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        干河煤礦防水閘墻設(shè)計方案研究

        2021-10-14 06:43:14曹攀攀
        山東煤炭科技 2021年9期
        關(guān)鍵詞:楔形錐形水壓

        曹攀攀

        (中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司,天津 300120)

        由于干河煤礦部分區(qū)域與郭莊泉域重點保護區(qū)重疊,2018年7月18日,國土資辦發(fā)(2018)95號文件《關(guān)于辦理避讓退出自然保護區(qū)泉域重點保護區(qū)礦業(yè)權(quán)變更登記工作實施方案》,要求礦井依法依規(guī)進(jìn)行礦業(yè)權(quán)與保護區(qū)重疊范圍的退出工作。2018年8月1日,山西省國土廳公布自然生態(tài)保護紅線,圈定礦井面積10.336 5km2為禁采區(qū),其中包括二采區(qū)1-203工作面所在區(qū)域。

        實際勘探發(fā)現(xiàn)二采區(qū)1-203工作面采空區(qū)存在隱伏構(gòu)造溝通煤層頂板砂巖含水層,1-203工作面涌水量較大,涌出的水量無法控制,存在淹井的風(fēng)險。干河煤礦積極落實相關(guān)政策,為保證礦井的安全生產(chǎn),現(xiàn)急需在二采區(qū)1-203工作面正巷、副巷布置防水閘墻,將禁采區(qū)與可采區(qū)隔離開,避免禁采區(qū)域的水一旦涌出給礦井生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。

        1 工程概況

        干河煤礦位于山西省洪洞縣北部,生產(chǎn)規(guī)模2.10 Mt/a。礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜。1-203工作面回撤結(jié)束,具備密閉條件,在采區(qū)預(yù)留建設(shè)防水閘墻是必要的。1-203工作面地面標(biāo)高+550~ +635 m,1-203工作面目前涌水量約150 m3/h。目前諸多煤礦井下已經(jīng)建立承受較高水壓的防水閘墻,例如安徽宿州桃園煤礦砌筑的防水閘墻可以承受6.6 MPa水壓。因此,在借鑒其他礦井經(jīng)驗的基礎(chǔ)上尋求建立適合本礦井條件的防水閘墻隔離系統(tǒng)是可行的。

        2 防水閘墻特征

        根據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計規(guī)范》(GB51070-2014)10.3.13條,承受水壓大于1.6 MPa的防水閘墻硐室應(yīng)選用倒截錐型結(jié)構(gòu)。防水閘墻硐室采用倒截錐型結(jié)構(gòu)形式,倒截錐段采用錨網(wǎng)索噴+鋼筋混凝土支護,采用預(yù)埋水管排水方式。閘墻硐室長度20.5 m,其中防水閘墻墻體段長度8.5 m,防水閘墻前后混凝土加強支護長度均為6.0 m,采用錨網(wǎng)索噴+混凝土砌碹支護方式,支護厚度500 mm。拱碹及鋪底混凝土強度等級均為C40,噴射混凝土強度等級為C20。工作面正巷防水閘墻墻體段巷道底板距1號煤層頂板約1.63~2.23 m。

        3 設(shè)計原則

        3.1 選擇原則

        (1)所選的位置應(yīng)盡可能地避免井下工作面回采擾動的影響;(2)應(yīng)盡可能選擇在煤巖層條件較好的巖層內(nèi);(3)嚴(yán)禁在斷層、陷落柱等構(gòu)造附近及松散破碎的巖層中布置防水閘墻;(4)防水閘墻布置應(yīng)避免多煤層開采擾動因素對其產(chǎn)生不必要的影響;(5)當(dāng)?shù)V井水文地質(zhì)條件復(fù)雜時,在進(jìn)行防水閘墻設(shè)計時,必須在其附近保留足夠的防水煤(巖)柱避免水患災(zāi)害威脅。

        3.2 位置選擇

        1-203工作面正巷巷道內(nèi)巖性為粉砂巖,根據(jù)礦井地質(zhì)報告,防水閘墻處承受底板水壓為5.7 MPa。墻體材料為鋼筋混凝土,混凝土型號選用C40,軸心抗壓為19.1 MPa,軸心抗拉強度為1.7 MPa。再根據(jù)1-203工作面正巷外段圍巖性質(zhì)及其穩(wěn)定性,決定把防水閘墻設(shè)計在1-203工作面正巷距離二采區(qū)回風(fēng)巷巷幫約103 m位置處,對所選取的位置進(jìn)行鉆孔取樣,進(jìn)行巖石力學(xué)測試。測試結(jié)果得到巖石的強度指標(biāo)為:抗壓強度23.3 MPa,破壞載荷39.21 kN??紤]到巖石的尺度效應(yīng),井下建設(shè)防水閘墻時圍巖應(yīng)力條件存在一定的差距,因此,設(shè)計時根據(jù)現(xiàn)場實際情況對安全系數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

        3.3 防水閘墻墻體厚度計算

        墻體厚度計算公式為:

        式中:L為防水閘墻墻體的長度,m;P為防水閘墻墻體的水壓,N/mm2(MPa);γ0為結(jié)構(gòu)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20~1.75,水壓大、硐室凈斷面積大時取大值,取1.75;Li為防水閘墻墻體應(yīng)力衰減段計算長度,m;ln為自然對數(shù)符號;ft為混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值,N/mm2;L0為防水閘墻墻體應(yīng)力回升段長度,1.0~2.0 m,取2.0 m。

        3.4 墻體嵌入圍巖深度計算

        墻體嵌入圍巖深度計算公式為:

        式中:E為防水墻體嵌入圍巖深度,m;fc為素混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值,根據(jù)混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值應(yīng)乘以0.95確定,N/mm2(MPa);S2為防水閘墻硐室最大掘進(jìn)斷面面積,m2;γsd為作用不確定系數(shù),取1.20~2.0,當(dāng)?shù)V井水壓較大、硐室凈斷面積大時,應(yīng)取大值,取2.0;S為防水閘墻墻體前后巷道凈斷面積,m2;E為防水閘墻墻體嵌入圍巖深度(含砌壁厚),m;h3為防水閘墻墻體前后巷道墻高,取1.6 m。

        4 防水閘墻結(jié)構(gòu)形式方案

        本次主要考慮倒截錐形和注漿楔形兩種結(jié)構(gòu)形式,從理論計算、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行比較。

        4.1 方案一:倒截錐形方案

        根據(jù)《煤礦井底車場硐室設(shè)計規(guī)范》,倒截錐形宜用于承受水壓大于1.6 MPa的防水閘門硐室,經(jīng)計算,E=1.4 m,L=7.5 m。倒截錐形防水閘墻如圖2。

        圖2 倒截錐形防水閘墻

        4.2 方案二:注漿楔形方案

        由于防水閘墻斷面復(fù)雜、施工及支護難度大、工程費用高,提出注漿楔形結(jié)構(gòu),承受高壓來水。注漿楔形防水閘墻暫無計算公式,根據(jù)井下施工實際,取E=1.4m,L=7.5m。注漿楔形防水閘墻如圖3。

        圖3 注漿楔形防水閘墻

        5 數(shù)值模擬

        5.1 模型建立

        為研究防水閘墻修建后周圍應(yīng)力變化規(guī)律,以干河煤礦1-203工作面地質(zhì)資料為工程背景,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維模型如圖4。尺寸為:X、Y、Z方向分別取70 m、20 m、17.4 m。模型上部邊界深度594 m,容重25 kN/m3,垂直應(yīng)力為14.55 MPa。計算中采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞,采用應(yīng)變軟化模型以反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強度逐步降低的性質(zhì)。

        圖4 數(shù)值計算模型

        5.2 方案一:倒截錐形方案

        受到高壓來水后,倒截錐形防水閘墻位移及應(yīng)力分布如圖5。

        圖5 倒截錐形防水閘墻應(yīng)力及位移分布圖

        由圖5可知:倒截錐形防水閘墻應(yīng)力在圍巖內(nèi)呈現(xiàn)環(huán)狀擴散,無應(yīng)力集中現(xiàn)象,在倒截錐的尾部會產(chǎn)生拉應(yīng)力,此處易發(fā)生拉應(yīng)力破壞產(chǎn)生裂隙,但對整個防水閘墻穩(wěn)定性無影響,且局部裂隙不會發(fā)生貫通現(xiàn)象。因此,倒截錐形結(jié)構(gòu)防水閘墻可以穩(wěn)定承載5.7 MPa來水壓力。

        5.3 方案二:注漿楔形方案

        受到高壓來水后,注漿楔形位移及應(yīng)力分布如圖6。

        圖6 楔形結(jié)構(gòu)水閘墻的應(yīng)力與位移分布云圖

        由圖6可知:閘墻內(nèi)無應(yīng)力集中現(xiàn)象,高壓水對防水閘墻的應(yīng)力隨著圍巖深度的增加逐漸擴散,但擴散角度呈現(xiàn)銳角,擴散范圍小。由位移分布云圖可知,巷道圍巖內(nèi)位移等值線仍貫通巷道圍巖,因此,該結(jié)構(gòu)易形成貫通巷道的裂隙,從而形成導(dǎo)水通道。

        6 設(shè)計方案對比分析

        本次優(yōu)化基于高水壓礦井地質(zhì)條件,通過上述數(shù)值方法對注漿楔形結(jié)構(gòu)防水閘墻以及倒截錐形結(jié)構(gòu)防水閘墻兩種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析,得到各方案的優(yōu)缺點見表1。

        表1 方案優(yōu)缺點比較

        雖然方案二在工程量、施工工藝及投資上優(yōu)勢較明顯,但巷道承受水壓效果不理想且施工工藝復(fù)雜;方案一雖施工工程量大,但承受水壓大,結(jié)合工程實際和規(guī)范要求,設(shè)計推薦方案一。

        7 結(jié)語

        干河煤礦工作面承受水壓高達(dá)5.7 MPa,本次推薦倒截錐形防水閘墻。該結(jié)構(gòu)防水閘墻雖工程量大,但是高壓來水后,圍巖內(nèi)無應(yīng)力集中現(xiàn)象,可以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)抵抗高壓水來壓。倒截錐形防水閘墻可適應(yīng)越來越復(fù)雜的水文地質(zhì)條件,優(yōu)勢較為明顯,消除了礦井的安全隱患,保障了礦井安全生產(chǎn),未來在井下水文地質(zhì)類型復(fù)雜或極復(fù)雜的礦井具有較大推廣意義。

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