煤矿井下防水墙工程技术研究

1矿井水文地质及防水墙建设

1.1矿井水文地质情况

地表水:冯家塔井田内水系较为发育，黄河由北向南纵贯井田东部。井田南部为海则庙沟，北部为清水川，两河流自西向东在井田内汇入黄河，两河流均为常年流水，除降水期外流量不大，该区位置偏僻，矿业开发以前暂无水系高峰期和正常期流量数据。含水层:冯家塔井田内自上而下共有6个含水层组:第四系全新统冲洪积层孔隙潜水、第四系中更新统离石组黄土层孔隙潜水、碎屑岩类风化裂隙带孔隙裂隙潜水、碎屑岩类(含煤地层以上)孔隙裂隙承压水、碎屑岩类(含煤地层)孔隙裂隙承压水、碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水。本井田内，含煤地层以上含水层的富水性为弱至中等，含煤地层含水层中的五层砂岩砂体，分别夹杂在煤层与泥岩中，基本构成煤层的直接充水含水层，侵蚀基准面以上的煤层顶板砂岩含水层，含水量较小，富水性弱。侵蚀基准面以下的煤层顶板含水层为承压水，富水性为弱至中等。矿井充水条件:矿井充水水源有大气降水、地表水、老空区积水和地下水，大气降水及地表水为间接充水水源，主要补给地下水。矿井充水通道主要为开采引起的导水裂隙带，其次为断裂构造带。雨季尤其是暴雨时段，矿井充水强度极大。矿井涌水情况:矿井正常涌水量140m3/h，矿井最大涌水量408m3/h。随着采空区范围的扩大，矿井涌水量还会有增大趋势。冯家塔煤矿上组煤2012～2015年开采范围的综合水文地质类型为“中等”类型，下组煤综合水文地质类型为“极复杂”类型。

1.2防水墙建设必要性

2009年“8.1”突水事故发生后，公司立即启动冯家塔煤矿防治水工程，将矿井1201～1204工作面回采对地表塌冒区破坏情况和沟道上游的地形地貌进行了详细的调查、勘察，并就地表塌冒灾害情况进行了充分讨论分析，认为须进行1201工作面开采引起地表塌冒区的工程防治治理，以防备严重的洪水涌入井下灾害发生。由于所开采的2#煤层属于典型浅埋性煤层，工作面开采后在地面形成的塌冒区域，一旦处在山沟地带，则山体巨大的碎石磙落到河道，不仅堵塞了已经治理好的地表沟道，而且这些滚石的搬运处理也给地表水治理工程增加额外成本。根据矿井防治水规范的要求，在地面实施“堵”水的措施，若不能完全避免矿井水灾威胁，还需要在井下进行必要的“堵”水措施，以及同时考虑综合性的“疏，排”治水措施，形成地面和井下综合性防治水措施。

2防水墙技术性能设计及工程效果

2.1防水墙技术性能设计

防水墙位置:根据《煤矿安全规程》要求防水墙设在1201胶运大巷入口、1402胶运入口、1202回风大巷口，以及1402回风大巷出口等位置。本处主要以4#煤层的1402运输顺槽、回风顺槽的密闭墙为例，防水墙位置左右两侧为煤层，墙体顶部煤层顶板主要为粉砂岩、泥岩，底板主要为泥岩、粉砂岩、少量为炭质泥岩，岩石普氏系数为4～5。静水压力:1402运输顺槽闭墙处到地面垂距为184m，回风顺槽闭墙到地表垂距为187.2m，井下最高洪水位与防水墙所处的巷道底板高差，作为最大水压。据此确定最大静水压力为1.87MPa。巷道规格:防水墙所处的巷道断面为宽×高=5.5m×3.6m。巷道形状为矩形，锚网支护。混凝土强度和活荷载系数:防水墙混凝土强度指标，水泥标号325，按《混凝土结构设计规范(GB50010)》中规定，混凝土强度为C25(水泥∶沙子∶石子=1∶1.81∶2.95，重量比)。则防水墙混凝土活荷载系数取1.4。抗压强度(fc)标准取16.7MPa，核算设计取11.9MPa。抗剪强度(τ)标准取2.5MPa，核算设计取1.8MPa。防水墙厚度计算:结合现场实际情况，参考《混凝土结构设计规范(GB50010)》推荐方法，以及部分矿井经验计算方法，分别计算防水墙厚度。①按照墙体抗压抗剪强度计算。按直墙式防水墙厚度计算时，若不考虑钢梁加筋，则结果为1.47m;若考虑钢梁加筋，则结果为1.45m，按抗剪要求计算时，计算结果为1.13m，按混凝土抗剪强度计算时，结果为1.58m;②按抗渗要求计算墙厚。计算结果为6.22m;③防水墙厚度确定。通过以上计算，若按照混凝土抗剪压强度设计计算，则防水墙厚度分别为1.48m，1.13m，1.58m。若考虑抗渗要求的话，则防水墙厚度6.22m。为了确保安全，最后确定防水墙厚度为6.5m。

2.2防水墙工程及其效果

防水墙建造工程技术参数:矿井在构建防水墙时，设计了“混凝土支墙+楔形砖墙”复合建造方式。防水墙为夹层结构，中间混凝土墙厚5.5m，考虑两边夹的砖墙厚度，则总厚度6.5m。如图1和图2所示。①各防火挡水墙墙体左右掏槽深度不小于1000mm，上下不小于500mm，煤墙掏槽后外露锚杆长度为1000mm，在砌墙时将其压入墙体内，严禁拆除;如锚杆脱落，必须在其附近重新用20mm螺纹钢锚杆进行补打;②防火挡水墙墙体都为砖墙(墙体基础用混凝土块砌筑)，前后墙体厚度为均500mm，中间间隔5500mm用混凝土充填且必须振动捣实，墙体必须一次性砌筑完成。混凝土强度为C25(水泥∶沙子∶石子=1∶1.81∶2.95，重量比);③防水墙墙体观察孔用DN50管子并加阀门;措施孔用DN100管子并加设阀门和堵头。1402运输顺槽防火挡水墙墙体下部反水孔插U形管，管径为DN150，采空区侧预留长度为1150mm;1402回风顺槽防火挡水墙墙体下部反水孔插U形管，管径为DN200，与采空区内预埋DN200管路连接。墙体外外露长度为500mm，墙体砌好后反水孔要水封。防水墙投运效果检验:2012年7月21，府谷县大部分地区遭遇强降雨，矿井开采造成地表塌陷裂隙成为雨水涌入井下主要通道，现场统计，地表强降雨部分灌入井下，致使井下涌水量急剧增大。从井下各密闭墙出水情况来看，主要积水区域在1201、1202、1203、1401采空区。现场及时落实了汛期防汛应急预案，这场大雨对煤矿安全生产没有造成大的影响。2012年7月强降雨对矿井的影响，说明2009年实施的地面沟道治理工程对防治水起到了应有的作用。但矿井依然涌入约75800m3雨水，说明了仅仅实施地面“堵”水的措施，不能完全避免矿井水灾威胁。在综合治理措施中，“疏，排”水等措施经常应用于煤矿井下，所以，还需要在井下进行必要的“疏”水措施，形成地面和井下综合性防治水措施。

3结论

(1)从混凝土墙抗水压性能和防水墙的抗渗性考虑，混凝土墙体满足设计要求。经过2012年7月21日强降雨的考验，证明矿井的目前地面以及井下的综合防治水工程已经发挥了有效的作用，完全能够抵御强降雨对矿井生产的不利影响，且均符合《煤矿安全规程》以及《煤矿防治水规定》的有关要求。(2)按照设计计算，施工6.5m厚的高强度的防水墙，能够有效地控制涌水量，提高矿井的防灾抗灾能力，积极有效的避免淹井事故的发生，保证了矿井的安全生产，同时也为类似水灾事故治理提供了技术经验。

作者:陈印 魏引尚 任卓晨 陈铜宪 单位:清水川能源股份有限公司冯家塔矿业分公司 西安科技大学