王 昕，高保彬，吳洋洋

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455000)

礦井水害仍是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要原因[1]。由于資源枯竭與國(guó)家淘汰落后產(chǎn)能政策的實(shí)施，眾多煤礦紛紛退出產(chǎn)能[2]，礦井的關(guān)閉加之地上降水的影響，勢(shì)必造成閉坑礦井老孔區(qū)積水量增大，對(duì)周?chē)a(chǎn)礦井構(gòu)成威脅[3，4]。在巷道聯(lián)通的情況下，設(shè)立防水閘墻成為隔絕相鄰礦井老空水的有效手段。現(xiàn)階段針對(duì)防水閘墻的設(shè)計(jì)研究較為成熟全面[5，6]；針對(duì)不同圍巖情況以及不同水壓條件下施工技術(shù)也形成一定的成果[7-13]，新材料在硐室中的應(yīng)用，也為防水閘墻的施工提供了更多選擇[14]。防水閘墻在服役過(guò)程中由于其來(lái)水側(cè)水壓的增加，須對(duì)防水閘墻進(jìn)行加固處理，如何保證施工過(guò)程的安全以及新建防水閘墻的有效性成為防水閘墻加固施工中必須考慮的問(wèn)題。本文針對(duì)主焦煤礦防水閘墻加固施工，從以往工程、施工安全以及成本控制多角度出發(fā)進(jìn)行施工方案優(yōu)選，為同類(lèi)型防水閘墻加固提供了工程參考。

1 工程概況

1996年8月，由于連降暴雨，岳城水庫(kù)水位猛漲，水位標(biāo)高已近+140m，與主焦煤礦相鄰的崗子窯煤礦發(fā)生淹井事故。為確保主焦煤礦的安全，在崗子窯煤礦與主焦井相貫通的-40m水平北翼大巷設(shè)置一道水閘墻，切斷與崗子窯方面的涌水通道。后由于防水閘墻距離巷道口較遠(yuǎn)，形成盲巷不便于維護(hù)，于1999年又在距-40m水平北翼大巷進(jìn)風(fēng)口4m處建一道防水閘墻，位置關(guān)系如圖1所示。2018年，由于周邊礦井關(guān)閉，現(xiàn)采空區(qū)水位上漲至+140m左右，最大靜水壓力為1.80MPa，需對(duì)第二道防水閘墻進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

圖1 防水閘墻位置

第二道防水閘墻距-40m水平北翼大巷進(jìn)風(fēng)口4m，圍巖巖性為砂巖，普氏硬度系數(shù)f=4～6，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，斷面尺寸寬×高=3.0m×2.4m，防水閘墻墻體厚度3m，巷道圍巖現(xiàn)狀良好，整體性沒(méi)有變化，經(jīng)過(guò)多年觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

2 設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)-40m水平北翼大巷設(shè)置兩道防水閘墻，相距約67m，最外側(cè)防水閘墻距巷道口僅為4m，現(xiàn)所承受水壓約為1.80MPa，根據(jù)《煤礦井下車(chē)場(chǎng)及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50416—2017)第10.1.3條，應(yīng)選用倒截錐形結(jié)構(gòu)，但由于巷道長(zhǎng)度較短，無(wú)法重新設(shè)計(jì)施工。本次設(shè)計(jì)根據(jù)兩道防水閘墻之前的積水及壓力情況，提出以下兩個(gè)方案。

2.1 方案一：重建方案

首先施工一個(gè)探水孔，觀測(cè)兩道防水閘墻之間的積水及壓力情況，若積水較少、壓力不大時(shí)，能確保里面一道防水閘墻仍能起到抵抗采空區(qū)積水壓力，則將外面一道防水閘墻進(jìn)行拆除，重新在距巷道口5m處施工一道倒截錐形結(jié)構(gòu)防水閘墻，如圖2所示。

圖2 倒截錐形結(jié)構(gòu)防水閘墻設(shè)計(jì)方案

新設(shè)計(jì)的防水閘墻按承受的最大水壓值為2.5MPa進(jìn)行考慮，采用強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C30的混凝土。按照倒截錐形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即：

1)防水閘墻所處圍巖普氏硬度系數(shù)f<6，故α=20°，β不小于50°。

2)倒截錐形防水閘墻硐室長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

L=Li+L0(2)

式中，L為防水閘墻硐室長(zhǎng)度，m；Li為閘門(mén)墻體應(yīng)力衰減段計(jì)算長(zhǎng)度，m；L0為防水閘墻墻體應(yīng)力回升段長(zhǎng)度，一般為1～2m，取1.5m；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；γf為作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.75；P為水壓，取2.5MPa；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，選用C30混凝土，取1.5N/mm2。

3)防水閘墻硐室最大掘進(jìn)斷面積計(jì)算如下：

S2=(γo×γf×γd×γsd×P+fcc)×S/fcc(3)

式中，S2為硐室最大掘進(jìn)斷面面積，m2；fcc為素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，fcc=0.85fc，其中，fc為C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，取fcc=12.75N/mm2；γsd為作用不定性系數(shù)，一般為1.2～2.0，水壓大、圍巖抗壓強(qiáng)度較低者取大值，取2.0；S為防水閘墻墻體前、后巷道凈斷面積，m2。

4)防水閘墻硐室墻體嵌入圍巖深度計(jì)算公式如下：

式中，E為防水閘墻硐室墻體嵌入圍巖深度，m；h3為防水閘墻硐室前、后巷道墻高，m；S2為防水閘墻硐室最大掘進(jìn)斷面面積，m2；B為防水閘墻硐室前、后巷道凈寬，m。

將有關(guān)參數(shù)帶入上式計(jì)算得：-40m水平北翼大巷防水閘墻硐室長(zhǎng)度為6.5m，最大掘進(jìn)斷面積為7.69m2，嵌入圍巖深度為0.8m。方案一設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 防水閘墻設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 方案二：加固方案

若兩道防水閘墻之間的積水及壓力情況探測(cè)不清，無(wú)法確定里面一道防水閘墻是否完好、是否仍能抵抗采空區(qū)積水壓力，則設(shè)計(jì)考慮對(duì)外側(cè)防水閘墻進(jìn)行加固。最外側(cè)防水閘墻距巷道口僅為4m，設(shè)計(jì)在外側(cè)防水閘墻后再施工一道4m厚防水閘墻，采用混凝土澆筑，強(qiáng)度等級(jí)為C30。防水閘墻底部呈楔形布置，側(cè)臥底至底板以下1000mm，另一側(cè)臥底至底板以下500mm。最外側(cè)防水閘墻加固如圖3所示。

圖3 外側(cè)防水閘墻方加固設(shè)計(jì)方案

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

3.1 數(shù)值模擬模型建立

運(yùn)用巖土分析軟件Midas gts nx建立數(shù)值模型，對(duì)比兩方案在圍巖壓力及水壓環(huán)境下防水閘墻的應(yīng)力分布以及相對(duì)于圍巖的切向變形移動(dòng)，綜合考慮兩方案施工風(fēng)險(xiǎn)以及施工成本，最終進(jìn)行方案的確定。防水閘墻采用C30混凝土澆筑，圍巖巖性為砂巖，其力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖土參數(shù)

建立模型沿巷道方向長(zhǎng)為11m，高為12.4m，寬為14.4m，防水閘墻模型尺寸與實(shí)際完全相同。采用基于摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，在模型四周及底面施加位移固定邊界條件，根據(jù)實(shí)測(cè)上覆圍巖壓力，在模型上部單元面施加20MPa的覆巖壓力，并在防水閘墻迎水面施加2.5MPa水壓。方案一和方案二的防水閘墻數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 防水閘墻數(shù)值模型

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力分析

在圍壓、水壓作用下防水閘墻應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖5所示，通過(guò)對(duì)比圖5(a)、5(c)可以看出，在上覆巖層壓力與水壓的共同作用下，楔形防水閘墻迎水端中部主要受到水壓作用，形成橫向方向的壓應(yīng)力分布，最大應(yīng)力為2.45MPa，在迎水端上部構(gòu)件與巷道上部在水壓作用下有分離趨勢(shì)，形成拉應(yīng)力分布，在迎水端下部受水壓與圍巖以及自身重力的共同作用形成壓應(yīng)力分布，最大為5.3MPa。楔形防水閘墻內(nèi)部受水壓影響較小，其應(yīng)力分布主要受到上覆巖層壓力的作用，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體分布為壓應(yīng)力。楔形防水閘墻的背水端上部區(qū)域內(nèi)受水壓作用極為有限，在巷道覆巖壓力下產(chǎn)生頂板下沉變形，與防水閘墻構(gòu)建在橫向有分離趨勢(shì)，分布為拉應(yīng)力，背水端下部由于防水閘墻自重以及覆巖壓力的共同作用，也會(huì)有壓應(yīng)力分布。對(duì)比方案一及方案二，其應(yīng)力分布并無(wú)較大差別，構(gòu)件受力相似且均處于混凝土材料所能承受的范圍內(nèi)。

圖5 防水閘墻應(yīng)力分布

3.2.2 位移分析

防水閘墻橫向位移模擬結(jié)果如圖6所示，對(duì)比圖6可以發(fā)現(xiàn)，兩種方案的防水閘墻在橫向位移極小，最大值僅為0.18mm，說(shuō)明在此圍巖環(huán)境下，防水閘墻有較好的穩(wěn)固性。但通過(guò)對(duì)比兩方案的橫向位移云圖，可以發(fā)現(xiàn)方案一中防水閘墻及周?chē)鷩鷰r移動(dòng)范圍稍大。

圖6 防水閘墻橫向位移

就數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，方案一與方案二均可實(shí)施。針對(duì)數(shù)值模擬中的應(yīng)力分布、位移，對(duì)防水閘墻施工應(yīng)提出以下技術(shù)要求：①在防水閘墻所處巷道以及防水閘墻結(jié)構(gòu)周?chē)鷩鷰r內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，提升巷道圍巖的整體性，可采用錨桿或錨索支護(hù)；②在防水閘墻端部巷道應(yīng)根據(jù)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行工字鋼補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以減少巷道圍巖的變形與應(yīng)力。

3.3 施工安全性分析

1)由于-40m北翼水平大巷于1996和1999年分別施工過(guò)第一道與第二道防水閘墻(如圖1所示)，需加固的第二道防水閘墻距今時(shí)間較長(zhǎng)，此處便有兩個(gè)問(wèn)題：第一是無(wú)法判斷第一道防水閘墻的擋水效果如何，在兩道防水閘墻之間是否存在積水且積水壓力與成分無(wú)法判斷；第二是兩道防水閘墻之間是否存在有毒有害氣體。在未知情況下若選擇方案一，貿(mào)然拆除原有閘墻進(jìn)行重新施工，則會(huì)有較大的危險(xiǎn)性。

2)從巷道圍巖受施工擾動(dòng)破壞的角度來(lái)看，拆除原有防水閘墻，勢(shì)必會(huì)對(duì)圍巖進(jìn)行擾動(dòng)，破壞其整體性，增加圍巖裂隙產(chǎn)生，在施工后注漿不嚴(yán)的情況下形成導(dǎo)水通道，威脅礦井安全。

綜上所述，在綜合考慮堵水效果、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移以及安全性之后，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種方案在堵水效果以及結(jié)構(gòu)安全性方面相差不大，但方案二卻在施工安全性方面有巨大優(yōu)勢(shì)。在此情況下對(duì)比兩方案經(jīng)濟(jì)性也可發(fā)現(xiàn)，方案一工序繁雜且耗材量大，在費(fèi)用方面較方案二有極大劣勢(shì)。所以此次防水閘墻施工推薦選用方案二。

4 防水閘墻加固施工工藝

防水閘墻外側(cè)加固施工步驟主要有以下幾步：首先是巷道擴(kuò)挖及防水閘墻圍巖的支護(hù)；第二是防水閘墻澆筑；第三是預(yù)埋注漿管注漿；最后為巷道圍巖注漿。

4.1 巷道擴(kuò)挖及支護(hù)

巷道挑頂、擴(kuò)幫、挖底時(shí)應(yīng)采用風(fēng)鎬施工，禁止放炮掏槽，以保證圍巖穩(wěn)定、完整?？扉_(kāi)挖至設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，應(yīng)用手稿或風(fēng)鎬剔至設(shè)計(jì)尺寸。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，防水閘墻上部覆巖應(yīng)力會(huì)在防水閘墻內(nèi)部、閘墻與巷道連接處形成應(yīng)力集中，長(zhǎng)時(shí)間作用下，可能導(dǎo)致防水閘墻的破壞。這就要求在防水閘墻施工中，首先應(yīng)加強(qiáng)防水閘墻周?chē)鷩鷰r的支護(hù)，提高巷道的穩(wěn)定性，減弱閘墻內(nèi)部應(yīng)力集中[15，16]。

防水閘墻錨桿布置如圖7所示，在巷道頂部及幫部均勻布置?20mm×2400mm樹(shù)脂錨桿，每排8根，錨桿間距為0.7m，排距為0.8m，垂直巷道輪廓線布置，外漏0.5m左右，錨桿采用1卷CK2335和2卷Z2335錨固劑錨固。

圖7 巷道支護(hù)布置(mm)

4.2 澆筑防水閘墻

新防水閘墻的澆筑緊貼舊防水閘墻背水面，由于舊防水閘墻墻面長(zhǎng)期風(fēng)化，若直接澆筑會(huì)造成兩道防水閘墻之間貼合不緊。為施工后兩閘墻具有最好的整體性，在澆筑前，應(yīng)首先對(duì)墻面進(jìn)行預(yù)處理，鑿去松動(dòng)的石子，造成凸凹面，并且將風(fēng)化、變質(zhì)、蜂窩、麻面和酥松部分去除，再?zèng)_水加以濕潤(rùn)，并沖洗干凈表面礫石。在澆筑新防水閘墻之前，原表面用熱鹼水刷洗干凈，然后立即用清水沖洗至凈，而后進(jìn)行混凝土澆筑。

防水閘墻墻體采用C30混凝土分段一次連續(xù)澆筑，澆筑前預(yù)埋?18mm×3000mm鋼筋，間排距1000mm×1000mm。若一次連續(xù)澆筑確有困難，則分兩次進(jìn)行，但務(wù)必保證澆筑面的干凈，且間隔時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2h。混凝土入模時(shí)，須用插入式振搗棒邊振搗邊澆筑。分段澆筑時(shí)，應(yīng)按照要求埋設(shè)注漿管。要求混凝土澆注前固定好注漿管，注漿管要進(jìn)入實(shí)體圍巖1000mm，施工時(shí)用布包住孔口，防止注漿管被封堵。

4.3 預(yù)埋注漿管注漿

防水閘墻施工完畢后，對(duì)防水閘墻進(jìn)行注漿，重點(diǎn)對(duì)墻體與巷道之間縫隙以及圍巖進(jìn)行注漿。預(yù)埋注漿管布置如圖8所示。在混凝土澆注10d后進(jìn)行壁后注漿，注漿前先注清水后注漿液。注漿時(shí)先注底板，然后再注巷幫，最后注頂板；底板注漿時(shí)應(yīng)從里向外，從右向左進(jìn)行；巷道幫部注漿時(shí)應(yīng)從里向外，從下向上；頂板注漿時(shí)從里向外，從右向左進(jìn)行；應(yīng)首先注里部最長(zhǎng)注漿管，再注中部次長(zhǎng)注漿管，最后注外部最短注漿管，同類(lèi)型的注漿管應(yīng)間隔一個(gè)注漿管注漿，確保漿液凝固和重合，以達(dá)到混凝土和巷道巖面全部注入漿液的效果；注漿使用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8∶1，實(shí)際注漿時(shí)壓力上升、吸漿量減少，逐級(jí)調(diào)低漿液濃度，吸漿量大、不升壓、跑漿則應(yīng)逐級(jí)調(diào)高漿液濃度。注漿設(shè)計(jì)壓力為4MPa，應(yīng)反復(fù)對(duì)壁后進(jìn)行注漿，不得少于三次，其注漿最終壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)水壓的1.5倍。

圖8 預(yù)埋注漿管與圍巖注漿管布置

4.4 圍巖注漿

為保證防水閘墻不漏水，對(duì)防水閘墻頂板圍巖裂隙進(jìn)行注漿，采用3根?20mm×2500mm注漿管，注漿管長(zhǎng)度2500mm，注漿管分別布置在頂板中心線和頂板梁窩處，注漿管和水平面呈25°，注漿管外露500mm，采用錨桿機(jī)打眼，打眼深度5000mm，注漿管深入孔內(nèi)2000mm，注漿管采用1卷CK2335和2卷Z2335樹(shù)脂錨固劑在注漿孔口固定。圍巖注漿的設(shè)計(jì)壓力為4MPa，應(yīng)反復(fù)注漿，不得少于三次，其注漿最終壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)水壓的1.5倍。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)主焦煤礦-40m北翼水平大巷防水閘墻的兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，得出拆后重建方案與加固方案的應(yīng)力分布與位移差別不大，兩方案均可實(shí)施。但從安全性與經(jīng)濟(jì)性角度分析來(lái)看，加固方案明顯優(yōu)于拆除重建方案。

2)根據(jù)兩年內(nèi)對(duì)防水閘墻的巡檢情況，可看出防水閘墻及巷道未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，防水閘墻有較好的堵水效果，有效隔絕了相鄰礦井老空水的涌入，保證了主焦煤礦的安全生產(chǎn)。