防水密闭墙安全性的研究及应用

陈团团

(中煤科工集团 武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

目前，传统的矿井水处理方法是将矿井水由井下水仓排至地表，通过设置在地面的调节池以及矿井水处理站进行处理，达到水质复用要求后，一部分在地面利用，另一部分返回到井下再利用。该种模式存在基建投资大、矿井水提升运行费用高、占地面积大等缺点。

为解决传统模式矿井水复用存在的诸多弊端，西部某大型矿区某矿井，通过设置防水密闭墙，将生产过程中产生的矿井水注入采空区进行沉淀、过滤、储存，在充分利用地下开采空间的条件下，有效挖掘矿井内水处理的潜能，实现矿井水的净化、过滤、吸附、存储，使矿井水可作为矿区生产、生活水源。该方法在有效解决矿区供水和污水外排问题的同时，要确保不对采区正常生产造成影响。因此，墙体的可靠性及承压能力对矿井采区的安全开采、储水采空区的稳定储水起到了重要的作用。

1 防水密闭墙安全性研究

1.1 模型的建立

1)采空区侧储水将水压力作用在防水密闭墙主体受力结构上，主体受力结构通过墙体将作用力传递给嵌入围岩的墙体及围岩，该作用区域沿巷道轴线方向主要承受的作用力为压应力，主体受力结构墙体强度应大于采空区水压力。

2)当密闭墙四周被围岩固定时，沿巷道轴线方向，作用在密闭墙主体受力结构上的作用力主要为剪切应力，密闭墙主体受力结构或围岩抗剪强度应大于采空区水压力。防水密闭墙受力结构图见图1.

图1 防水密闭墙受力结构示意图

1.2 影响因素分析

影响井下采空区储水复用区矿井水处理安全性的因素很多，包括防水密闭墙墙体结构、围岩条件、煤柱留设、水头高度、监测监控系统等，通过对各因素进行分析，确定其影响程度。

1)防水密闭墙结构。

防水密闭墙硐室结构主要指墙体形式、墙体与围岩之间的有机组合，包括墙体的尺寸、嵌入围岩的深度、材料、预埋管路、围岩强度等。常用的井下防水密闭墙结构见图2，3.

图2 平板式防水密闭墙平面图

图3 平板式防水密闭墙剖面图

防水密闭墙主要用于矿井水复用，设置在采空区储水复用区与正常生产采区之间的相关巷道内。其主要承受的是缓慢注入采空区的静水压力，对于采空区内储水高度达到50 m 水头，墙体承受的水压为0.5 MPa，单结构素混凝土防水密闭墙本身强度较大，采空区水体作用在整个防水密闭墙上的抗压及抗剪强度将在墙体主体受力结构的承受范围内，在水压较小的条件下能够满足安全条件的要求。

影响井下密闭墙及硐室可靠性的主要因素除了墙体自身的强度外，还与墙体周边围岩工程地质性质、水体性质及压力大小、防水煤(岩)柱留设尺寸、墙体施工质量及维护情况等因素有关。

2)围岩条件。

井下防水密闭墙硐室作为一个由密闭墙及围岩形成的整体，其强度及稳定性取决于两者的有机统一体。防水密闭墙一般设置在采空区煤层巷道中，由于煤层强度较低、裂隙发育，它是整个系统的薄弱因素，应根据其强度、完整性及裂隙发育程度确定墙体的相关参数。

参照防水闸墙计算公式，计算防水密闭墙尺寸参数，计算公式如下:

a)按围岩抗压条件计算硐室嵌入围岩的砌体所需深度E:

式中:

P—防水密闭墙承受的安全水压，MPa;

γ0—结构的重要性系数;

γc—掏槽施工对围岩的影响系数;

S1—墙体迎水端受水压作用总面积，m2;

S2—墙体与围岩作用的承压面积，m2;

R—岩体抗压强度，MPa.

式中:

Rc—岩石抗压强度，MPa;

ξa—岩体裂隙系数，取值见表1.

表1 岩体裂隙系数表

b)按围岩抗剪条件计算硐室墙体主体受力结构厚度L:

式中:

τ—岩体允许抗剪强度，MPa;

S3—岩体承受剪切面积，m2;

其它公式及参数同式(1).

根据墙体围岩强度确定的防水密闭墙尺寸参数，其与围岩形成有机整体，共同抵抗采空区内水压作用，若墙体布置在节理、裂隙、岩溶较发育的岩层和断层破碎带时，应对围岩进行注浆加固。

3)储水区煤柱留设。

墙体所布置的巷道两侧应留设符合要求的安全煤柱，根据《煤矿防治水规定》关于防水煤柱尺寸的内容中“关于含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的留设”计算煤柱宽度，储水区防水煤柱物理模型近似为煤层直接与含水层相接触，可参照下列经验公式计算:

式中:

L—煤柱留设的宽度，m;

K—安全系数，一般取2 ～5，建议取5;

M—煤层厚度或采高，m;

p—水压，MPa;

Kp—煤的抗拉强度。

4)储水区水头高度。

防水密闭墙及硐室能承受的安全水头高度，应结合矿井水及生产生活需水量要求，根据围岩的强度确定，只有水头在围岩强度能够承受的安全水头高度范围内，才能确保采空区储水复用区的安全可靠进行，不对生产采区造成不利影响。

5)监测监控系统。

为确保采空区储水复用区内的水头高度处于墙体围岩强度所能承受的安全水头高度范围之内，同时对采空区内有毒有害气体进行监控，应在墙体上增加气体检测管、排水管、注水管及压力表等设备设施，时刻动态监测采空区水体的水位、水压及气体状态，严格控制水位，合理控制注排量，严禁井下水位超限。

a)气体检测管设备设施。

气体检测管路用于检测采空区内部的气体成分与压力，宜采用d34 mm ×3.0 mm 无缝钢管，每趟配备DN25 PN1.0 MPa 闸阀1 个。

b)排水管设备设施。

采空区储水区排水管路宜采用d168 mm ×5.0 mm、d219 mm×7.0 mm、d273 mm×8.0 mm 无缝钢管或复合钢管，管路数量及直径根据采区排水量确定，排水管路上配备1 个与管路相匹配的压力等级为PN1.0 MPa 闸阀。

同一排水系统的排水管路中，在其中1 趟管路配备压力、流量仪器仪表，压力及流量表配备见表2.

表2 压力、流量仪器仪表配备表

c)注水管设备设施。

井下采空区储水区注水管宜采用d168 mm ×5.0 mm、d219 mm×7.0 mm、d273 mm×8.0 mm 的无缝钢管或复合钢管，管路数量及直径根据采区注水量确定，各趟注水管路上配备1 个与管路直径及注水压力等级相匹配的止回阀。

2 现场实践及应用前景

某西部矿井水文地质条件简单，在工作面已回采稳定的2－2煤采空区最低处，选择3 个工作面进行矿井水井下再处理，最大积水深度9.0 m，积水总面积81.0 万m2，积水量约76.3 万m3，墙体承受的最大水压0.065 MPa.

各防水密闭墙设置在回采巷道及大巷联巷中，各密闭墙结构参数见表3，具体设置位置见图4. 图4 中阴影部分为储存在采空区内的矿井水，由于各工作面采空区为单独设置的矿井水复用区，在各工作面采空区周边均设置有防水安全煤柱，根据墙体及煤层参数，计算确定各工作面可承受的安全水头高度见表4.由于各工作面采空区水位线只在采空区沿“三带”高度方向分布，在相关墙体上设置监测监控系统，对采空区水位及气体状态进行实时监测，严格控制各采空区的积水高度，确保墙体及围岩安全，在保证矿井安全生产的同时，实现矿井水供排结合。

图4 矿井水井下再利用具体设置位置平面图

根据实际，每年该矿通过井下矿井水再利用，节约污水处理费208.3 万元，节约水费627.0 万元，节约排污费10.0 万元，直接经济效益达845.3 万元。在解决矿井水资源再利用的同时，实现了一定的环境、经济及社会效益。

表3 墙体参数表

表4 安全水头高度计算表

该项技术在西部某大型矿区多对矿井得到成功应用，对其他存在矿井水供排矛盾的煤炭基地及矿区具有良好的示范作用。

3 结 论

1)防水密闭墙主要用于矿井水复用，其主要承受的是缓慢注入采空区的静水压力，而非瞬间突水造成的集中水压，作用在整个防水密闭墙的抗压及抗剪强度将在其主体受力结构的承受范围内。

2)井下防水密闭墙硐室作为一个由密闭墙及围岩形成的整体，其强度及稳定性将取决于两者的有机统一体，围岩强度、完整性及裂缝发育程度是影响墙体储水复用安全进行的关键因素，也是确定墙体参数及安全储水水头高度的重要参数。

3)防水密闭墙可结合矿井一通三防的功能要求，在单结构防水密闭墙基础上，建成复合多层结构墙体。

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［2］ 陈苏社，鞠金峰.大柳塔煤矿矿井水资源化利用技术［J］.煤炭科学技术，2011，39(2):125－128.

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