矿井防水闸门的设计与应用

付金阳

(山东能源临沂矿业集团设计院)

矿井防水闸门的设计与应用

付金阳

(山东能源临沂矿业集团设计院)

王楼煤矿属水文地质复杂型矿井，其南翼采区可采及局部可采煤层共4层，预计开采时的正常涌水量为672 m3/h。为此，在-680 m水平南翼轨道、胶带大巷分别设置一道防水闸门，设计水压均为7.1 MPa，以确保矿井安全生产。

防水闸门 水压计算 硐室注浆

王楼煤矿南翼采区可采及局部可采煤层为10下、12下、16上、17煤，其补给水源为五—九灰及十—十三灰，预计正常涌水量共672 m3/h，属水文地质条件复杂型矿井。因矿井南翼开采时涌水量较大，所需潜水泵功率较大，需对矿井现有供电系统进行扩容改造，并需另行敷设排水管路，耗费较大。为此，该矿决定在-680 m水平南翼轨道、胶带大巷分别设置一道防水闸门，确保矿井安全生产。

1 防水闸门

1.1 确定防水闸门位置

根据《煤矿安全规程》要求，防水闸门应设于坚硬、稳定、完整致密的岩层中，避开岩溶断层、节理、裂隙发育地带，硐室应设在小断面和直线巷道中，四周留有保护煤、岩柱，严禁受采动影响，不宜设在煤层中。经井下实际勘察，两道防水闸门均设于-680 m 水平南翼轨胶第一联络巷中心以外21 m处，硐室四周围岩均为泥砂岩夹层(3上煤底板)，岩石完整坚硬，具有较高的抗压强度和抗渗水性能，稳定性良好。

1.2 防水闸门设计依据

(1)设计静水压力P：

P=ρgh，

(1)

式中，ρ为水密度，1 000 kg/m3；h为最大水头高度，奥灰水的静水位标高为+28.0 m，南翼轨道大巷防水闸门硐室底板标高为-678.5 m，h=706.5 m，南翼胶带大巷防水闸门硐室底板标高为-678.2 m，h=706.2 m。

为保留一定的安全系数，对两道防水闸门设计水压均取值为7.1 MPa。

(2)涌水量。①10下煤层为局部可采煤层,其上距三灰30.00～47.60 m,一般情况下三灰对10下煤层开采影响不大;②开采12下煤层顶板进水含水层主要为五—七灰，个别地段影响至三灰，在煤层露头附近可影响至第四系下组;③12下煤层底板为石灰岩(八)，平均厚2.07 m，12下煤层下距九灰11.97～19.06 m，平均15.70 m，因此八—九灰为开采12下煤层的底板进水含水层，预计开采10下及12下煤层时正常涌水量为42 m3/h;④十下灰与十一灰是开采16上、17煤层的直接充水含水层,16上煤层在-350 m、17煤层-300 m以下存在奥灰水底鼓威胁,预计开采16上、17煤层时正常涌水量为630 m3/h。

因此，预计南翼煤层开采时总的正常涌水量为Q=672 m3/h，预计最大涌水量为正常涌水量的1.5倍，为1 008 m3/h。

(3)防水闸门结构形式。根据设计水压P=7.1 MPa，考虑到围岩状况，设计采用倒截锥形计算公式对防水闸门硐室墙体参数进行计算。

(4)混凝土强度设计值。选用C30混凝土砌筑防水闸门，水泥标号P.O32.5，配比为m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)=0.5∶1∶1.5∶2.5。其轴心抗压强度[σ]=15 MPa，抗拉强度为1.5 MPa。

1.3 防水闸门的选择

根据-680 m水平南翼轨道、胶带大巷防水闸门硐室设计最大静水压7.1MPa，选择ML-90型薄壳矿用防水闸门，门扇规格为2.40 m×2.32 m，闸门允许压力9.00 MPa。

1.4 防水闸门墙体尺寸计算

根据防水闸门硐室、闸阀、管路、门扇安装及运输、通风、行人等要求，确定前后硐室断面形式及硐室主体。

根据前后室特征、岩体抗压强度及C30混凝土抗剪强度，按照《采矿工程设计手册》 “倒截锥形防水闸门硐室砌体长度和厚度计算方法”中的有关规定，确定硐室主体长度及宽度。

以-680 m水平南翼轨道大巷防水闸门硐室为例，计算其墙体支护参数。

(1)防水闸门墙体应力衰减段计算：

Li=[ln(γ0γfγdP)-ln(ft)]/0.398 6 ,

(2)

式中,Li为防水闸门墙体应力衰减段计算长度，m;γ0为结构的重要性系数，取1.1；γf为作用的分项系数，取1.3；γd为结构系数，取1.2；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值,取1.5 N/mm2。

将各参数代入式(2)，计算得Li=5.255 m.

(2)防水闸门墙体长度计算。防水闸门墙体长度为防水闸门墙体应力衰减段计算长度与防水闸门墙体应力回升段计算长度之和，即防水闸门墙体长度为7.255 m，取8 m。

(3)防水闸门硐室最大掘进断面积计算：

S2=(γ0γfγdγsdP+fcc)S/fcc,

(3)

式中,γsd为作用不定性系数，水压大、围岩抗压强度低者取大值，取2.0；fcc为素混凝土的轴心抗压强度设计值，其值由理论值表中查取的轴心抗压强度设计值fc乘以0.95确定，fc=15 N/mm2；S为防水闸门墙体前、后巷道净断面积，为11.84 m2。

(4)防水闸门墙体嵌入围岩深度计算：

(4)

式中，E为防水闸门墙体嵌入围岩深度(含砌壁厚)，m；B为防水闸门墙体前、后巷道净宽，为4.0 m；H3为防水闸门前、后巷道墙高，为1.39 m。

将各参数代入式(4)计算得E=1.749 m.

考虑到硐室施工对围岩的影响、围岩的均匀性等，为保证硐室的安全性和可靠性，取E=2.0 m.

根据以上计算结果，确定-680 m水平南翼轨道大巷防水闸门硐室长度为8.0 m，墙体嵌入深度为2.0 m。

同样计算-680 m南翼胶带大巷防水闸门硐室长度为8.0 m，墙体嵌入深度为2.0 m。

按照《煤炭安全规程》的相关规定，结合该矿井下实际条件，在各防水闸门硐室前、后两侧，分别砌筑长6 m、厚0.5 m C30的混凝土护碹。

1.5 管路与闸阀的选择

(1)排水管的选择。据《煤矿工程设计手册》表5-12-6及《王楼煤矿南翼补充勘察报告》，预计矿井南翼开采时正常涌水量、最大涌水量，选取管直径D=400 mm，坡度i=10‰,管子充水高度系数0.7，流速V=582.8 m3/h。为留有一定的富裕，铺设两排管路，管路内径均为400 mm，排水能力达到1 165.7>1 008 m3/h。

确定选用D450×18无缝钢管作为放水管,可满足要求。

(2)电缆管的选择。选用7条D114×6无缝钢管，其中2条作为电缆管，4条作压风管、防尘水管、泄气管和监测电缆管，1条作备用管。

(3)闸阀的选择。根据最大静水压力7.1 MPa，放水管安放CZ40H-64型DN400闸阀;压风管、防尘水管、泄气管、监测电缆管安放CZ40H-64型DN100闸阀;电缆管采用法兰盲盖，盲盖厚度和法兰厚度相同。

1.6 硐室注浆

采用325#普通硅酸盐水泥反复注浆，最终注浆压力必须达到10.65 MPa，即防水闸门设计承压的1.5倍。

为进行壁后高压注浆，需根据设计或现场条件，在浇筑混凝土的同时埋设注浆管。注浆管按浆液扩散半径1.3 m布置，间排距不大于2.5 m，注浆管外露0.3 m。

注浆时采用P.O32.5水泥单液注浆，水灰比(质量比)采用0.5∶1。每条注浆管注浆次数不少于3次，注浆压力不小于10.65 MPa，且进浆量不大于20 L/min。注浆结束后必须将全部注浆管用M10砂浆封堵。

1.7 活动轨铺设、篦子门

为确保一旦发生水患时能及时关闭闸门，要求在轨道大巷防水闸门处设活动轨。活动轨与固定轨均放置在焊接槽钢内，用圆柱插销固定；在胶带大巷防水闸门处采用易于拆卸的皮带支架。

为防止来水后杂物堆积在闸门上影响关门，要求在闸门里端距离水闸门15～25m处设置一道篦子门，箅子门采用9#角钢和φ10mm圆钢焊接而成。

2 防水闸门硐室施工技术要求

①施工前要做混凝土配比试验，保证混凝土强度不低于C30；②防水闸门硐室施工原则上采用风镐掏槽，确实困难时允许放小炮，但必须明确炮眼每孔装药量，根据实际情况尽量少打眼，减少对围岩的破坏，掏槽后必须把活石、碎矸清理干净；③浇筑混凝土前必须将防水闸门硐室两帮及顶底板冲刷干净；④必须确保混凝土拌料均匀，保证浇筑的连续性,配合振捣器振捣，特别要加强硐室顶部的混凝土振捣；⑤注浆管出浆口要放入预先凿好的岩窝内，用水泥袋或牛皮纸包住管口，并用石子埋填，岩窝直径和深度100 mm左右；⑥混凝土浇筑过程中，分前、中、后留取不少于3组混凝土试块，在井下养护期满后，及时进行强度试验。

3 结 语

防水闸门可将矿井开采引发时的突水控制在一定区域内，不影响其他区域的安全生产，保证井下作业人员的安全，减少矿井因突水造成的经济损失，也为其他矿井解决类似问题提供了经验。

[1] 张荣立，何国纬，李 铎.采矿工程设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[2] 苗河根.深井高压防水闸门硐室试验研究[J].矿山压力与顶板管理，2002(3)：98-100.

2015-04-03)

付金阳(1982—)，男，工程师，276017 山东省临沂市。