高强度分解冲击力型防水密闭的研究与应用

吴殿文

（大同煤矿集团有限责任公司白洞矿业公司山西大同037003）

1 引言

煤矿在生产过程中，在不允许风流通过和不需要通行的巷道必须构筑永久密闭，以便于提高矿井风量利用率、增加生产过程中的安全系数、增强矿井抗灾能力。但由于密闭封闭区域可能存在水患、火情、围岩压力大等不稳定因素，因此在特殊地点构筑密闭时需对密闭进行加固处理，以防止密闭损坏发生矿井灾害事故，造成人员伤亡和经济损失。

煤峪口矿井田东部3#层、9#层煤分别在60至70年代回采结束。根据地质科提供的地质水文资料，目前该矿井田东部的3#层、9#层采空区积水量达242.2万m3。根据物理力学实验结果得出，3#煤层顶板岩石抗压强度、抗拉强度、抗剪强度（MPa）分别为：33.61～125.74、1.02～12.24、4.67～18.68；9#煤层顶板岩石抗压强度、抗拉强度、抗剪强度（MPa）分别为：28.1～125.5、1.97～4.03、1.89～8.39，底板岩性总体强度不高，抗压强度在40 MPa～60 MPa之间。井田工程地质类型为Ⅲ类Ⅰ型，属于工程地质条件简单矿井。针对该矿发生的两起采空区密闭涌水量突然增大事故，为防止采空区密闭被水冲垮，必须对存在水灾隐患的区域重新构筑防水密闭。由于目前防水密闭并无相关明确规定，因此，为提高抗水灾能力，防止采空区密闭被积水冲垮而发生水灾事故，设计一种结构简单且抗水能力强的防水密闭是非常必要的。

2 密闭构筑设计及革新点

2.1 高强度分解冲击力型防水密闭的构筑

（1）密闭结构

图1 密闭正视图

图2 密闭左视图

图3 密闭俯视图

①密闭里墙厚2 m内侧构筑缓冲墙，外墙厚2 m中间充填3 m粉煤灰。

②缓冲墙规格如密闭三视图所示，拱形墙后1 m并向前延生3 m。

③在密闭外墙0.5 m处构筑0.5 m厚1.5 m高的挡水墙，挡水墙距板1.2 m处留设一根8寸排水管。

④外墙距顶板0.3 m处留设2根注射孔，便于为密闭中间墙体充填粉煤灰。

⑤构筑密闭里墙和外墙时，在墙内横竖分别均匀布置3根工字钢，横3根靠里，竖3根靠外，并在交叉点固定连接。

⑥将付水平斜井底原有密闭观测孔引致新建密闭外，并在密闭距地板0.6 m处留设一个8寸反水孔，便于密闭的观察与管理。

（2）施工工艺及技术要求

①密闭必须建筑在顶底板坚硬的煤岩上，四周要掏槽，其规格为：左手帮槽深为见实煤后的0.5 m，右手帮槽深为见实煤后的0.8 m，底槽为见实煤后的0.2 m，掏槽宽度要大于密闭厚度的0.3 m，密闭与槽壁之间必须用水泥砂浆灌注严实。

②构筑密闭墙时的6根工字钢，每个交叉点都用抱箍抱紧并浇筑。

③砌墙时，必须将底槽内浮煤清理干净，先铺一层砂浆(砂浆要求：水泥、砂子的比例为1:3)，再砌墙基。

④砌墙时，要分层砌起，片石要相互压茬、砌齐、砌正，不得出现通缝，同时每砌一层片石，必须用水泥砂浆灌注一次，要严密不留空洞。

⑤抹面材料使用水泥砂浆，抹面时，要求平直、光滑不漏风，(1 m长度内凸凹高差不大于10 mm)，无裂缝、重缝、空缝。在抹面的同时，密闭周边要抹有0.2 m的裙边，抹面次数不得少于两次。

2.2 革新内容

（1）墙内架设工字钢，进一步提高抗压强度

对密闭结构进行改造，在构筑密闭里墙和外墙时，加入横竖均匀布置的工字钢，保证密闭墙体的坚固性和可靠性；

（2）增设缓冲墙，将冲击力分解

在现有密闭结构的基础上增加缓冲墙，用于在大量积水涌向密闭时，减小对密闭冲击力。之所以选择拱形结构的缓冲墙，从力学角度分析，平面墙所受压力为全部冲击力；而对于拱形结构来说，拱形墙墙体本身所受压力为冲击力在垂直拱形墙面上的一个分力，从而减小了密闭本身所受压力，增加了密闭的抗冲击性。

图4 密闭受力分析图

根据上图平面受力情况分析，可得，在垂直于X轴方向上的面受到的压力为：

略去二阶以下无穷小量后，等于

同理：对于弧形面，实际受到的压力为：

根据三角函数正弦定理可得在0°～90°范围之内sina＜1。

据上所述，弧形面（拱形面）受力小于平面，及拱形密闭抗压能力大于平面密闭。

拱形缓冲墙密闭抗压能力计算：

参《混凝土设施设计》矿井内密闭载荷计算方法，

式中：qmax—为最大抗压力MPa;

γf—为混凝土密度，煤密度1.38 t/m3;

γo—为采空区水密度，γo=1 t/m3;

Hw—为计算断面高度m;

HD—为计算断面距采空区积水高度m;

ζ—为侧压力系数，ζ=tan(45°-α/2);

根据现场实际，可得普通密闭抗压qmax=0.45 MPa。

考虑拱形缓冲墙密闭拱形面的卸压能力，缓冲墙与平面密闭起始夹角α=30°计算则，拱形缓冲墙密闭最大抗压：qmax=3.61 MPa

由此可得拱形缓冲墙密闭能比普通密闭多承压2.16 MPa,相当于14.85万m3静压水的压力。

（3）更换大直径反水管路，增大放水量

3 密闭设计实用性及效果分析

高强度分解冲击力型防水密闭在副水平斜井底的应用。

启封付水平斜井通900大巷绕道，在付水平斜井底原有密闭外10 m处重新构筑加固防水密闭一座。

以上方案在副水平斜井底的应用，合理有效地防治了该区域积水涌出，为矿井安全安全生产创造了良好的条件，取得了很好效果：

①反水孔换成8寸管道后，不存在堵管现象，免去掏管子的工作，节省了人力、物力，收到良好的经济效益和社会效益。

②增加拱形缓冲墙后，密闭与围岩共同承担水压作用，提高了密闭的抗冲击能力，为矿井安全生产创造了良好的环境。

现对楔形防水密闭与高强度分解冲击力型防水密闭在密闭墙厚度相同的条件下，所能承受的水压做如下对比：

按楔形公式计算：

式中:L——防水密闭墙墙体长度，m；

H——防水密闭墙墙体前、后巷道净高；

B——防水密闭墙墙体前、后巷道净宽；

α——凸缘基座支撑面与硐室中心线夹角，取α=30°；

γ0——结构的重要性系数，取1.1；

γf——作用的分项系数，取1.3；

γd——结构系数，取1.75；

fCC——混凝土的轴心抗压强度设计值，其值由规定的混;

凝土轴心抗压强度设计值fCC值乘以系数0.95确定，MPa。

取同样的参数H=2.17 m，B=3.32 m，密闭墙墙体长度L=7 m。

分别带入楔形计算公式得承受的水压P=3.02 MPa，带入本设计经计算得承受的水压p=11.04 MPa。

因此，高强度分解冲击力型防水密闭是目前使用的楔形防水密闭承受水压能力的3.6倍，效果显著。

4 结语

防水密闭在水文地质条件比较复杂或受水患威胁的矿井是必不可少的防水工程。我国煤矿随着开采进度的加剧，深度的增加，大多矿井面临水患问题。在治理方法上，都采用加固密闭墙体、改变密闭结构以及液压技术的应用等方法。高强度分解冲击力型防水密闭的构筑，承担水压效果较常规防水密闭设计简单、造价更低，使用方便，能起到显著的防水作用，进而有效治理水患问题，为矿井安全生产创造了良好的条件，带来了一定的经济效益和社会效益。