岱莊煤礦雙向防水閘門系統(tǒng)設計

李美玲，溫興林，畢義正，王如猛2,

1煙臺職業(yè)學院 山東煙臺 264000

2山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院 山東青島 266590

3山東科技大學礦山災害預防控制教育部重點實驗室 山東青島 266590

4山東濱化濱陽燃化有限公司 山東濱州 251800

根據(jù)我國統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，2021 年全國一次能源消費中化石能源占到總量的 86%，而煤炭消費量約占消費總量的 61%，并且由于我國的煤炭資源豐富、煤炭基數(shù)大和保護國家能源安全的角度出發(fā)，煤炭在能源消費總量中占比偏大的局面短時間內(nèi)不會發(fā)生重大改變，所以我國在近十年會繼續(xù)呈現(xiàn)能源偏煤、產(chǎn)業(yè)偏重的特點[1-2]。隨著我國煤炭資源開采時間和規(guī)模的不斷增加，煤層開采的深度也呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，但是所面臨的沖擊地壓、高承壓水透水等災害事故的威脅也逐年增大[3]。

多年的實踐證明，防水閘門和防水閘墻是預防煤礦透水災害、保障煤礦安全生產(chǎn)的重要安全設施。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定[4]，當?shù)V井存在透水風險時，必須設置防水閘門或者防水閘墻，形成煤礦分采區(qū)、分翼和分水平開采。假如發(fā)生礦井透水事故時，可以利用防水閘門和防水閘墻將透水的礦井進行隔離，其他正常的礦井采取可以不受影響，將透水事故的損失和影響降到最低[5-6]。

1 礦井的地質(zhì)概況

岱莊煤礦位于濟寧市北部，西臨京杭大運河，含煤層主要為下組煤的 16、17 煤層。開采前已探明直接充水水源為十下灰?guī)r水，其局部因斷層發(fā)育與奧灰、十三灰有水力聯(lián)系，并且其含水層的富水性較好、含水層壓力也較高，礦井面臨的透水風險和透水災害威脅較大。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定要求，為保證煤礦的可持續(xù)安全生產(chǎn)，實現(xiàn)煤礦資源的最大化利用，就必須在 1160 采區(qū)和 2160 采區(qū)邊界設置雙向防水閘門來實現(xiàn)隔離分區(qū)，通過地面遠程自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對防水閘門的自動關閉，實現(xiàn)透水采區(qū)與正常采區(qū)的有效隔離，減少因透水事故而導致的損失和對正常采區(qū)的影響，保證礦井的安全生產(chǎn)。

2 硐室位置的選取和驗證

2.1 硐室位置的選取

根據(jù)《煤礦設計》的規(guī)定和要求，礦井防水閘門和防水墻硐室位置的選取應盡量避開存在斷層、裂痕發(fā)育、陷落柱、煤層、節(jié)理和巖溶的地帶，選擇地質(zhì)條件巖層完整、堅硬和穩(wěn)定的地帶，并且從排水、礦井運輸和通風的安全生產(chǎn)角度出發(fā)，選擇的位置盡量避開受煤礦開采的影響，便于礦井防水閘門的施工和災害后及時恢復煤礦開采[7-8]。

通過對岱莊煤礦現(xiàn)有的巷道開采布置、地質(zhì)水文條件和礦井開采影響等因素進行分析，確定雙向防水閘門在礦井 2160 采區(qū)膠帶大巷聯(lián)絡巷的平巷中，可對 2160 采區(qū)或 1160 采區(qū)發(fā)生透水后實現(xiàn)有效隔離開采。該巷道為水平平坦巷道，周圍的巖層也較為堅硬、地質(zhì)條件較為穩(wěn)定，受煤礦開采的采動影響也較少，同時也避開了斷層和陷落柱等破碎地帶，距離斷層 380.0 m，底板下距奧灰含水層 63.0 m，距離十三灰含水層 27.4 m，硐室上地板距離八灰含水層 38.0 m。

2.2 硐室位置驗證

(1) 防水閘門硐室?guī)r柱的留設 防水閘門硐室靜水壓力設計為 5 MPa，按阻隔水系數(shù) 0.1 MPa/m 計算，需留設 50 m 以上凈巖柱。2160 膠帶防水閘門硐室與相鄰莊頭斷層及最近的相鄰巷道之間的平面最小間距大于斷層的防水煤柱 100 m，所以硐室與斷層之間的巖柱可抵抗的水壓大于硐室所承受的最大靜水壓力 5 MPa，所留設巖柱滿足要求。日后若對 2160 防水閘門附近煤炭資源進行回采，在 2160 膠帶防水閘門硐室周圍布置巷道時，應與防水閘門硐室留設大于 50 m 的凈巖柱。

(2) 礦井防水閘門底板隔水層厚度計算 根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中隔水層巖層安全厚度

式中：L為礦井開采巷道的寬度，取L＝3.5 m；γ為巷道隔水層密度，γ＝0.026 2 MN/m3；Kp為巷道底板巖層的抗拉強度，取Kp＝0.073 5 MPa；p為巷道底板隔水層承受的水頭壓力，受到十三灰含水層水頭壓力為 4.48 MPa，受到奧灰含水層的水頭壓力為 6.33 MPa。

將以上數(shù)值代入式 (1) 中，計算得到岱莊煤礦2160 采區(qū)在開采掘進過程中雙向防水閘門十三灰底板所需的安全隔水層厚度為 18.26 m，奧灰底板安全隔水層的厚度為 21.74 m。通過以上計算可以證明，礦井 2160 采區(qū)巷道在正常的開采掘進過程中不會受到來自奧灰和十三灰含水層的威脅。

3 硐室設計

3.1 抗靜水壓力

防水閘門的抗水壓力值一般為含水層的最大靜水位與防水閘門巷道底板之間標高的差值，從安全的角度出發(fā)應保留一定的安全系數(shù)。

式中：pk為單位面積上的靜水壓力，MPa；ρ＝1 000 kg/m3；g為重力加速度；h為最大水頭高度，奧灰含水層的靜水位的標高為 36.54 m，岱莊煤礦 2160 采區(qū)防水閘門硐室巷道底板的標高為-468.6 m，取h＝505.1 m。

將數(shù)值代入式 (2) 中，計算可以得到單位面積上的靜水壓力pk=5.0 MPa，從安全余量的角度考慮，應選用承壓能力為 5.5 MPa 的防水閘門。

3.2 混凝土的強度

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》對混凝土強度的要求，礦井防水閘門所需的混凝土強度應選用 C30，其應滿足抗剪切強度為 2.5 MPa，軸心的抗壓強度為13.5 MPa。

3.3 硐室尺寸的選擇

根據(jù)岱莊煤礦 2160 和 1160 采區(qū)的地質(zhì)條件和地形特點，以及礦井防水閘門、輸送帶、通風、線路管線和硐室等技術要求，確定礦井防水閘門硐室前后室斷面的形式。岱莊煤礦雙向防水閘門采用倒截錐形式，根據(jù)《采礦工程設計手冊》相關規(guī)范要求，需計算礦井防水閘門硐室主體的寬度和長度。

(1) 礦井防水閘門硐室墻體應力衰減段長度

式中：γ0為礦井防水閘門硐室結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取γ0=1.1；γf為礦井防水閘門作用分項系數(shù)，取γf=1.3；γd為礦井防水閘門水壓動力系數(shù)，取γd=1.2；ps為礦井防水閘門所能承受的設計水壓，取ps=5 N/mm2；ft為礦井防水閘門所用混凝土水泥的抗拉強度，ft＝1.5 N/mm2。

由式 (3) 計算可得，礦井防水閘門墻體應力衰減長度為 4.4 m。

(2) 礦井防水閘門硐室最大掘進斷面積

式中：γsd為礦井防水閘門的作用不定性系數(shù)，取γsd=2；fcc為礦井防水閘門所用混凝土的抗壓強度值，fcc=14.35 N/mm2；S為礦井防水閘門墻體巷道斷面積，取S＝19.13 m2。

由式 (4) 計算可得，礦井防水閘門最大的掘進斷面積為 42.17 m2。

(3) 礦井防水閘門墻體長度

式中：L0為礦井防水閘門墻體應力回升長度，根據(jù)岱莊煤礦 2160 雙向防水閘門硐室布置和形式，取L0=0 m。

由式 (5) 計算可得，礦井防水閘門墻體長度為 8.8 m。

(4) 礦井防水閘門硐室墻體嵌入巖層深度

式中：B為礦井防水閘門硐室巷道的寬度，取B=4.8 m；h3為礦井防水閘門墻體巷道的巷高，取h3=2.1 m。

由式 (6) 計算可得，礦井防水閘門硐室墻體嵌入巖層深度為 1.13 m，取E＝1.2 m。

根據(jù)《礦井防水工作實施細則》中的相關規(guī)定要求，岱莊煤礦 2160 采區(qū)防水閘門硐室采用分別向兩側(cè)澆筑長寬為 5 000 mm×400 mm 的混凝土護碹，其設計的最終注漿壓力為礦井防水閘門的設計承受壓力的 1.5 倍，即可以承受 7.5 MPa 的水壓。

4 自動控制系統(tǒng)

岱莊煤礦 2160 采區(qū)防水閘門為全自動遠程控制，不僅可以遠程地面控制，還具有現(xiàn)場手動操作的功能，并且礦井防水閘門配備了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測水閘門采區(qū)巷道的水位情況。其遠程監(jiān)控系統(tǒng)是以網(wǎng)絡交換機為核心進行組網(wǎng)的，可以分為現(xiàn)場控制層、中心控制層和集中控制層。

礦井防水閘門全自動控制系統(tǒng)采用 PLC 技術，因礦井防水閘門控制系統(tǒng)的特殊性，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性要求極高，不允許控制系統(tǒng)中斷，并采用一用一備設計。礦井防水閘門的控制系統(tǒng)設有 2 臺油泵電動機，若其中一臺發(fā)生故障時，自動更換為另一臺啟動，全過程不需要人為干預。礦井防水閘門自動控制流程如圖 1 所示。

圖1 礦井防水閘門自動控制流程Fig.1 Automatic control process flow of mine waterproof gate

5 結(jié)語

通過對岱莊煤礦的地質(zhì)條件情況和相關采煤防水規(guī)范的要求介紹，說明設置防水閘門的必要性。根據(jù)巷道布置和技術規(guī)范對 2160 采區(qū)進行雙向防水閘門硐室的設計和布置，并對其配備遠程全自動控制和監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對防水閘門的遠程開啟和關閉，完成對采區(qū)透水事故發(fā)生后的隔離，防止對其他正常采區(qū)造成影響，保證了煤礦開采的安全生產(chǎn)。