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1礦井水文地質及防水墻建設

1.1礦井水文地質情況

地表水:馮家塔井田內水系較為發育，黃河由北向南縱貫井田東部。井田南部為海則廟溝，北部為清水川，兩河流自西向東在井田內匯入黃河，兩河流均為常年流水，除降水期外流量不大，該區位置偏僻，礦業開發以前暫無水系高峰期和正常期流量數據。含水層:馮家塔井田內自上而下共有6個含水層組:第四系全新統沖洪積層孔隙潛水、第四系中更新統離石組黃土層孔隙潛水、碎屑巖類風化裂隙帶孔隙裂隙潛水、碎屑巖類(含煤地層以上)孔隙裂隙承壓水、碎屑巖類(含煤地層)孔隙裂隙承壓水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水。本井田內，含煤地層以上含水層的富水性為弱至中等，含煤地層含水層中的五層砂巖砂體，分別夾雜在煤層與泥巖中，基本構成煤層的直接充水含水層，侵蝕基準面以上的煤層頂板砂巖含水層，含水量較小，富水性弱。侵蝕基準面以下的煤層頂板含水層為承壓水，富水性為弱至中等。礦井充水條件:礦井充水水源有大氣降水、地表水、老空區積水和地下水，大氣降水及地表水為間接充水水源，主要補給地下水。礦井充水通道主要為開采引起的導水裂隙帶，其次為斷裂構造帶。雨季尤其是暴雨時段，礦井充水強度極大。礦井涌水情況:礦井正常涌水量140m3/h，礦井最大涌水量408m3/h。隨著采空區范圍的擴大，礦井涌水量還會有增大趨勢。馮家塔煤礦上組煤2012～2015年開采范圍的綜合水文地質類型為“中等”類型，下組煤綜合水文地質類型為“極復雜”類型。

1.2防水墻建設必要性

2009年“8.1”突水事故發生后，公司立即啟動馮家塔煤礦防治水工程，將礦井1201～1204工作面回采對地表塌冒區破壞情況和溝道上游的地形地貌進行了詳細的調查、勘察，并就地表塌冒災害情況進行了充分討論分析，認為須進行1201工作面開采引起地表塌冒區的工程防治治理，以防備嚴重的洪水涌入井下災害發生。由于所開采的2#煤層屬于典型淺埋性煤層，工作面開采后在地面形成的塌冒區域，一旦處在山溝地帶，則山體巨大的碎石磙落到河道，不僅堵塞了已經治理好的地表溝道，而且這些滾石的搬運處理也給地表水治理工程增加額外成本。根據礦井防治水規范的要求，在地面實施“堵”水的措施，若不能完全避免礦井水災威脅，還需要在井下進行必要的“堵”水措施，以及同時考慮綜合性的“疏，排”治水措施，形成地面和井下綜合性防治水措施。

2防水墻技術性能設計及工程效果

2.1防水墻技術性能設計

防水墻位置:根據《煤礦安全規程》要求防水墻設在1201膠運大巷入口、1402膠運入口、1202回風大巷口，以及1402回風大巷出口等位置。本處主要以4#煤層的1402運輸順槽、回風順槽的密閉墻為例，防水墻位置左右兩側為煤層，墻體頂部煤層頂板主要為粉砂巖、泥巖，底板主要為泥巖、粉砂巖、少量為炭質泥巖，巖石普氏系數為4～5。靜水壓力:1402運輸順槽閉墻處到地面垂距為184m，回風順槽閉墻到地表垂距為187.2m，井下最高洪水位與防水墻所處的巷道底板高差，作為最大水壓。據此確定最大靜水壓力為1.87MPa。巷道規格:防水墻所處的巷道斷面為寬×高=5.5m×3.6m。巷道形狀為矩形，錨網支護。混凝土強度和活荷載系數:防水墻混凝土強度指標，水泥標號325，按《混凝土結構設計規范(GB50010)》中規定，混凝土強度為C25(水泥∶沙子∶石子=1∶1.81∶2.95，重量比)。則防水墻混凝土活荷載系數取1.4。抗壓強度(fc)標準取16.7MPa，核算設計取11.9MPa。抗剪強度(τ)標準取2.5MPa，核算設計取1.8MPa。防水墻厚度計算:結合現場實際情況，參考《混凝土結構設計規范(GB50010)》推薦方法，以及部分礦井經驗計算方法，分別計算防水墻厚度。①按照墻體抗壓抗剪強度計算。按直墻式防水墻厚度計算時，若不考慮鋼梁加筋，則結果為1.47m;若考慮鋼梁加筋，則結果為1.45m，按抗剪要求計算時，計算結果為1.13m，按混凝土抗剪強度計算時，結果為1.58m;②按抗滲要求計算墻厚。計算結果為6.22m;③防水墻厚度確定。通過以上計算，若按照混凝土抗剪壓強度設計計算，則防水墻厚度分別為1.48m，1.13m，1.58m。若考慮抗滲要求的話，則防水墻厚度6.22m。為了確保安全，最后確定防水墻厚度為6.5m。

2.2防水墻工程及其效果

防水墻建造工程技術參數:礦井在構建防水墻時，設計了“混凝土支墻+楔形磚墻”復合建造方式。防水墻為夾層結構，中間混凝土墻厚5.5m，考慮兩邊夾的磚墻厚度，則總厚度6.5m。如圖1和圖2所示。①各防火擋水墻墻體左右掏槽深度不小于1000mm，上下不小于500mm，煤墻掏槽后外露錨桿長度為1000mm，在砌墻時將其壓入墻體內，嚴禁拆除;如錨桿脫落，必須在其附近重新用20mm螺紋鋼錨桿進行補打;②防火擋水墻墻體都為磚墻(墻體基礎用混凝土塊砌筑)，前后墻體厚度為均500mm，中間間隔5500mm用混凝土充填且必須振動搗實，墻體必須一次性砌筑完成。混凝土強度為C25(水泥∶沙子∶石子=1∶1.81∶2.95，重量比);③防水墻墻體觀察孔用DN50管子并加閥門;措施孔用DN100管子并加設閥門和堵頭。1402運輸順槽防火擋水墻墻體下部反水孔插U形管，管徑為DN150，采空區側預留長度為1150mm;1402回風順槽防火擋水墻墻體下部反水孔插U形管，管徑為DN200，與采空區內預埋DN200管路連接。墻體外外露長度為500mm，墻體砌好后反水孔要水封。防水墻投運效果檢驗:2012年7月21，府谷縣大部分地區遭遇強降雨，礦井開采造成地表塌陷裂隙成為雨水涌入井下主要通道，現場統計，地表強降雨部分灌入井下，致使井下涌水量急劇增大。從井下各密閉墻出水情況來看，主要積水區域在1201、1202、1203、1401采空區。現場及時落實了汛期防汛應急預案，這場大雨對煤礦安全生產沒有造成大的影響。2012年7月強降雨對礦井的影響，說明2009年實施的地面溝道治理工程對防治水起到了應有的作用。但礦井依然涌入約75800m3雨水，說明了僅僅實施地面“堵”水的措施，不能完全避免礦井水災威脅。在綜合治理措施中，“疏，排”水等措施經常應用于煤礦井下，所以，還需要在井下進行必要的“疏”水措施，形成地面和井下綜合性防治水措施。

3結論

(1)從混凝土墻抗水壓性能和防水墻的抗滲性考慮，混凝土墻體滿足設計要求。經過2012年7月21日強降雨的考驗，證明礦井的目前地面以及井下的綜合防治水工程已經發揮了有效的作用，完全能夠抵御強降雨對礦井生產的不利影響，且均符合《煤礦安全規程》以及《煤礦防治水規定》的有關要求。(2)按照設計計算，施工6.5m厚的高強度的防水墻，能夠有效地控制涌水量，提高礦井的防災抗災能力，積極有效的避免淹井事故的發生，保證了礦井的安全生產，同時也為類似水災事故治理提供了技術經驗。

作者:陳印 魏引尚 任卓晨 陳銅憲 單位:清水川能源股份有限公司馮家塔礦業分公司 西安科技大學