奧陶系突水高壓水閘墻設(shè)計(jì)與施工的若干問(wèn)題

會(huì)計(jì)學(xué)1奧陶系突水高壓水閘墻設(shè)計(jì)與施工的若干問(wèn)題1、礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件

1.1地質(zhì)條件：地層——井田內(nèi)鉆孔揭露的地層由老到新為：奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅—白堊系、第三系、第四系。第1頁(yè)/共89頁(yè)三河尖煤礦地層綜合柱狀圖

第2頁(yè)/共89頁(yè)地質(zhì)構(gòu)造——三河尖井田位于滕魚(yú)背斜向西南的延伸部分。經(jīng)地震測(cè)線控制、鉆孔穿過(guò)及生產(chǎn)揭露的大中型斷層有30條，其中孫氏店斷層、F1/斷層和F24斷層為井田邊界斷層。

第3頁(yè)/共89頁(yè)三河尖井田構(gòu)造綱要圖

第4頁(yè)/共89頁(yè)1.2水文地質(zhì)條件

三河尖煤礦位于半封閉的滕縣背斜儲(chǔ)水構(gòu)造水文地質(zhì)單元的西南側(cè)。根據(jù)含水層巖性特征，空隙性質(zhì)及地下水埋藏條件，可劃分為三種類型的含水層組：孔隙潛水-承壓含水層組裂隙承壓含水層組巖溶裂隙承壓含水層組

第5頁(yè)/共89頁(yè)1.3工程地質(zhì)條件

主要研究21102工作面本次防治水工程21煤及其頂?shù)装宓闹饕こ痰刭|(zhì)類型的工程地質(zhì)性質(zhì)。

第6頁(yè)/共89頁(yè)1.421102工作面突水情況21102工作面概況——位于太原組西一、西二采區(qū)，該工作面為三河尖煤礦太原組首采工作面。工作面走向長(zhǎng)1136m，傾斜長(zhǎng)85m，采深為-770.8至-831.2m，煤層傾角16°-20°，煤厚1.1-1.8m，煤層直接頂板為十二灰，厚度5.2m，老頂為泥巖，厚15m；直接底板為泥巖，厚0.7-1.1m，老底為細(xì)砂巖，厚2.7m。21煤層底板距奧灰45.62m，距離富水的奧灰馬家溝組約為200m。21102工作面在回采過(guò)程中涌水量一直在2m3/h左右，至突水時(shí)工作面回采330m。

第7頁(yè)/共89頁(yè)21102工作面突水經(jīng)過(guò)——于2002年10月26日8：40發(fā)生突水，短時(shí)間內(nèi)最大涌水量達(dá)2170m3/h，后逐漸衰減。至今水量穩(wěn)定在后一直穩(wěn)定在1020m3/h，水溫50.5℃。

涌水量變化曲線圖第8頁(yè)/共89頁(yè)2、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及本課題

研究?jī)?nèi)容

2.1現(xiàn)狀綜述突水的預(yù)測(cè)和防治——煤礦開(kāi)采技術(shù)的一個(gè)重要組成部分水閘墻（防水門）——礦山巷道隔水構(gòu)筑物注漿堵水——煤礦防治水中應(yīng)用廣泛的工程技術(shù)第9頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——煤礦開(kāi)采技術(shù)的一個(gè)重要組成部分由于煤礦水害而給國(guó)家和人民帶來(lái)的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失極為慘重。在我國(guó)煤礦重特大事故中，水害事故在死亡人數(shù)上僅次于瓦斯事故，居第2位；在發(fā)生次數(shù)上，也緊隨瓦斯和頂板事故之后，居第3位。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去的20多年里，有250多個(gè)礦井被水淹沒(méi)，死亡1700多人，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)350多億元人民幣。上世紀(jì)80年代中期是我國(guó)煤礦水害最為嚴(yán)重的時(shí)期，當(dāng)時(shí)在開(kāi)灤、肥城、焦作等礦區(qū)連續(xù)發(fā)生了多期災(zāi)難性突水淹井事故。隨著兩期工業(yè)性試驗(yàn)研究和政府對(duì)防治工作監(jiān)管力度的加大，我國(guó)煤礦水害事故呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢(shì)。第10頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——煤礦開(kāi)采技術(shù)的一個(gè)重要組成部分近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，煤礦生產(chǎn)與建設(shè)過(guò)程中的裝備、工藝、技術(shù)都有了極大的提高，但煤礦突水事故卻頻繁發(fā)生。特別是2000年以來(lái)，煤礦水害事故又呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從2000年到目前為止，共發(fā)生重特大水害事故152起，死亡970人，失蹤340人。此外，礦井水害事故對(duì)煤礦正常生產(chǎn)的影響也非常大，特別是對(duì)一些高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井影響極大。這些礦井一旦發(fā)生水害事故，即使不淹井不死人，也可能造成綜采機(jī)械設(shè)備不能正常工作，停產(chǎn)一天都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前我國(guó)水害壓煤超過(guò)100億噸，隨著開(kāi)采條件的復(fù)雜化，一些特殊礦井水害問(wèn)題也日益嚴(yán)重。如近松散層采煤的水砂突涌問(wèn)題、大型水體下采煤的安全開(kāi)采上限問(wèn)題、西部缺水地區(qū)的保水采煤?jiǎn)栴}等。這些問(wèn)題的研究目前尚不夠深入，需要進(jìn)行專門攻關(guān)。第11頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——煤礦開(kāi)采技術(shù)的一個(gè)重要組成部分顯而易見(jiàn)，在加強(qiáng)監(jiān)管同時(shí)進(jìn)一步開(kāi)展礦井水害綜合防治研究，有效遏制礦井水害事故的發(fā)生，已成為保障礦井安全生產(chǎn)的十分迫切的需要，具有重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。關(guān)鍵技術(shù)加強(qiáng)礦井水害防治基礎(chǔ)理論研究研究建立礦井水害自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)礦井水害救災(zāi)快速反應(yīng)指揮系統(tǒng)研究高性能注漿材料及注漿工藝解決特殊礦井水害問(wèn)題第12頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)礦山防治水技術(shù)水平也得到了不斷提高，從簡(jiǎn)單的單純排水發(fā)展到復(fù)雜的預(yù)先人工降低地下水位的疏干；從簡(jiǎn)單的堵漏發(fā)展到現(xiàn)代的注漿和構(gòu)筑防滲墻技術(shù)，已使許多過(guò)去因水害而不能開(kāi)發(fā)的礦床得以安全開(kāi)采，嚴(yán)重的水害礦山得以根治。第13頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)焦作礦區(qū)“立足礦井，預(yù)防為主，疏堵結(jié)合，分類治理”的防治水方針，采取綜合治理的防治水技術(shù)與措施。主要技術(shù)措施有：（1）加強(qiáng)水文地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)堅(jiān)持月、季、年的水情水害預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作，對(duì)礦井生產(chǎn)地區(qū)進(jìn)行逐頭、逐面分析。及時(shí)、準(zhǔn)確的水文地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，一方面為生產(chǎn)部署提供了可行的地質(zhì)依據(jù)，避免了盲目采掘，另一方面可減少突水和降低突水強(qiáng)度，保證安全生產(chǎn)。（2）堅(jiān)持有疑必探，防止巷道誤揭斷層突水為防止采掘巷道誤揭落差大于5m的斷層，制定了有疑必探、超前探水的具體有疑標(biāo)準(zhǔn)。另外，根據(jù)斷層落差和水壓大小，留設(shè)足夠的防水煤柱；而巷道必須穿過(guò)斷層時(shí)，要采取加固措施，降低礦壓對(duì)圍巖的破壞，有效防止斷層滯后突水。（3）合理疏堵，減少礦井涌水量控放方法有兩種，第一種是鉆孔控放，在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)向灰?guī)r含水層打放水鉆孔，孔口加截水閥，必要時(shí)可以關(guān)閉或控制流量；第二種方法是建控放站，在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)向灰?guī)r含水層掘進(jìn)巷道，在揭露灰?guī)r前建立防水閘門，然后沿灰?guī)r含水層開(kāi)掘巷道放水，利用水閘門按采掘工程進(jìn)度及突水規(guī)律控放，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證效果較好。對(duì)已回采結(jié)束的采區(qū)采用防水閘門

(墻

)封閉是生產(chǎn)礦井減少水量的另一有效途徑。第14頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)（4）改革巷道布設(shè)，減少惡性突水焦作礦區(qū)礦井水平大巷，采區(qū)上下山布置隨開(kāi)采水平加深和對(duì)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)程度經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段將巷道布置在煤層頂板巖石中，其弊端在于留設(shè)保護(hù)煤柱大，維護(hù)困難，造成煤炭回收率低，第二階段將巷道設(shè)計(jì)在底板巖石中，其優(yōu)點(diǎn)是減少煤柱損失，有利疏水降壓。隨開(kāi)采深度增加各含水層水壓相對(duì)升高，二灰、奧灰突水日趨嚴(yán)重，掘進(jìn)巷道時(shí)突水次數(shù)增多，突水量增大，淹井、淹采區(qū)事故愈來(lái)愈多。在總結(jié)上述兩個(gè)階段的正反兩方面經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，認(rèn)識(shí)到焦作礦區(qū)的巷道布置要決定于水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度，在高水壓

(>2.0MPa)地區(qū)或八灰水疏放效果不好的地區(qū)，主要巷道布置在頂板巖石中，不做或少做底板巖巷，待防排水系統(tǒng)形成后，再行控放。在水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，八灰接受補(bǔ)給不明顯的地區(qū)，將主要巷道布置在煤層底板巖石中。（5）建立、完善礦井防排水系統(tǒng)建立防水閘門

(墻

)主要是防止奧灰突水淹井。由于奧灰突水具有水量大、來(lái)勢(shì)猛的特點(diǎn)，且其涌水量難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，若按突水量布置排水設(shè)施技術(shù)難度大，經(jīng)濟(jì)上也不合理。所以按水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度，采取分翼、分水平或分區(qū)設(shè)置防水閘門

(墻

)進(jìn)行隔離防水，可避免因一處突大水而造成礦井被淹沒(méi)的后果。各生產(chǎn)礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)隔離。（6）推廣使用新技術(shù)利用業(yè)已成熟的井下直流電法探測(cè)技術(shù)、瑞利波探測(cè)技術(shù)和工作面坑道透視技術(shù)對(duì)生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行探測(cè)。查明生產(chǎn)區(qū)底板巖溶含水層富水情況，確定生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生突水的機(jī)率，提出相應(yīng)的防治措施；第15頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)義馬礦務(wù)局新安煤礦于1999年11月5日發(fā)生了突水量達(dá)4257m3/h的特大型奧灰突水災(zāi)害，并于當(dāng)月7日礦井被淹。后根據(jù)實(shí)際水文地質(zhì)條件，采用了“上阻，中攔，下堵”的立體堵水方法，封堵了突水信道，解放被淹礦井，堵水效果良好。所謂上阻，即在突水巷道和破碎帶進(jìn)行固料填充和注漿，設(shè)置阻水障礙，增加對(duì)地下水涌入巷道的阻力；中攔，即在中間L1-3灰?guī)r段通過(guò)注灰砂漿攔截下部O2灰?guī)r水的信道或通過(guò)L1-3灰?guī)r含水層的間接涌出；下堵，即在O2灰?guī)r含水層或斷層破碎帶地段進(jìn)行充填和注漿，徹底切斷O2灰?guī)r水對(duì)突水點(diǎn)的補(bǔ)給通道。

第16頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)徐州礦區(qū)礦井水災(zāi)比較嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自解放以來(lái)，全區(qū)共發(fā)生水災(zāi)事故66起，嚴(yán)重影響了礦井生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。從水源看，水災(zāi)類型主要有：地表水水災(zāi)、沖積層水水災(zāi)、頂板砂巖水水災(zāi)、石灰?guī)r巖溶水水災(zāi)、老窯老空水水災(zāi)、鉆孔水水災(zāi)、斷層水水災(zāi)、陷落柱水水災(zāi)等。地面防水，井下防水，探放水，留設(shè)防水煤柱，設(shè)置水閘墻或水閘門，礦井排水及注漿堵水。

第17頁(yè)/共89頁(yè)突水的預(yù)測(cè)和防治

——實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)自1954年以來(lái)，鄭州礦區(qū)因奧灰、寒灰突水造成淹井達(dá)

6次，隨著礦井向深部的開(kāi)采，奧灰

-寒武灰?guī)r含水層突水的危險(xiǎn)性將越來(lái)越大，是礦區(qū)防治水工作的重點(diǎn)。主要防治對(duì)策與技術(shù)如下：(1)進(jìn)一步查清水文地質(zhì)條件，建立健全地下水長(zhǎng)觀系統(tǒng)。(2)實(shí)行分區(qū)隔離，完善防排水系統(tǒng),正確留設(shè)安全防隔水煤柱。對(duì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，有突水危險(xiǎn)的區(qū)域，采取分區(qū)隔離的開(kāi)采方案，在適當(dāng)?shù)奈恢媒⑾鄳?yīng)的水閘門，防止突大水。(3)注漿封堵奧灰、寒灰突水點(diǎn)。(4)預(yù)注漿加固斷層帶和底板薄弱帶。第18頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻（防水門）

——功能礦山巷道隔水構(gòu)筑物，主要指水閘墻和防水門。水閘墻在我國(guó)名稱不一，目前有隔水墻、堵水墻、水閘墻和防水墻之稱。其主要功能有以下幾點(diǎn)[17]：（1）堵水巷道掘進(jìn)中如果出現(xiàn)突水，其涌水量大于本中段現(xiàn)有排水能力或礦井總排水能力，對(duì)礦井安全已構(gòu)成威脅，在這種情況下可構(gòu)筑水閘墻，以解除突水帶來(lái)的威脅。（2）控制放水為進(jìn)行地下疏干建水閘墻；當(dāng)向富水地區(qū)掘進(jìn)巷道時(shí)，如果遇到涌出的地下水對(duì)礦井安全構(gòu)成威脅，水閘墻對(duì)地下涌水進(jìn)行控制放干措施，如果遇到停電或排水設(shè)備出現(xiàn)故障，關(guān)閉放水閘門，以確保礦井安全，有些水閘墻雖非為疏干而建，當(dāng)?shù)叵滤唤档?，危險(xiǎn)期過(guò)后，放水閘門打開(kāi)，用于疏干，或作他用。（3）節(jié)能巷道掘進(jìn)中，如果遇到從孤立通道中涌出的地下水或舊礦井水，這些新增涌水量對(duì)礦井安全雖不構(gòu)成威脅，但無(wú)疏干的必要，只能增加礦井排水費(fèi)用，在這種情況下，構(gòu)筑水閘墻只是為了節(jié)能堵水。第19頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻（防水門）

——功能（4）加速排水速度在恢復(fù)淹井排水過(guò)程中，當(dāng)突水中段出露后，立即在該中段突水點(diǎn)附近構(gòu)筑水閘墻給予封閉，其目的在于減少礦井總涌水量，加快排水速度，以求早日使淹井恢復(fù)生產(chǎn)。（5）作為地下水庫(kù)井下生產(chǎn)中所用的清水，如：鑿巖，噴霧、噴漿等用水，可從上部中段已有的水閘墻中引出水管降到下部中段，供生產(chǎn)用水。也可以從專門建造的水源隔水墻中引出水管，如果水質(zhì)符合飲用標(biāo)準(zhǔn)，也可作礦區(qū)生活用水。第20頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻（防水門）

——位置選擇水閘墻位置應(yīng)選擇在巷道圍巖工程地質(zhì)良好的地段；水閘墻位置原則上應(yīng)盡量靠近涌水點(diǎn)，使水淹區(qū)控制在最小范圍內(nèi)，尤其是靠近采場(chǎng)或采孔區(qū)地段。因?yàn)槊荛]巷道內(nèi)水淹區(qū)越長(zhǎng)，溝通采場(chǎng)或相鄰巷道的可能性也愈大。應(yīng)注意水閘墻和采場(chǎng)之間的關(guān)系，即：隔水墻和內(nèi)側(cè)的水淹巷道應(yīng)在采場(chǎng)和采空區(qū)巖體移動(dòng)或采動(dòng)影響范圍之外；水閘墻外側(cè)不應(yīng)該出現(xiàn)和墻內(nèi)水淹巷道相連通的泄水點(diǎn)，巖溶礦區(qū)尤其要注意這個(gè)問(wèn)題；由于水閘墻建成后，墻體內(nèi)的封閉巷道一般不再使用，故水閘墻不宜建在主干巷道內(nèi)；原則上應(yīng)該選擇再巷道斷面較小處，以減少工程量。同時(shí)適當(dāng)考慮施工條件

第21頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻（防水門）

——實(shí)例直墻式水閘墻[18]，像磚石墻體一樣，與巷道的四周圍巖形成密封整體，一般不用掏槽，可節(jié)省工程量，為涌水量大的礦井或采區(qū)安全開(kāi)采提供有力保障。該方法與一般防水墻設(shè)計(jì)方法不同的是:利用材料力學(xué)中的剪切強(qiáng)度條件原理，結(jié)合井下防水墻的具體要求，導(dǎo)出墻體厚度計(jì)算公式，利用公式進(jìn)行承載能力驗(yàn)證和墻體厚度計(jì)算。該方法設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單易懂；可以不掏槽，節(jié)省工程量，從而節(jié)省工程費(fèi)用開(kāi)支；施工工期短，為搶險(xiǎn)堵水提供可靠保障；特別是頂板不掏槽，不破壞頂板，提高了擋水墻的安全性。第22頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻（防水門）

——實(shí)例大流量碟閥防水閘墻[19]解決了涌水量達(dá)到1000m3/h以上時(shí)，巷道建起的防水閘門和防水閘墻硐室排水管排泄不及的問(wèn)題。通過(guò)在巷道建碟閥防水閘墻，改善了環(huán)境條件，做到了涌水1000m3/h不影響生產(chǎn)，而且防水閘墻設(shè)計(jì)先進(jìn)、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作安全可靠，是一種新型的安全隔離設(shè)施，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（肥城）第23頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻（防水門）

——實(shí)例大流量碟閥防水閘墻[19]解決了涌水量達(dá)到1000m3/h以上時(shí)，巷道建起的防水閘門和防水閘墻硐室排水管排泄不及的問(wèn)題。通過(guò)在巷道建碟閥防水閘墻，改善了環(huán)境條件，做到了涌水1000m3/h不影響生產(chǎn)，而且防水閘墻設(shè)計(jì)先進(jìn)、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作安全可靠，是一種新型的安全隔離設(shè)施，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（肥城）第24頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻（防水門）

——實(shí)例在工作面兩幫為煤巖硬度小、承壓能力差、裂隙發(fā)育的情況下。為增加墻體單向抗壓阻力，兩道水閘墻均選用“V”形擋水面楔形墻，錨桿基座，兩組“井”字形工字鋼骨架，跟頂、底、兩幫緊合混凝土澆灌全封閉巷道，并與圍巖體形成整體

[21]。（徐州）第25頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻（防水門）

——實(shí)例王俊臣[20]等對(duì)高壓防水閘門硐室設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，得出：高壓防水閘門硐室承載水壓，以壓、剪應(yīng)力為主；硐室破壞的機(jī)理是壓剪應(yīng)力引起的拉伸破壞；水壓并非由幾段錐形體平均承擔(dān)，而是端部第一段錐形體承擔(dān)75%的水壓；硐室場(chǎng)內(nèi)應(yīng)力呈非均勻分布，在迎水端部為高應(yīng)力區(qū)，自端頭向尾部各截面上的應(yīng)力逐漸衰減，硐室達(dá)一定長(zhǎng)度，應(yīng)力值漸趨于零；屬于彈性理論中半無(wú)限平面邊界上受均布荷載與楔體頂部受集中力疊加的應(yīng)力解。（焦作）第26頁(yè)/共89頁(yè)2.2研究?jī)?nèi)容、目標(biāo)及技術(shù)路線研究?jī)?nèi)容：在查明礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，分析21102工作面突水的原因，通過(guò)查閱和調(diào)研國(guó)內(nèi)外有關(guān)防治水資料和工程實(shí)踐，研究前期救災(zāi)、治水方案確定、水閘墻設(shè)計(jì)、注漿防滲、水閘墻施工組織及質(zhì)量保證等具體方案，綜合采用先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，探索突水綜合防治技術(shù)。第27頁(yè)/共89頁(yè)具體研究?jī)?nèi)容有：（1）礦井水文地質(zhì)條件研究；（2）21煤頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)條件研究；（3）水閘墻設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析；（4）水閘墻施工組織；（5）實(shí)際施工驗(yàn)證。

第28頁(yè)/共89頁(yè)研究的總體目標(biāo)：三河尖礦21102工作面突水治理工程的難度之大、施工條件之惡劣在國(guó)內(nèi)外采礦界是罕見(jiàn)的，本次研究將為類似條件下的水害治理提供一個(gè)范例。建立惡劣環(huán)境下水害防治的綜合技術(shù)體系，從水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、采礦工程、建設(shè)工程、安全工程等學(xué)科相互結(jié)合的角度，研究水害治理的方案、技術(shù)措施并實(shí)施驗(yàn)證。在水害搶險(xiǎn)、水閘墻施工、注漿防滲等各個(gè)方面取得新的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。為類似工程提供借鑒。

第29頁(yè)/共89頁(yè)研究的技術(shù)路線：本文采用傳統(tǒng)的地質(zhì)分析方法、工程經(jīng)驗(yàn)類比方法、工程設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代力學(xué)計(jì)算方法相結(jié)合，首先對(duì)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析勘測(cè)和調(diào)研，采取相關(guān)巖樣、煤樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)以取得巖石和煤的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外相同領(lǐng)域的研究成果和研究方向，檢索相關(guān)文獻(xiàn)資料，在此基礎(chǔ)上，采用力學(xué)分析和工程設(shè)計(jì)規(guī)范研究水閘墻的設(shè)計(jì)和施工方案、防滲注漿方案，實(shí)際工程實(shí)施和驗(yàn)證。

第30頁(yè)/共89頁(yè)3、前期搶險(xiǎn)救災(zāi)工作

3.1出水原因簡(jiǎn)要分析

21102工作面突水水源分析——突水點(diǎn)水源為奧陶系灰?guī)r巖溶水；21102工作面導(dǎo)水通道的判別——由于回采擾動(dòng)影響，破壞原底板的整體性，致使隱伏的垂直導(dǎo)水通道溝通奧陶系馬家溝灰?guī)r富含水層。

第31頁(yè)/共89頁(yè)3.2搶險(xiǎn)救災(zāi)工作三河尖煤礦21102工作面10月26日發(fā)生突水，至今涌水量保持在1020m3/h，較為穩(wěn)定，至2003年4月30日，水位標(biāo)高為-833.18m，總出水量4491565m3。突水后礦井西二下山采區(qū)很快被淹沒(méi)，因及時(shí)擴(kuò)大礦井排水能力，把水位控制在礦井主水平-700m以下，沒(méi)有造成淹井事故。

第32頁(yè)/共89頁(yè)水害治理過(guò)程分為：擴(kuò)、疏、導(dǎo)、追、穩(wěn)、砌、升七個(gè)階段。（具體）第33頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻工程完成以后的工作——安裝引水管至-700水平。利用水閘墻管路上的閘閥及壓力表實(shí)施有控制放水?；謴?fù)并擴(kuò)大-860泵房的排水能力。

第34頁(yè)/共89頁(yè)應(yīng)急預(yù)案（具體）（1）穩(wěn)水期間2h以上故障的應(yīng)急預(yù)案；（2）當(dāng)水閘墻不能達(dá)到預(yù)期效果時(shí)的預(yù)案。第35頁(yè)/共89頁(yè)4、治理方案的確定

21102工作面發(fā)生突水以后，采取了以強(qiáng)排水為主的搶險(xiǎn)措施，避免了淹井，如何進(jìn)一步治理水害，對(duì)以下治水方案進(jìn)行了研究。

方案一：強(qiáng)排疏水；方案二：砌筑水閘墻堵疏結(jié)合；方案三：地面打鉆注漿堵水。第36頁(yè)/共89頁(yè)水害治理方案比較

第37頁(yè)/共89頁(yè)5、水閘墻設(shè)計(jì)

5.1水閘墻位置的選擇水閘墻位置選擇的原則（1）從整個(gè)礦井安全考慮，應(yīng)將21102工作面突水封堵在盡量小的范圍，比如限定在該工作面兩道以內(nèi)。（2）水閘墻盡可能設(shè)在堅(jiān)硬、穩(wěn)定、完整致密的巖層中。

第38頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻有關(guān)參數(shù)的確定（1）水壓：運(yùn)輸邊水閘墻的設(shè)計(jì)水壓取8.32MPa，材料邊水閘墻設(shè)計(jì)水壓取8.0MPa。

（2）防水安全煤巖柱厚度：驗(yàn)算得到84.62m，小于21煤至9煤的最小間距159.56m，所以21煤與9煤之間的巖層可以承受住8.32MPa的壓力，21102的承壓水不會(huì)從9煤的底板中突出。

第39頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻位置方案方案一：水閘墻位置選擇在21102工作面兩道開(kāi)口內(nèi)的全巖巷道內(nèi)

方案二：水閘墻設(shè)在工作面聯(lián)絡(luò)巷以外60m的運(yùn)輸巷和材料巷內(nèi)選擇：兩方案相比，方案二的突出優(yōu)點(diǎn)在后續(xù)的補(bǔ)救措施更靈活，同時(shí)突水封堵在較小范圍，對(duì)整個(gè)礦井更有利。因此，確定選擇方案二，。第40頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻位置示意圖

第41頁(yè)/共89頁(yè)5.2水閘墻硐室設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)依據(jù)：根據(jù)《煤礦礦井井底車場(chǎng)硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》（MT/T5026-1999），倒截錐形結(jié)構(gòu)宜用于承受的水壓為1.6MPa以上的防水閘門硐室。本水閘墻設(shè)計(jì)水壓8.32MPa，采用倒截錐形結(jié)構(gòu)形式及計(jì)算公式相對(duì)較有依據(jù)。

第42頁(yè)/共89頁(yè)防水閘墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)倒截錐形結(jié)構(gòu)計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果是，運(yùn)輸?shù)浪l墻墻體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L=9.29m，材料道水閘墻墻體長(zhǎng)度L=9.19m。

水閘墻主要技術(shù)參數(shù)表

第43頁(yè)/共89頁(yè)5.3水閘墻穩(wěn)定性的數(shù)值模擬針對(duì)三河尖礦21102工作面突水后砌筑水閘墻的工程地質(zhì)條件和力學(xué)特征，采用巖體力學(xué)彈塑性模型有限元分析和低拉力分析原理相耦合的方法，借助計(jì)算機(jī)以加載方式模擬靜水壓力條件下水閘墻的應(yīng)力、應(yīng)變和變形規(guī)律。

第44頁(yè)/共89頁(yè)此次研究的對(duì)象是水閘墻及其周邊的巖體，研究范圍走向長(zhǎng)度25m，巖層高度為16m，至上而下分別為泥巖、十二灰?guī)r、細(xì)砂巖、十三灰?guī)r、22煤、泥巖、灰?guī)r。

采用取一個(gè)具有代表性的垂直剖面（Y-Z），來(lái)研究水閘墻及其周邊巖體的應(yīng)力應(yīng)變情況。

第45頁(yè)/共89頁(yè)邊界約束條件

第46頁(yè)/共89頁(yè)本次計(jì)算將計(jì)算剖面劃分為

6個(gè)單元組，整個(gè)剖面共包括11250個(gè)節(jié)點(diǎn)，3523個(gè)有限單元。

原始網(wǎng)格剖分

第47頁(yè)/共89頁(yè)有限元計(jì)算模型

第48頁(yè)/共89頁(yè)應(yīng)力應(yīng)變分析水閘墻的應(yīng)力矢量呈現(xiàn)較為明顯的分區(qū)性，煤層上方泥巖和12灰?guī)r內(nèi)應(yīng)力分布相對(duì)均勻；水閘墻周邊應(yīng)力集中，特別是頭尾兩道墻體內(nèi)應(yīng)力較大，中間墻體內(nèi)部應(yīng)力較小，此外在水閘墻和周邊巖體的交接處，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，為變形破壞的薄弱環(huán)節(jié)；水閘墻下方泥巖和灰?guī)r局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中明顯。

第49頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻及其周圍巖體應(yīng)力矢量圖

第50頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻及其周圍巖體應(yīng)變矢量圖

水閘墻的應(yīng)變矢量分布規(guī)律與應(yīng)力矢量分布規(guī)律總體上一致。即在水閘墻體和周圍巖體交接處應(yīng)變較大，但在強(qiáng)度較大的頂板灰?guī)r內(nèi)應(yīng)變值很小，在強(qiáng)度較小的頂板泥巖內(nèi)應(yīng)變分布范圍廣，應(yīng)變值大。第51頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻周圍巖體

YY應(yīng)力色譜圖

水閘墻周圍巖體YY向應(yīng)力，水平方向應(yīng)力值整體上分布比較小，只是在背水閘墻腳踵處，產(chǎn)生水平應(yīng)力集中現(xiàn)象。第52頁(yè)/共89頁(yè)從ZZ方向的應(yīng)力色譜圖可以看出，上山方向垂直應(yīng)力都為壓應(yīng)力，但在水閘墻頂部和腳踵部與軟弱夾層相連接的地方出現(xiàn)了拉應(yīng)力，壓應(yīng)力值通常小于18MPa。水閘墻周圍巖體ZZ應(yīng)力色譜圖

第53頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻周圍最大主應(yīng)力色譜圖水閘墻內(nèi)大部分都為壓應(yīng)力，只是在凹形迎水面下方出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)力值一般小于12MPa，水閘墻正上方巖層也受到拉應(yīng)力，而且分布范圍較廣。

第54頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻周圍巖體最小主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，在水閘墻下方巖層和背水巷道出現(xiàn)微小的拉應(yīng)力區(qū)域。

水閘墻周圍巖體最小主應(yīng)力色譜圖

第55頁(yè)/共89頁(yè)整個(gè)模型區(qū)域內(nèi)，剪應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力值在10～20MPa之間，少有大面積的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，只是在背水閘墻腳踵處，產(chǎn)生剪應(yīng)力集中現(xiàn)象。

水閘墻周圍巖體最大剪應(yīng)力色譜圖

第56頁(yè)/共89頁(yè)變形分析從水平位移色譜圖，可以看出，水閘墻垂直上方巖體出現(xiàn)了向下山方向的水平位移，最大值達(dá)到1cm，圖中右上角，巖體產(chǎn)生向上山方向的水平位移，位移值為2.5mm；迎水第一道閘墻的移動(dòng)趨勢(shì)是向下山方向移動(dòng)，水平移動(dòng)的最大值為4mm；中間閘墻的移動(dòng)趨勢(shì)是上部向下山方向移動(dòng)，下部向上山方向移動(dòng)，水平移動(dòng)的最大值為-4mm～2.5mm；背水閘墻的移動(dòng)趨勢(shì)是朝著上山方向移動(dòng)，水平移動(dòng)的最大值為-6mm；反映了水閘墻左右兩側(cè)同時(shí)受壓的特點(diǎn)。

第57頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻周圍巖體Y位移色譜圖第58頁(yè)/共89頁(yè)從水閘墻周圍巖體垂直方向位移圖，可以看出，以水閘墻凹形迎水面為中心，向左右兩側(cè)，垂直位移值增大，其中凹形迎水面垂直下沉值最小，為4mm，水閘墻背水段垂直下沉值較大，為3cm左右，水閘墻下方巖體受影響較小，下沉值趨于零。

水閘墻周圍Z位移色譜圖

第59頁(yè)/共89頁(yè)由本節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果可以知道，水閘墻竣工以后升壓以后，在8.32MPa靜水壓力下，能夠保證整體穩(wěn)定性和正常使用，但是在迎水凹面下方墻角會(huì)出現(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)需要在施工中加強(qiáng)該部位的強(qiáng)度，在背水面水閘墻下方也會(huì)出現(xiàn)較小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，也應(yīng)注意補(bǔ)強(qiáng)。

第60頁(yè)/共89頁(yè)6、水閘墻施工組織

6.1概述

由于水閘墻施工區(qū)域巷道環(huán)境溫度高、濕度大，地下水通過(guò)21102運(yùn)輸?shù)缹?dǎo)入-835運(yùn)輸石門，故此工程不僅是座鋼筋混凝土擋水墻工程，還包含施工前（中）的環(huán)境保障工程。

把水閘墻混凝土工程和其施工環(huán)境工程統(tǒng)稱為水閘墻工程。

第61頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻工程的劃分

環(huán)境保障工程

運(yùn)輸?shù)缹?dǎo)水工程

物料運(yùn)輸工程

井巷工程

水閘墻體混凝土澆筑工程注漿工程

施工順序：環(huán)境保障工程運(yùn)輸?shù)缹?dǎo)水工程物料運(yùn)輸工程井巷工程水閘墻混凝土澆筑工程注漿工程第62頁(yè)/共89頁(yè)6.2水閘墻施工期間西翼主要生產(chǎn)系統(tǒng)在水閘墻施工期間，西翼生產(chǎn)系統(tǒng)在-835運(yùn)輸石門擋水(風(fēng))墻處被劃分為西二運(yùn)輸(軌道)下山的穩(wěn)水區(qū)域和屯頭系水閘墻施工區(qū)域兩個(gè)獨(dú)立的生產(chǎn)系統(tǒng)。

第63頁(yè)/共89頁(yè)西二運(yùn)輸(軌道)下山的穩(wěn)水區(qū)域生產(chǎn)系統(tǒng)主要目的是抽、排21102工作面的涌水，使水穩(wěn)定在-833m水位，確保水閘墻施工。

屯頭系水閘墻施工區(qū)域生產(chǎn)系統(tǒng)

運(yùn)輸系統(tǒng)

供水系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)

壓風(fēng)系統(tǒng)

供電系統(tǒng)

第64頁(yè)/共89頁(yè)6.3環(huán)境保障工程的施工組織計(jì)劃

工程項(xiàng)目：環(huán)境保障工程的實(shí)施將保證施工場(chǎng)所風(fēng)、水、電、壓風(fēng)、電話暢通，采取有效的措施改造施工地點(diǎn)的施工環(huán)境。主要工程有：水、電、壓風(fēng)、通訊系統(tǒng)的建立；通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整和設(shè)施安裝；局部降溫措施的實(shí)施工程。第65頁(yè)/共89頁(yè)6.4運(yùn)輸?shù)缹?dǎo)水工程施工組織計(jì)劃

本工程主要是指在-835運(yùn)輸石門和21102工作面運(yùn)輸?shù)兰茉O(shè)每節(jié)長(zhǎng)4m的φ1000鐵皮導(dǎo)水筒，包扎導(dǎo)水筒隔熱材料，構(gòu)筑21102運(yùn)輸?shù)罁跛畨?、水閘墻引水管架設(shè)等。第66頁(yè)/共89頁(yè)運(yùn)輸?shù)罁跛畨?/p>

第67頁(yè)/共89頁(yè)6.5物料運(yùn)輸工程施工組織計(jì)劃為了便于施工，保證材料及時(shí)供給和施工材料的質(zhì)量，必須在井下建立專用料場(chǎng)、-835混凝土拌料場(chǎng)、拌料站及送料系統(tǒng)。

第68頁(yè)/共89頁(yè)攪拌站及料場(chǎng)示意圖第69頁(yè)/共89頁(yè)6.6井巷工程施工組織計(jì)劃井巷工程主要為21102兩道的修護(hù)和水閘墻的擴(kuò)巷工程，目的是恢復(fù)施工空間，將巷道擴(kuò)至水閘墻設(shè)計(jì)所要求的尺寸。

第70頁(yè)/共89頁(yè)6.7水閘墻混凝土澆筑工程施工組織計(jì)劃

該混凝土工程分為21102運(yùn)輸?shù)浪l墻混凝土工程和21102材料道水閘墻混凝土工程，均為大型防滲混凝土工程，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，

按C28施工。運(yùn)輸?shù)篮筒牧系赖乃l墻均長(zhǎng)64m，縱向分為三部分：里加固段、主體墻段和外加固段。

第71頁(yè)/共89頁(yè)水閘墻示意圖

水閘墻分段分層剖、斷面示意圖

第72頁(yè)/共89頁(yè)主體墻施工順序剖面示意圖

第73頁(yè)/共89頁(yè)6.8水閘墻壁后及圍巖注漿工程施工組織

“兩道”水閘墻工程要求通過(guò)注漿對(duì)兩側(cè)煤體和圍巖進(jìn)行防滲、加固處理。根據(jù)水閘墻設(shè)計(jì)，注漿主要包括：錨桿加固注漿，加固段壁后注漿，里加固段兩處帷幕注漿，主體墻的煤體加固注漿和壁后注漿。

第74頁(yè)/共89頁(yè)注漿層段地質(zhì)柱狀圖

第75頁(yè)/共89頁(yè)第76頁(yè)/共89頁(yè)6.9施工質(zhì)量及安全技術(shù)措施

嚴(yán)格按照工程設(shè)計(jì)、施工工藝和技術(shù)要求組織施工，加強(qiáng)對(duì)工程質(zhì)量的檢查、監(jiān)督管理和驗(yàn)收，確保工程達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

第77頁(yè)/共89頁(yè)7、工程應(yīng)用初步效果及結(jié)論

7.1工程應(yīng)用初步效果

三河尖礦21102工作面水閘墻施工有以下幾個(gè)特點(diǎn)：施工溫度高，濕度大，因突水水溫達(dá)50.5℃，在采取了一系列通風(fēng)、降溫措施后，運(yùn)輸?shù)朗┕がF(xiàn)場(chǎng)溫度仍在36℃左右，軌道巷施工現(xiàn)場(chǎng)溫度34℃左右；水閘墻承受的水壓高達(dá)8.32MPa，為國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)；工程量大，兩邊墻混凝土澆筑量達(dá)1700m3。

第78頁(yè)/共89頁(yè)至2003年5月31日，兩邊墻的施工處均完成了通風(fēng)環(huán)境，供電、供水、排水、壓風(fēng)、運(yùn)輸、輸料等工程的建立工作，并且均完成水閘墻