步設(shè)計(jì)后，要增加一定的安全系數(shù)；應(yīng)進(jìn)行抗剪驗(yàn)算，驗(yàn)算方法也有多種；要考慮擋水墻的安全承受能力，設(shè)計(jì)圓鋼加固方案和擋水墻體的鋼筋網(wǎng)布設(shè)；還要考慮擋水墻體外側(cè)的裂隙滲漏問題，進(jìn)行注漿加固等。還應(yīng)選用有施工資質(zhì)和施工經(jīng)驗(yàn)的隊(duì)伍進(jìn)行施工和驗(yàn)收，才能保證建造質(zhì)量。

此次井下?lián)跛畨υO(shè)計(jì)施工，依據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計(jì)規(guī)范》《煤礦井下車場(chǎng)及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》，通過合理的計(jì)算和抗剪驗(yàn)算，為了增加擋水墻體的抗剪能力，還設(shè)計(jì)了圓鋼加固方法，能滿足抵抗水害的能力；且考慮到墻體與圍巖的關(guān)系，提出了合理的壁后抗?jié)B注漿方法。依據(jù)此次擋水墻計(jì)算設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)要求，對(duì)類似礦井的擋水墻構(gòu)建有參考和借鑒作用，擋水墻嚴(yán)格按照要求構(gòu)建后，可提高礦井的抗水害能力，為礦井安全生產(chǎn)提供有利條件。