奥陶系突水高压水闸墙设计与施工的若干问题实用教案

1、1、矿井(kungjng)水文地质工程地质条件 1.1 1.1 地质条件：地质条件： 地层地层井田井田(jn tin)(jn tin)内钻孔揭露的地层由老到新为：奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗内钻孔揭露的地层由老到新为：奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗白垩系、第白垩系、第三系、第四系。三系、第四系。第1页/共89页第一页，共90页。第2页/共89页第二页，共90页。第3页/共89页第三页，共90页。三河尖井田构造(guzo)纲要图 第4页/共89页第四页，共90页。 1.2 1.2 水文地质条件水文地质条件(tiojin) (tiojin) 三河尖煤矿位于半封闭的滕县背斜储水构造水文地质单元的西南侧

2、。根据三河尖煤矿位于半封闭的滕县背斜储水构造水文地质单元的西南侧。根据含水层岩性特征，空隙性质及地下水埋藏条件含水层岩性特征，空隙性质及地下水埋藏条件(tiojin)(tiojin)，可划分为三种，可划分为三种类型的含水层组：类型的含水层组： 孔隙潜水孔隙潜水- -承压含水层组承压含水层组 裂隙承压含水层组裂隙承压含水层组 岩溶裂隙承压含水层组岩溶裂隙承压含水层组 第5页/共89页第五页，共90页。 1.3 1.3 工程地质条件工程地质条件 主要研究主要研究2110221102工作面本次防治工作面本次防治(fngzh)(fngzh)水工程水工程2121煤及其顶底板的主要工煤及其顶底板的主要工程

3、地质类型的工程地质性质。程地质类型的工程地质性质。 第6页/共89页第六页，共90页。 1.4 211021.4 21102工作面突水情况工作面突水情况 21102 21102 工作面概况工作面概况位于太原组西一、西位于太原组西一、西二采区，该工作面为三河尖煤矿太原组首采二采区，该工作面为三河尖煤矿太原组首采工作面。工作面走向长工作面。工作面走向长1136m1136m，倾斜长，倾斜长85m85m，采深为采深为-770.8-770.8至至-831.2m-831.2m，煤层倾角，煤层倾角1616- -2020，煤厚，煤厚1.1-1.8m1.1-1.8m，煤层直接，煤层直接(zhji)(zhji)顶

4、顶板为十二灰，厚度板为十二灰，厚度5.2m5.2m，老顶为泥岩，厚，老顶为泥岩，厚15m15m；直接直接(zhji)(zhji)底板为泥岩，厚底板为泥岩，厚0.7-1.1m0.7-1.1m，老，老底为细砂岩，厚底为细砂岩，厚2.7m2.7m。2121煤层底板距奥灰煤层底板距奥灰45.62m45.62m，距离富水的奥灰马家沟组约为，距离富水的奥灰马家沟组约为200m200m。2110221102工作面在回采过程中涌水量一直在工作面在回采过程中涌水量一直在2m3/h2m3/h左右，至突水时工作面回采左右，至突水时工作面回采330m330m。 第7页/共89页第七页，共90页。涌水量变化(binhu

5、)曲线图第8页/共89页第八页，共90页。2、国内外现状及本课题(kt)研究内容 第9页/共89页第九页，共90页。突水的预测和防治煤矿开采技术的一个重要(zhngyo)(zhngyo)组成部分 由于煤矿水害而给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。在我国煤矿重特大事故中，水害事故在死亡人数(rn sh)上仅次于瓦斯事故，居第2位；在发生次数上，也紧随瓦斯和顶板事故之后，居第3位。 据不完全统计，在过去的20多年里，有250多个矿井被水淹没，死亡1700多人，经济损失高达350多亿元人民币。 上世纪80年代中期是我国煤矿水害最为严重的时期，当时在开滦、肥城、焦作等矿区连续发生了多期灾难性

6、突水淹井事故。随着两期工业性试验研究和政府对防治工作监管力度的加大，我国煤矿水害事故呈现出逐年减少的趋势。第10页/共89页第十页，共90页。突水的预测和防治(fngzh)(fngzh)煤矿开采技术的一个重要组成部分 近年来，随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了极大的提高，但煤矿突水事故却频繁发生。特别是2000年以来，煤矿水害事故又呈现出上升的趋势。据不完全统计，从2000年到目前为止，共发生重特大水害事故152起，死亡970人，失踪340人。 此外，矿井水害事故对煤矿正常生产的影响也非常大，特别是对一些高产高效现代化矿井影响极大。这些矿井一旦发生水害事故，即使不

7、淹井不死人，也可能造成综采机械设备不能正常工作，停产一天都会造成巨大的经济损失。 目前我国水害压煤超过100亿吨，随着开采条件的复杂化，一些特殊矿井水害问题也日益严重。如近松散层采煤的水砂突涌问题、大型水体下采煤的安全(nqun)开采上限问题、西部缺水地区的保水采煤问题等。这些问题的研究目前尚不够深入，需要进行专门攻关。第11页/共89页第十一页，共90页。突水的预测和防治煤矿开采(kici)(kici)技术的一个重要组成部分 显而易见，在加强监管同时进一步开展矿井水害综合防治研究，有效遏制矿井水害事故的发生，已成为保障矿井安全生产的十分迫切的需要，具有重大的社会意义和经济意义。 关键技术 加

8、强矿井水害防治基础理论研究 研究建立矿井水害自动监测预报预警系统 研究开发矿井水害救灾快速反应指挥系统 研究高性能注浆材料(cilio)及注浆工艺 解决特殊矿井水害问题第12页/共89页第十二页，共90页。突水的预测和防治实例(shl)(shl)与经验 矿山防治水技术水平也得到了不断提高，从简单(jindn)的单纯排水发展到复杂的预先人工降低地下水位的疏干；从简单(jindn)的堵漏发展到现代的注浆和构筑防渗墙技术，已使许多过去因水害而不能开发的矿床得以安全开采，严重的水害矿山得以根治 。第13页/共89页第十三页，共90页。突水的预测和防治实例(shl)(shl)与经验 焦作矿区 “立足矿井

9、，预防为主，疏堵结合，分类治理”的防治水方针，采取综合治理的防治水技术与措施。主要技术措施有： （1）加强水文地质预测、预报(ybo) 坚持月、季、年的水情水害预测、预报(ybo)工作，对矿井生产地区进行逐头、逐面分析。及时、准确的水文地质预报(ybo)工作，一方面为生产部署提供了可行的地质依据，避免了盲目采掘，另一方面可减少突水和降低突水强度，保证安全生产。 （2）坚持有疑必探，防止巷道误揭断层突水 为防止采掘巷道误揭落差大于5m的断层，制定了有疑必探、超前探水的具体有疑标准。另外，根据断层落差和水压大小，留设足够的防水煤柱；而巷道必须穿过断层时，要采取加固措施，降低矿压对围岩的破坏，有效防

10、止断层滞后突水。 （3）合理疏堵，减少矿井涌水量 控放方法有两种，第一种是钻孔控放，在适当地点向灰岩含水层打放水钻孔，孔口加截水阀，必要时可以关闭或控制流量；第二种方法是建控放站，在适当地点向灰岩含水层掘进巷道，在揭露灰岩前建立防水闸门，然后沿灰岩含水层开掘巷道放水，利用水闸门按采掘工程进度及突水规律控放，经生产验证效果较好。对已回采结束的采区采用防水闸门 (墙 )封闭是生产矿井减少水量的另一有效途径。第14页/共89页第十四页，共90页。突水的预测和防治实例(shl)(shl)与经验 （4）改革巷道布设，减少恶性突水 焦作矿区矿井水平大巷，采区上下山布置随开采水平加深和对水文地质条件的认识程

11、度经历了三个阶段。第一阶段将巷道布置在煤层顶板岩石中，其弊端在于留设保护煤柱大，维护困难，造成煤炭回收率低，第二阶段将巷道设计在底板岩石中，其优点是减少煤柱损失，有利疏水降压。随开采深度增加各含水层水压相对升高，二灰、奥灰突水日趋严重，掘进巷道时突水次数增多，突水量增大，淹井、淹采区事故愈来愈多。在总结上述两个阶段的正反两方面经验和教训，认识到焦作 矿 区 的 巷 道 布 置 要 决 定 于 水 文 地 质 条 件 复 杂 程 度 ， 在 高 水 压 (2.0MPa )地区或八灰水疏放效果不好的地区，主要巷道布置在顶板岩石中，不做或少做底板岩巷，待防排水系统形成后，再行控放。在水文地质条件相对

12、简单，八灰接受补给不明显的地区，将主要巷道布置在煤层底板岩石中。 （5）建立、完善矿井防排水系统 建立防水闸门(zhmn) (墙 )主要是防止奥灰突水淹井。由于奥灰突水具有水量大、来势猛的特点，且其涌水量难准确预计，若按突水量布置排水设施技术难度大，经济上也不合理。所以按水文地质条件复杂程度，采取分翼、分水平或分区设置防水闸门(zhmn) (墙 )进行隔离防水，可避免因一处突大水而造成矿井被淹没的后果。各生产矿井水文地质条件复杂的地区基本实现了单独隔离。 （6）推广使用新技术 利用业已成熟的井下直流电法探测技术、瑞利波探测技术和工作面坑道透视技术对生产区进行探测。查明生产区底板岩溶含水层富水情

13、况，确定生产过程中发生突水的机率，提出相应的防治措施；第15页/共89页第十五页，共90页。突水的预测(yc)(yc)和防治实例与经验 义马矿务局新安煤矿于1999年11月5日发生了突水量达4257m3/h的特大型奥灰突水灾害，并于当月7日矿井被淹。 后根据实际水文地质条件，采用了“上阻，中拦，下堵”的立体(lt)堵水方法，封堵了突水信道，解放被淹矿井，堵水效果良好。 所谓上阻，即在突水巷道和破碎带进行固料填充和注浆，设置阻水障碍，增加对地下水涌入巷道的阻力； 中拦，即在中间L1-3灰岩段通过注灰砂浆拦截下部O2灰岩水的信道或通过L1-3灰岩含水层的间接涌出； 下堵，即在O2灰岩含水层或断层破

14、碎带地段进行充填和注浆，彻底切断O2灰岩水对突水点的补给通道。 第16页/共89页第十六页，共90页。突水的预测(yc)(yc)和防治实例与经验 徐州矿区矿井水灾比较严重，据不完全统计，自解放以来，全区共发生(fshng)水灾事故 66起，严重影响了矿井生产，造成巨大经济损失。 从水源看，水灾类型主要有：地表水水灾、冲积层水水灾、顶板砂岩水水灾、石灰岩岩溶水水灾、老窑老空水水灾、钻孔水水灾、断层水水灾、陷落柱水水灾等。 地面防水，井下防水，探放水，留设防水煤柱，设置水闸墙或水闸门，矿井排水及注浆堵水。 第17页/共89页第十七页，共90页。突水的预测(yc)(yc)和防治实例与经验 自1954

15、年以来，郑州矿区因奥灰、寒灰突水造成淹井达 6次，随着矿井向深部的开采，奥灰 -寒武灰岩含水层突水的危险(wixin)性将越来越大，是矿区防治水工作的重点。主要防治对策与技术如下： (1)进一步查清水文地质条件，建立健全地下水长观系统。 (2)实行分区隔离，完善防排水系统,正确留设安全防隔水煤柱。对水文地质条件复杂，有突水危险(wixin)的区域，采取分区隔离的开采方案，在适当的位置建立相应的水闸门，防止突大水。 (3)注浆封堵奥灰、寒灰突水点。 (4)预注浆加固断层带和底板薄弱带。 第18页/共89页第十八页，共90页。水闸墙（防水(fn shu)(fn shu)门）功能 矿山巷道隔水构筑物

16、，主要指水闸墙和防水门。水闸墙在我国名称不一，目前有隔水墙、堵水墙、水闸墙和防水墙之称。其主要功能有以下几点17： （1）堵水 巷道掘进中如果出现突水，其涌水量大于本中段现有排水能力或矿井总排水能力，对矿井安全已构成威胁，在这种情况下可构筑水闸墙，以解除突水带来的威胁。 （2）控制放水 为进行地下疏干建水闸墙；当向富水地区掘进巷道时，如果遇到(y do)涌出的地下水对矿井安全构成威胁，水闸墙对地下涌水进行控制放干措施，如果遇到(y do)停电或排水设备出现故障，关闭放水闸门，以确保矿井安全，有些水闸墙虽非为疏干而建，当地下水位降低，危险期过后，放水闸门打开，用于疏干，或作他用。 （3）节能 巷

17、道掘进中，如果遇到(y do)从孤立通道中涌出的地下水或旧矿井水，这些新增涌水量对矿井安全虽不构成威胁，但无疏干的必要，只能增加矿井排水费用，在这种情况下，构筑水闸墙只是为了节能堵水。第19页/共89页第十九页，共90页。水闸墙（防水(fn shu)(fn shu)门）功能 （4）加速排水速度 在恢复淹井排水过程中，当突水中段出露后，立即在该中段突水点附近构筑水闸墙给予封闭，其目的在于减少矿井总涌水量，加快排水速度，以求早日使淹井恢复生产。 （5）作为地下水库 井下生产中所用的清水，如：凿岩，喷雾、喷浆等用水，可从上部中段已有的水闸墙中引出水管降到下部中段，供生产用水。也可以从专门(zhunm

18、n)建造的水源隔水墙中引出水管，如果水质符合饮用标准，也可作矿区生活用水。第20页/共89页第二十页，共90页。水闸墙（防水(fn shu)(fn shu)门）位置选择 水闸墙位置应选择在巷道围岩工程地质良好的地段；水闸墙位置原则上应尽量靠近涌水点，使水淹区控制在最小范围内，尤其是靠近采场或采孔区地段。因为密闭巷道内水淹区越长，沟通采场或相邻巷道的可能性也愈大。 应注意水闸墙和采场之间的关系，即：隔水墙和内侧的水淹巷道应在采场和采空区岩体移动或采动影响范围之外；水闸墙外侧不应该出现和墙内水淹巷道相连通的泄水点，岩溶矿区尤其要注意这个问题； 由于水闸墙建成后，墙体内的封闭巷道一般不再使用，故水闸

19、墙不宜建在主干巷道内；原则上应该选择再巷道断面较小处，以减少( jinsho)工程量。同时适当考虑施工条件 第21页/共89页第二十一页，共90页。水闸墙（防水(fn shu)(fn shu)门）实例 直墙式水闸墙18，像砖石墙体一样，与巷道的四周围岩形成密封整体，一般不用掏槽，可节省工程量，为涌水量大的矿井或采区安全开采(kici)提供有力保障。该方法与一般防水墙设计方法不同的是:利用材料力学中的剪切强度条件原理，结合井下防水墙的具体要求，导出墙体厚度计算公式，利用公式进行承载能力验证和墙体厚度计算。该方法设计施工简单易懂；可以不掏槽，节省工程量，从而节省工程费用开支；施工工期短，为抢险堵水

20、提供可靠保障；特别是顶板不掏槽，不破坏顶板，提高了挡水墙的安全性。第22页/共89页第二十二页，共90页。水闸(shuzh)(shuzh)墙（防水门）实例 大流量碟阀防水闸墙19解决了涌水量达到1000m3 /h以上时，巷道建起的防水闸门和防水闸墙硐室排水管排泄不及的问题。通过(tnggu)在巷道建碟阀防水闸墙，改善了环境条件，做到了涌水1000m3 /h不影响生产，而且防水闸墙设计先进、施工简单、造价低、操作安全可靠，是一种新型的安全隔离设施，具有较好的经济效益和社会效益。 （肥城）第23页/共89页第二十三页，共90页。水闸墙（防水(fn shu)(fn shu)门）实例 大流量碟阀防水(

21、fn shu)闸墙19解决了涌水量达到1000m3 /h以上时，巷道建起的防水(fn shu)闸门和防水(fn shu)闸墙硐室排水管排泄不及的问题。通过在巷道建碟阀防水(fn shu)闸墙，改善了环境条件，做到了涌水1000m3 /h不影响生产，而且防水(fn shu)闸墙设计先进、施工简单、造价低、操作安全可靠，是一种新型的安全隔离设施，具有较好的经济效益和社会效益。 （肥城）第24页/共89页第二十四页，共90页。水闸墙（防水(fn shu)(fn shu)门）实例 在工作面两帮为煤岩硬度小、承压能力差、裂隙(li x)发育的情况下。为增加墙体单向抗压阻力，两道水闸墙均选用“V”形挡水面

22、楔形墙，锚杆基座，两组“井”字形工字钢骨架，跟顶、底、两帮紧合混凝土浇灌全封闭巷道，并与围岩体形成整体 21。 （徐州）第25页/共89页第二十五页，共90页。水闸墙（防水(fn shu)(fn shu)门）实例 王俊臣20等对高压防水闸门硐室设计进行了研究，得出：高压防水闸门硐室承载水压，以压、剪应力为主；硐室破坏的机理是压剪应力引起的拉伸破坏；水压并非由几段锥形体平均承担，而是端部第一段锥形体承担75%的水压；硐室场内应力呈非均匀分布，在迎水端部为高应力区，自端头向尾部各截面上的应力逐渐衰减，硐室达一定长度，应力值渐趋于零；属于弹性理论中半无限(wxin)平面边界上受均布荷载与楔体顶部受集

23、中力叠加的应力解。（焦作）第26页/共89页第二十六页，共90页。第27页/共89页第二十七页，共90页。v 具体研究内容有：v （1）矿井水文地质条件研究；v （2）21煤顶底板工程地质条件研究；v （3）水闸墙设计及稳定性分析(fnx)；v （4）水闸墙施工组织；v （5）实际施工验证。 第28页/共89页第二十八页，共90页。v 研究的总体目标：三河尖矿21102工作面突水治理工程的难度之大、施工条件之恶劣在国内外采矿界是罕见的，本次研究将为类似条件下的水害治理提供一个范例。建立恶劣环境下水害防治的综合技术体系，从水文地质、工程地质、采矿工程、建设工程、安全工程等学科相互结合的角度，研究

24、水害治理的方案、技术措施并实施验证。在水害抢险、水闸墙施工、注浆防渗等各个方面取得新的认识(rn shi)和经验。为类似工程提供借鉴。 第29页/共89页第二十九页，共90页。v 研究的技术路线：本文采用传统的地质分析方法、工程经验类比方法、工程设计方法和现代力学计算方法相结合，首先对对矿区地质、水文地质、工程地质条件进行分析勘测和调研，采取相关岩样、煤样进行物理力学性质(xngzh)实验以取得岩石和煤的物理力学性质(xngzh)指标，密切关注国内外相同领域的研究成果和研究方向，检索相关文献资料，在此基础上，采用力学分析和工程设计规范研究水闸墙的设计和施工方案、防渗注浆方案，实际工程实施和验证

25、。 第30页/共89页第三十页，共90页。3、前期(qinq)抢险救灾工作 3.1 3.1 出水原因简要分析出水原因简要分析 2110221102工作面突水水源分析工作面突水水源分析突水点水源为奥陶系灰岩岩溶水；突水点水源为奥陶系灰岩岩溶水； 2110221102工作面导水通道的判别工作面导水通道的判别由于回采扰动影响，破坏原底板的整体性，致使隐伏由于回采扰动影响，破坏原底板的整体性，致使隐伏(ynf)(ynf)的垂直导水的垂直导水通道沟通奥陶系马家沟灰岩富含水层。通道沟通奥陶系马家沟灰岩富含水层。 第31页/共89页第三十一页，共90页。 3.2 3.2 抢险救灾工作抢险救灾工作 三河三河(

26、sn h)(sn h)尖煤矿尖煤矿2110221102工作面工作面1010月月2626日发生突水，至今涌水量保持在日发生突水，至今涌水量保持在1020 m3/h1020 m3/h，较为稳定，至，较为稳定，至20032003年年4 4月月3030日，水位标高为日，水位标高为-833.18m-833.18m，总出，总出水量水量4491565 m34491565 m3。突水后矿井西二下山采区很快被淹没，因及时扩大矿井。突水后矿井西二下山采区很快被淹没，因及时扩大矿井排水能力，把水位控制在矿井主水平排水能力，把水位控制在矿井主水平-700m-700m以下，没有造成淹井事故。以下，没有造成淹井事故。 第

27、32页/共89页第三十二页，共90页。 水害治理过程分为(fn wi)：扩、疏、导、追、稳、砌、升七个阶段。（具体）第33页/共89页第三十三页，共90页。 水闸墙工程完成(wn chng)以后的工作安装引水管至-700水平。利用水闸墙管路上的闸阀及压力表实施有控制放水。恢复并扩大-860泵房的排水能力。 第34页/共89页第三十四页，共90页。 应急预案（具体） （1）稳水期间2h以上故障的应急预案； （2）当水闸墙不能达到(d do)预期效果时的预案 。 第35页/共89页第三十五页，共90页。4、治理方案(fng n)的确定 21102工作面发生突水以后，采取了以强排水为主的抢险措施，避

28、免了淹井，如何进一步治理水害，对以下治水方案进行了研究。 方案一：强排疏水； 方案二：砌筑水闸墙堵疏结合( jih)； 方案三：地面打钻注浆堵水。第36页/共89页第三十六页，共90页。序号 比较内容 方案一 强排疏水 方案二 砌水闸墙 方案三 地面注浆 1 主要设备 -860m 一级排水：D450-603， 8 台 Q=450m3/h， N=355KW 3257 管路 3 趟 -700m 二级扩排： DS450-1008，3 台 Q=450m3/h， N=1600KW PJ2009，5 台 Q=420 m3/h， N=1600KW 325 管路 2 趟（已装） ，27312 管路 2 趟（已

29、装） ，32515 管路 1 趟 -860m 一级排水：D450-603， 8 台 Q=450m3/h， N=355KW 3257 管路 3 趟 -700m 二级扩排： DS450-1008，3 台 Q=450m3/h， N=1600KW PJ2009，5 台 Q=420 m3/h， N=1600KW 325 管路 2 趟（已装） ，27312 管路 2 趟（已装） ，32515 管路 1 趟 -860m 一级排水：D450-603， 8 台 Q=450m3/h， N=355KW 3257 管路 3 趟 -700m 二级扩排： DS450-1008，3 台 Q=450m3/h， N=1600K

30、W PJ2009，5 台 Q=420 m3/h， N=1600KW 325 管路 2 趟（已装） ，27312 管路 2 趟（已装） ，32515 管路 1 趟 2 工程量 2215.4m 其中：一级排水 840m，二级扩排 1380m 2215.4m 其中：一级排水 840m，二级扩排 1380m，水闸墙 2个 2215.4m 其中：一级排水 840m，二级扩排 1380m 3 投资 2239.4 万元 其中：设备 1499.4 万元，井巷 716 万元 2389.4 万元 其中：设备 1499.4 万元，井巷 716 万元， 水闸墙 150万元 2239.4 万元 其中：设备 1499.4

31、 万元，井巷 716 万元 4 排水费用 1763 万元 132 万元 1763 万元 5 优 缺 点 优点： 1、 强排疏干可将水害得威胁降到最小；2、将水疏干有利于屯头系的开采。 缺点： 1、年排水费用增加较多；2、排水时间预计较长； 3、若出现涌水量增加，对矿井的威胁将会增大。 优点： 1、比较灵活，可堵可疏，堵疏结合，适应性强； 2、可以减少排水费用。 缺点： 1、 水闸墙位置选择比较困难，在煤层中砌水闸墙难度较大； 2、 开采太原组仍需要疏水降压。 优点： 1、地面作业比较方便。 缺点： 1、注浆时间长，工艺比较复杂； 2、排水时间长，部能有计划地疏水降压； 3、注浆量大，费用高。

32、6 方案选择 推荐 水害治理(zhl)(zhl)方案比较 第37页/共89页第三十七页，共90页。5、水闸(shuzh)墙设计 5.1 5.1 水闸墙位置的选择水闸墙位置的选择 水闸墙位置选择的原则水闸墙位置选择的原则 （1 1）从整个矿井安全考虑，应将）从整个矿井安全考虑，应将2110221102工作面突水封堵在尽量小的范围，比如限定在该工作面两道以内工作面突水封堵在尽量小的范围，比如限定在该工作面两道以内(y ni)(y ni)。 （2 2）水闸墙尽可能设在坚硬、稳定、完整致密的岩层中。）水闸墙尽可能设在坚硬、稳定、完整致密的岩层中。 第38页/共89页第三十八页，共90页。v 水闸墙有关

33、参数的确定v （1）水压：运输边水闸墙的设计水压取8.32MPa，材料边水闸墙设计水压取8.0MPa。 v （2）防水(fn shu)安全煤岩柱厚度 ：验算得到84.62m，小于21煤至9煤的最小间距159.56m，所以21煤与9煤之间的岩层可以承受住8.32MPa的压力，21102的承压水不会从9煤的底板中突出。 第39页/共89页第三十九页，共90页。 水闸墙位置方案 方案一：水闸墙位置选择在21102工作面两道开口内的全岩巷道内 方案二：水闸墙设在工作面联络巷以外60m的运输(ynsh)巷和材料巷内 选择：两方案相比，方案二的突出优点在后续的补救措施更灵活，同时突水封堵在较小范围，对整个

34、矿井更有利。因此，确定选择方案二，。第40页/共89页第四十页，共90页。水闸(shuzh)墙位置示意图 第41页/共89页第四十一页，共90页。 5.2 5.2 水闸墙硐室设计水闸墙硐室设计 设计依据：根据煤矿矿井井底车场硐室设计规范（设计依据：根据煤矿矿井井底车场硐室设计规范（MT/T5026-1999MT/T5026-1999），），倒截锥形结构宜用于承受的水压倒截锥形结构宜用于承受的水压(shu y)(shu y)为为1.6MPa1.6MPa以上的防水闸门硐室。以上的防水闸门硐室。本水闸墙设计水压本水闸墙设计水压(shu y)8.32MPa(shu y)8.32MPa，采用倒截锥形结构

35、形式及计算公式，采用倒截锥形结构形式及计算公式相对较有依据。相对较有依据。 第42页/共89页第四十二页，共90页。 防水闸墙结构设计：根据倒截锥形结构计算公式的计算结果是，运输(ynsh)道水闸墙墙体结构长度L=9.29m，材料道水闸墙墙体长度L=9.19m。 墙体长度（m） 混凝土强度 总长 主体墙 里加 固段 外加 固段 加固段 壁厚 （m） 墙体承压强度 （MPa） 设计 标准 施工 标准 运输道 64 24 30 10 0.40 8.32 C25 C28 材料道 64 24 30 10 0.40 8.00 C25 C28 水闸(shuzh)(shuzh)墙主要技术参数表 第43页/共

36、89页第四十三页，共90页。第44页/共89页第四十四页，共90页。v 此次研究的对象是水闸墙及其周边的岩体，研究范围走向长度25m，岩层高度为16m，至上而下分别为泥岩、十二灰岩、细砂岩(sh yn)、十三灰岩、22煤、泥岩、灰岩。 v 采用取一个具有代表性的垂直剖面（Y-Z），来研究水闸墙及其周边岩体的应力应变情况。 第45页/共89页第四十五页，共90页。边界(binji)约束条件 第46页/共89页第四十六页，共90页。v本次计算将计算剖面划分为 6个单元组，整个剖面共包括11250个节点(ji din)，3523个有限单元。 原始(yunsh)网格剖分 第47页/共89页第四十七页，

37、共90页。有限元计算(j sun)模型 第48页/共89页第四十八页，共90页。v 应力应变分析v 水闸墙的应力矢量呈现较为明显的分区性，煤层上方泥岩和12灰岩内应力分布相对均匀；水闸墙周边(zhu bin)应力集中，特别是头尾两道墙体内应力较大，中间墙体内部应力较小，此外在水闸墙和周边(zhu bin)岩体的交接处，应力集中现象比较明显，为变形破坏的薄弱环节；水闸墙下方泥岩和灰岩局部区域内应力集中明显。 第49页/共89页第四十九页，共90页。水闸(shuzh)墙及其周围岩体应力矢量图 第50页/共89页第五十页，共90页。水闸墙及其周围(zhuwi)岩体应变矢量图 水闸墙的应变矢量分布规律

38、与应力矢量分布规律总体(zngt)上一致。即在水闸墙体和周围岩体交接处应变较大，但在强度较大的顶板灰岩内应变值很小，在强度较小的顶板泥岩内应变分布范围广，应变值大 。第51页/共89页第五十一页，共90页。水闸墙周围岩体 YY应力(yngl)色谱图 水闸墙周围岩体YY向应力，水平方向应力值整体上分布比较小，只是在背水闸墙脚踵处，产生水平应力集中(jzhng)现象。第52页/共89页第五十二页，共90页。从ZZ方向的应力色谱图可以看出(kn ch)，上山方向垂直应力都为压应力，但在水闸墙顶部和脚踵部与软弱夹层相连接的地方出现了拉应力，压应力值通常小于18MPa。水闸(shuzh)墙周围岩体ZZ应

39、力色谱图 第53页/共89页第五十三页，共90页。水闸墙周围(zhuwi)最大主应力色谱图水闸墙内大部分都为压应力，只是(zhsh)在凹形迎水面下方出现拉应力，应力值一般小于12MPa，水闸墙正上方岩层也受到拉应力，而且分布范围较广。 第54页/共89页第五十四页，共90页。水闸墙周围岩体最小主应力以压应力为主，在水闸墙下方(xi fn)岩层和背水巷道出现微小的拉应力区域。 水闸(shuzh)墙周围岩体最小主应力色谱图 第55页/共89页第五十五页，共90页。整个模型区域内，剪应力分布比较均匀，应力值在1020MPa之间，少有大面积的剪应力集中现象，只是(zhsh)在背水闸墙脚踵处，产生剪应力

40、集中现象。 水闸(shuzh)墙周围岩体最大剪应力色谱图 第56页/共89页第五十六页，共90页。v变形分析v从水平位移色谱图，可以看出，水闸墙垂直上方岩体出现了向下山方向的水平位移，最大值达到1cm，图中右上角，岩体产生向上山方向的水平位移，位移值为2.5mm；迎水第一道闸墙的移动趋势是向下山方向移动，水平移动的最大值为4mm；中间闸墙的移动趋势是上部向下山方向移动，下部向上山方向移动，水平移动的最大值为-4mm2.5mm；背水闸墙的移动趋势是朝着上山方向移动，水平移动的最大值为-6mm；反映了水闸墙左右两侧同时(tngsh)受压的特点。 第57页/共89页第五十七页，共90页。水闸墙周围(

41、zhuwi)岩体Y位移色谱图第58页/共89页第五十八页，共90页。从水闸墙周围岩体垂直方向位移图，可以看出，以水闸墙凹形迎水面为中心，向左右两侧，垂直位移值增大，其中凹形迎水面垂直下沉(xi chn)值最小，为4mm，水闸墙背水段垂直下沉(xi chn)值较大，为3cm左右，水闸墙下方岩体受影响较小，下沉(xi chn)值趋于零。 水闸(shuzh)墙周围Z位移色谱图 第59页/共89页第五十九页，共90页。v 由本节数值模拟结果可以知道，水闸墙竣工以后升压以后，在8.32MPa静水压力下，能够保证整体稳定性和正常使用，但是在迎水凹面下方墙角会出现一定范围的拉应力区，是相对薄弱的环节需要在施

42、工中加强该部位(bwi)的强度，在背水面水闸墙下方也会出现较小范围的拉应力区，也应注意补强。 第60页/共89页第六十页，共90页。6、水闸墙施工(sh gng)组织 6.1 6.1 概述概述 由于水闸墙施工区域巷道环境温度高、湿度大，地下水通过由于水闸墙施工区域巷道环境温度高、湿度大，地下水通过2110221102运输道导入运输道导入-835-835运输石门，故此运输石门，故此(gc)(gc)工程不仅是座钢筋混凝土挡水墙工程，还包含施工前（中）的环境保障工程。工程不仅是座钢筋混凝土挡水墙工程，还包含施工前（中）的环境保障工程。 把水闸墙混凝土工程和其施工环境工程统称为水闸墙工程。把水闸墙混凝

43、土工程和其施工环境工程统称为水闸墙工程。 第61页/共89页第六十一页，共90页。 环境保障工程 运输道导水工程 物料运输工程 井巷工程 水闸墙体混凝土浇筑工程注浆工程 第62页/共89页第六十二页，共90页。 6.2 6.2 水闸墙施工期间西翼主要生产系统水闸墙施工期间西翼主要生产系统 在水闸墙施工期间，西翼生产系统在在水闸墙施工期间，西翼生产系统在-835-835运输石门运输石门(sh mn)(sh mn)挡水挡水( (风风) )墙处被划分为西二运输墙处被划分为西二运输( (轨道轨道) )下山下山的稳水区域和屯头系水闸墙施工区域两个独立的生产系统。的稳水区域和屯头系水闸墙施工区域两个独立的

44、生产系统。 第63页/共89页第六十三页，共90页。v 西二运输(轨道)下山的稳水区域生产系统主要目的(md)是抽、排21102工作面的涌水，使水稳定在-833m水位，确保水闸墙施工。 v屯头系水闸墙施工区域生产系统 运输系统 供水系统 通风系统 压风系统 供电系统 第64页/共89页第六十四页，共90页。 6.3 6.3 环境保障工程的施工组织计划环境保障工程的施工组织计划 工程项目：环境保障工程的实施将保证施工场所风、水、电、压风、电话工程项目：环境保障工程的实施将保证施工场所风、水、电、压风、电话畅通，采取有效的措施改造施工地点的施工环境。主要畅通，采取有效的措施改造施工地点的施工环境。

45、主要(zhyo)(zhyo)工程有：工程有： 水、电、压风、通讯系统的建立；水、电、压风、通讯系统的建立； 通风系统的调整和设施安装；通风系统的调整和设施安装； 局部降温措施的实施工程。局部降温措施的实施工程。第65页/共89页第六十五页，共90页。 6.4 6.4 运输道导水工程施工组织计划运输道导水工程施工组织计划 本工程主要是指在本工程主要是指在-835-835运输石门运输石门(sh mn)(sh mn)和和2110221102工作面运输道架设每节长工作面运输道架设每节长4m4m的的10001000铁皮导水筒，包铁皮导水筒，包扎导水筒隔热材料，构筑扎导水筒隔热材料，构筑211022110

46、2运输道挡水墙、水闸墙引水管架设等。运输道挡水墙、水闸墙引水管架设等。第66页/共89页第六十六页，共90页。运输(ynsh)道挡水墙 第67页/共89页第六十七页，共90页。 6.5 6.5 物料运输工程施工组织计划物料运输工程施工组织计划 为了便于施工，保证材料及时为了便于施工，保证材料及时(jsh)(jsh)供给和施工材料的质量，必须在井下建立专用料场、供给和施工材料的质量，必须在井下建立专用料场、-835-835混凝土拌混凝土拌料场、拌料站及送料系统。料场、拌料站及送料系统。 第68页/共89页第六十八页，共90页。搅拌站及料场示意图第69页/共89页第六十九页，共90页。 6.6 6

47、.6 井巷工程施工组织计划井巷工程施工组织计划 井巷工程主要为井巷工程主要为2110221102两道的修护和水闸墙的扩巷工程，目的是恢复施工空间两道的修护和水闸墙的扩巷工程，目的是恢复施工空间(kngjin)(kngjin)，将巷道扩至水，将巷道扩至水闸墙设计所要求的尺寸。闸墙设计所要求的尺寸。 第70页/共89页第七十页，共90页。 6.7 6.7 水闸水闸(shuzh)(shuzh)墙混凝土浇筑工程施工组织计划墙混凝土浇筑工程施工组织计划 该混凝土工程分为该混凝土工程分为2110221102运输道水闸运输道水闸(shuzh)(shuzh)墙混凝土工程和墙混凝土工程和2110221102材料

48、道材料道水闸水闸(shuzh)(shuzh)墙混凝土工程，均为大型防渗混凝土工程，混凝土设计强度墙混凝土工程，均为大型防渗混凝土工程，混凝土设计强度为为C25C25， 按按C28C28施工。运输道和材料道的水闸施工。运输道和材料道的水闸(shuzh)(shuzh)墙均长墙均长64m64m，纵向分，纵向分为三部分：里加固段、主体墙段和外加固段。为三部分：里加固段、主体墙段和外加固段。 第71页/共89页第七十一页，共90页。水闸(shuzh)墙示意图 水闸墙分段(fn dun)分层剖、断面示意图 第72页/共89页第七十二页，共90页。主体(zht)墙施工顺序剖面示意图 第73页/共89页第七十

49、三页，共90页。 6.8 6.8 水闸墙壁后及围岩注浆工程施工组织水闸墙壁后及围岩注浆工程施工组织 “ “两道两道”水闸墙工程要求通过水闸墙工程要求通过(tnggu)(tnggu)注浆对两侧煤体和围岩进行防渗、注浆对两侧煤体和围岩进行防渗、加固处理。根据水闸墙设计，注浆主要包括：锚杆加固注浆，加固段壁后注加固处理。根据水闸墙设计，注浆主要包括：锚杆加固注浆，加固段壁后注浆，里加固段两处帷幕注浆，主体墙的煤体加固注浆和壁后注浆。浆，里加固段两处帷幕注浆，主体墙的煤体加固注浆和壁后注浆。 第74页/共89页第七十四页，共90页。注浆层段地质(dzh)柱状图 第75页/共89页第七十五页，共90页。

50、第76页/共89页第七十六页，共90页。 6.9 6.9 施工质量及安全技术措施施工质量及安全技术措施 严格按照严格按照(nzho)(nzho)工程设计、施工工艺和技术要求组织施工，加强对工程质量的检查、监督管理和验收，工程设计、施工工艺和技术要求组织施工，加强对工程质量的检查、监督管理和验收，确保工程达到设计要求。确保工程达到设计要求。 第77页/共89页第七十七页，共90页。7、工程应用(yngyng)初步效果及结论 7.1 7.1 工程应用初步效果工程应用初步效果 三河尖矿三河尖矿2110221102工作面水闸墙施工工作面水闸墙施工(sh gng)(sh gng)有以下几个特点：施工有以

51、下几个特点：施工(sh (sh gng)gng)温度高，湿度大，因突水水温达温度高，湿度大，因突水水温达50.550.5，在采取了一系列通风、降温，在采取了一系列通风、降温措施后，运输道施工措施后，运输道施工(sh gng)(sh gng)现场温度仍在现场温度仍在3636左右，轨道巷施工左右，轨道巷施工(sh (sh gng)gng)现场温度现场温度3434左右；水闸墙承受的水压高达左右；水闸墙承受的水压高达8.32MPa8.32MPa，为国内罕见；，为国内罕见；工程量大，两边墙混凝土浇筑量达工程量大，两边墙混凝土浇筑量达1700m31700m3。 第78页/共89页第七十八页，共90页。v

52、至2003年5月31日，两边墙的施工处均完成了通风环境，供电、供水、排水、压风、运输、输料等工程的建立工作，并且均完成水闸墙的扩巷工程，里加固段的混凝土浇筑工程。其中，材料道水闸墙已完成里加固段的围岩加固注浆，帷幕注浆，壁后注浆工程，正在实施(shsh)主体墙浇筑工程。整体工程在7月10日结束。 第79页/共89页第七十九页，共90页。v 运输(ynsh)道水闸墙正在实施里加固段的注浆工程。整体工程在7月20日结束。工程完工后，将进行升压试验。（按实际情况） 第80页/共89页第八十页，共90页。 7.2 7.2 结论结论 通过本文的研究和工程实践，对三河尖煤矿通过本文的研究和工程实践，对三河尖煤矿2110