付金陽

(山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)設(shè)計院)

礦井防水閘門的設(shè)計與應(yīng)用

付金陽

(山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)設(shè)計院)

王樓煤礦屬水文地質(zhì)復(fù)雜型礦井，其南翼采區(qū)可采及局部可采煤層共4層，預(yù)計開采時的正常涌水量為672 m3/h。為此，在-680 m水平南翼軌道、膠帶大巷分別設(shè)置一道防水閘門，設(shè)計水壓均為7.1 MPa，以確保礦井安全生產(chǎn)。

防水閘門 水壓計算 硐室注漿

王樓煤礦南翼采區(qū)可采及局部可采煤層為10下、12下、16上、17煤，其補(bǔ)給水源為五—九灰及十—十三灰，預(yù)計正常涌水量共672 m3/h，屬水文地質(zhì)條件復(fù)雜型礦井。因礦井南翼開采時涌水量較大，所需潛水泵功率較大，需對礦井現(xiàn)有供電系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造，并需另行敷設(shè)排水管路，耗費較大。為此，該礦決定在-680 m水平南翼軌道、膠帶大巷分別設(shè)置一道防水閘門，確保礦井安全生產(chǎn)。

1 防水閘門

1.1 確定防水閘門位置

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，防水閘門應(yīng)設(shè)于堅硬、穩(wěn)定、完整致密的巖層中，避開巖溶斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶，硐室應(yīng)設(shè)在小斷面和直線巷道中，四周留有保護(hù)煤、巖柱，嚴(yán)禁受采動影響，不宜設(shè)在煤層中。經(jīng)井下實際勘察，兩道防水閘門均設(shè)于-680 m 水平南翼軌膠第一聯(lián)絡(luò)巷中心以外21 m處，硐室四周圍巖均為泥砂巖夾層(3上煤底板)，巖石完整堅硬，具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B水性能，穩(wěn)定性良好。

1.2 防水閘門設(shè)計依據(jù)

(1)設(shè)計靜水壓力P：

P=ρgh，

(1)

式中，ρ為水密度，1 000 kg/m3；h為最大水頭高度，奧灰水的靜水位標(biāo)高為+28.0 m，南翼軌道大巷防水閘門硐室底板標(biāo)高為-678.5 m，h=706.5 m，南翼膠帶大巷防水閘門硐室底板標(biāo)高為-678.2 m，h=706.2 m。

為保留一定的安全系數(shù)，對兩道防水閘門設(shè)計水壓均取值為7.1 MPa。

(2)涌水量。①10下煤層為局部可采煤層,其上距三灰30.00～47.60 m,一般情況下三灰對10下煤層開采影響不大;②開采12下煤層頂板進(jìn)水含水層主要為五—七灰，個別地段影響至三灰，在煤層露頭附近可影響至第四系下組;③12下煤層底板為石灰?guī)r(八)，平均厚2.07 m，12下煤層下距九灰11.97～19.06 m，平均15.70 m，因此八—九灰為開采12下煤層的底板進(jìn)水含水層，預(yù)計開采10下及12下煤層時正常涌水量為42 m3/h;④十下灰與十一灰是開采16上、17煤層的直接充水含水層,16上煤層在-350 m、17煤層-300 m以下存在奧灰水底鼓威脅,預(yù)計開采16上、17煤層時正常涌水量為630 m3/h。

因此，預(yù)計南翼煤層開采時總的正常涌水量為Q=672 m3/h，預(yù)計最大涌水量為正常涌水量的1.5倍，為1 008 m3/h。

(3)防水閘門結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)設(shè)計水壓P=7.1 MPa，考慮到圍巖狀況，設(shè)計采用倒截錐形計算公式對防水閘門硐室墻體參數(shù)進(jìn)行計算。

(4)混凝土強(qiáng)度設(shè)計值。選用C30混凝土砌筑防水閘門，水泥標(biāo)號P.O32.5，配比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)=0.5∶1∶1.5∶2.5。其軸心抗壓強(qiáng)度[σ]=15 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa。

1.3 防水閘門的選擇

根據(jù)-680 m水平南翼軌道、膠帶大巷防水閘門硐室設(shè)計最大靜水壓7.1MPa，選擇ML-90型薄殼礦用防水閘門，門扇規(guī)格為2.40 m×2.32 m，閘門允許壓力9.00 MPa。

1.4 防水閘門墻體尺寸計算

根據(jù)防水閘門硐室、閘閥、管路、門扇安裝及運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等要求，確定前后硐室斷面形式及硐室主體。

根據(jù)前后室特征、巖體抗壓強(qiáng)度及C30混凝土抗剪強(qiáng)度，按照《采礦工程設(shè)計手冊》 “倒截錐形防水閘門硐室砌體長度和厚度計算方法”中的有關(guān)規(guī)定，確定硐室主體長度及寬度。

以-680 m水平南翼軌道大巷防水閘門硐室為例，計算其墻體支護(hù)參數(shù)。

(1)防水閘門墻體應(yīng)力衰減段計算：

Li=[ln(γ0γfγdP)-ln(ft)]/0.398 6 ,

(2)

式中,Li為防水閘門墻體應(yīng)力衰減段計算長度，m;γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，取1.1；γf為作用的分項系數(shù)，取1.3；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.2；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值,取1.5 N/mm2。

將各參數(shù)代入式(2)，計算得Li=5.255 m.

(2)防水閘門墻體長度計算。防水閘門墻體長度為防水閘門墻體應(yīng)力衰減段計算長度與防水閘門墻體應(yīng)力回升段計算長度之和，即防水閘門墻體長度為7.255 m，取8 m。

(3)防水閘門硐室最大掘進(jìn)斷面積計算：

S2=(γ0γfγdγsdP+fcc)S/fcc,

(3)

式中,γsd為作用不定性系數(shù)，水壓大、圍巖抗壓強(qiáng)度低者取大值，取2.0；fcc為素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，其值由理論值表中查取的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fc乘以0.95確定，fc=15 N/mm2；S為防水閘門墻體前、后巷道凈斷面積，為11.84 m2。

(4)防水閘門墻體嵌入圍巖深度計算：

(4)

式中，E為防水閘門墻體嵌入圍巖深度(含砌壁厚)，m；B為防水閘門墻體前、后巷道凈寬，為4.0 m；H3為防水閘門前、后巷道墻高，為1.39 m。

將各參數(shù)代入式(4)計算得E=1.749 m.

考慮到硐室施工對圍巖的影響、圍巖的均勻性等，為保證硐室的安全性和可靠性，取E=2.0 m.

根據(jù)以上計算結(jié)果，確定-680 m水平南翼軌道大巷防水閘門硐室長度為8.0 m，墻體嵌入深度為2.0 m。

同樣計算-680 m南翼膠帶大巷防水閘門硐室長度為8.0 m，墻體嵌入深度為2.0 m。

按照《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合該礦井下實際條件，在各防水閘門硐室前、后兩側(cè)，分別砌筑長6 m、厚0.5 m C30的混凝土護(hù)碹。

1.5 管路與閘閥的選擇

(1)排水管的選擇。據(jù)《煤礦工程設(shè)計手冊》表5-12-6及《王樓煤礦南翼補(bǔ)充勘察報告》，預(yù)計礦井南翼開采時正常涌水量、最大涌水量，選取管直徑D=400 mm，坡度i=10‰,管子充水高度系數(shù)0.7，流速V=582.8 m3/h。為留有一定的富裕，鋪設(shè)兩排管路，管路內(nèi)徑均為400 mm，排水能力達(dá)到1 165.7>1 008 m3/h。

確定選用D450×18無縫鋼管作為放水管,可滿足要求。

(2)電纜管的選擇。選用7條D114×6無縫鋼管，其中2條作為電纜管，4條作壓風(fēng)管、防塵水管、泄氣管和監(jiān)測電纜管，1條作備用管。

(3)閘閥的選擇。根據(jù)最大靜水壓力7.1 MPa，放水管安放CZ40H-64型DN400閘閥;壓風(fēng)管、防塵水管、泄氣管、監(jiān)測電纜管安放CZ40H-64型DN100閘閥;電纜管采用法蘭盲蓋，盲蓋厚度和法蘭厚度相同。

1.6 硐室注漿

采用325#普通硅酸鹽水泥反復(fù)注漿，最終注漿壓力必須達(dá)到10.65 MPa，即防水閘門設(shè)計承壓的1.5倍。

為進(jìn)行壁后高壓注漿，需根據(jù)設(shè)計或現(xiàn)場條件，在澆筑混凝土的同時埋設(shè)注漿管。注漿管按漿液擴(kuò)散半徑1.3 m布置，間排距不大于2.5 m，注漿管外露0.3 m。

注漿時采用P.O32.5水泥單液注漿，水灰比(質(zhì)量比)采用0.5∶1。每條注漿管注漿次數(shù)不少于3次，注漿壓力不小于10.65 MPa，且進(jìn)漿量不大于20 L/min。注漿結(jié)束后必須將全部注漿管用M10砂漿封堵。

1.7 活動軌鋪設(shè)、篦子門

為確保一旦發(fā)生水患時能及時關(guān)閉閘門，要求在軌道大巷防水閘門處設(shè)活動軌?；顒榆壟c固定軌均放置在焊接槽鋼內(nèi)，用圓柱插銷固定；在膠帶大巷防水閘門處采用易于拆卸的皮帶支架。

為防止來水后雜物堆積在閘門上影響關(guān)門，要求在閘門里端距離水閘門15～25m處設(shè)置一道篦子門，箅子門采用9#角鋼和φ10mm圓鋼焊接而成。

2 防水閘門硐室施工技術(shù)要求

①施工前要做混凝土配比試驗，保證混凝土強(qiáng)度不低于C30；②防水閘門硐室施工原則上采用風(fēng)鎬掏槽，確實困難時允許放小炮，但必須明確炮眼每孔裝藥量，根據(jù)實際情況盡量少打眼，減少對圍巖的破壞，掏槽后必須把活石、碎矸清理干凈；③澆筑混凝土前必須將防水閘門硐室兩幫及頂?shù)装鍥_刷干凈；④必須確保混凝土拌料均勻，保證澆筑的連續(xù)性,配合振搗器振搗，特別要加強(qiáng)硐室頂部的混凝土振搗；⑤注漿管出漿口要放入預(yù)先鑿好的巖窩內(nèi)，用水泥袋或牛皮紙包住管口，并用石子埋填，巖窩直徑和深度100 mm左右；⑥混凝土澆筑過程中，分前、中、后留取不少于3組混凝土試塊，在井下養(yǎng)護(hù)期滿后，及時進(jìn)行強(qiáng)度試驗。

3 結(jié) 語

防水閘門可將礦井開采引發(fā)時的突水控制在一定區(qū)域內(nèi)，不影響其他區(qū)域的安全生產(chǎn)，保證井下作業(yè)人員的安全，減少礦井因突水造成的經(jīng)濟(jì)損失，也為其他礦井解決類似問題提供了經(jīng)驗。

[1] 張榮立，何國緯，李 鐸.采礦工程設(shè)計手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[2] 苗河根.深井高壓防水閘門硐室試驗研究[J].礦山壓力與頂板管理，2002(3)：98-100.

2015-04-03)

付金陽(1982—)，男，工程師，276017 山東省臨沂市。