煤炭科学技术
COAL SCIENCE AND TECHNOLOGY
1999年 第27卷　第8期 Vol.27　No.8 1999

高压防水闸门硐室施工与试压

高法民

　　摘　要　简述了高压防水闸门硐室施工、注水试压和混凝土闸墙内应力测试的情况，介绍了硐室施工经验，以及在试压、测试方面取得的技术资料。
　　关键词　防水闸门　硐室施工　试压

Construction and Pressure Test of High
Pressure Water Dam Chamber

　　 A mine water disaster is a natural disaster often occurred in mine construction and production. Therefore a prevention and control of the mine water is a very important safety object. A construction of the water dam chamber for isolation between horizontal and up and down seam in a mining district is one of the comment water prevention and control methods. This paper has a brief introduction of a construction, water injection test and concrete dam wall stress test of a high pressure water dam chamber. The paper also introduced the construction experiences of the chamber, the technical information from the pressure test and stress test which could provide a scientific bases for the new design of the chamber.

　　水患是矿山建设和生产中经常遇到的自然灾害。因此，预防和治理水患是一项重要的安全课题。建造防水闸门硐室，进行水平、采区上下组煤隔离，是预防水患普遍采用的方法。但是，高压防水闸门硐室的设计、施工、试压和混凝土闸墙内应力测试等资料，在国内还不多见。肥城矿务局陶阳煤矿与武汉煤炭设计研究院及四川省建筑科学研究院合作，根据光弹试验、相似材料模拟试验、平面有限元计算及运用弹性理论设计的施工图，组织施工和试压，进行硐室混凝土内部和门扇、门框应力测试，取得了有关方面的技术资料，并摸索了施工经验。

1　矿井概况

　　陶阳煤矿位于肥城煤田中部，原为设计能力0.3Mt/a的水文试验井，现改扩建为设计能力0.9Mt/a的中型矿井。采用立井、斜井多水平综合开拓方式。生产水平为-350m，开采石炭、二叠系山西组、太原组3、7、8、9、10等5个煤层。井田为北倾单斜构造，倾角3～30°，现开采上组煤，与下组煤之间垂距160m左右，采用集中石门联络。下组煤太原群煤系受第四层、第五层石灰岩和奥陶系石灰岩承压水威胁，其静水位标高＋60m。为防止下组煤突水影响上组煤开采，决定在上、下组煤－350m水平集中石门内，建造一座高压防水闸门硐室，实现矿井上、下组煤之间的安全隔离。

2　硐室施工

2.1　硐室位置的确定
　　防水闸门硐室应设置在岩性均一、质密、构造简单、稳定的岩层中，同时，还要考虑便于水闸门封闭和管理。若遇到互层或煤线等须进行专门加固处理。根据陶阳煤矿－350m小槽石门实测地质剖面(图1)，经研究论证，确定硐室设在太原群一灰和二灰之间厚7m的粉砂岩中，距－350m水平水仓入口119m。硐室顶部有0.5m厚的粘土岩，下部有2道0.2m厚的煤线；粉砂岩裂隙发育、质软易碎，但不透水。

图1　防水闸门硐室所处围岩剖面图

2.2　防水闸门硐室的设计特征
　　根据武汉煤炭设计研究院提供的试验资料，防水闸门硐室需要最大承压5.0MPa。设计为单门硐室单级倒锥形，选用单扇加肋扁壳左防水闸门。前后室各长6.0m，净宽4.0m，净断面13.1m²；硐室长度6.2m，最大掘进高度8.2m，掘进断面57.6m²。前后室和硐室掘进总体积501m³，浇注混凝土324m³，混凝土强度等级为C₂₈，用钢筋5.79t(图2)

图2　防水闸门硐室平面图

2.3　硐室开挖与围岩加固
　　硐室采用导硐法施工，即先掘出中央导硐，刷大前后室一次掘成，再刷大硐室。刷硐室时，先刷顶部，再刷两帮，最后由前向后按设计尺寸落底。
　　采用光爆法开挖硐室，锚、网、喷联合临时支护控制顶帮，加固围岩。每次开挖长度1m，炮眼底距设计轮廓线300mm，浅打眼、放小炮，用风镐剔够设计尺寸。锚杆按间、排距700mm布置，用φ14mm,1800mm长钢锚杆，快硬水泥卷固定，每眼3块水泥药卷，挂30mm×30mm8号铁丝网，网搭接200mm，间隔200mm一个结点，双丝双扣联牢，拧紧锚杆托盘，使之紧贴岩面，锚杆锚固力≥4t。为防止围岩风化，硐室施工采用一掘一喷作业方式，初喷混凝土厚20～30mm，复喷混凝土厚150mm，最后起底，用锚杆按间、排距800mm对底板锚固，并及时用100mm厚的混凝土铺底，封闭围岩。
　　在开挖硐室主体段时，顶部遇到500mm厚的粘土岩；在前室底部遇到2层200～300mm的煤线，需全部剔除，并掏进两帮500mm用混凝土补齐。

2.4　门框、管路的固定及钢筋绑扎
　　硐室主体段浇注混凝土前，先把解体下井的门框组装好，用电动葫芦吊起，找正、垫平，朝顺水方向后倾1°就位，再将门框用锚杆与围岩联成一体，用工字钢固定。然后，安装2趟φ377mm的排水管和其他预埋管，各预埋管均每隔1m焊上防滑角钢，使各种管路和门框及四角的钢筋网片联成一体。
　　由于绑扎钢筋工作量大，井下受空间限制不易操作，故把所有配筋解体，先在地面分焊成片，编号下井，对号入座联成一体。

2.5　浇注混凝土
　　为了使混凝土配比合理，按C₂₈混凝土配制了不同配比的5组试块，经试压后，选取最佳配比。为了增加混凝土的强度，以及流动性、和易性、密实性，按水泥重量的2%～3％掺入NC混凝土早强剂。浇注顺序先前室，次后室，最后硐室主体段。各段由下向上依次连续浇注。随浇注混凝土，随预埋注浆管和应变计、钢筋计、渗压计等测试仪器。
　　当门框、排水管及底部钢筋网片联好后，用清水冲刷混凝土表面，清除浮碴，排净底板积水，自下而上浇注混凝土，并使用机械振动棒捣固。硐室底部浇注完混凝土后，立模、接钢筋。模板用厚40mm木板分块制成，对号组装，按中、腰线对正、找平，辅立柱和撑木固定牢。
　　为了保证连续浇注混凝土，采用机械搅拌、送料。为防止分段后混凝土向下流动，用临时模板阻隔，直到拱顶，避免出现水平接茬面。埋设在混凝土内的应变计等测试仪器，严格按设计布置，并加以维护。当立模、接钢筋和安装管路不能连续浇注时，在接茬面上按间、排距800mm插上φ16mm、长1m的螺纹钢，并把混凝土面凿出新茬，用高压水冲洗干净，再浇注混凝土并指派专人振捣。浇注好的混凝土待拆模后，每天洒水6次，养护28d。为了检测硐室混凝土的强度，在不同部位留取8组试块，养护28d后做抗压试验，其结果均能满足设计要求。

2.6　壁后注浆
　　选用TGZ-60/210注浆泵，分4档，每档压力分别为21、18、9.5、6.0MPa，泵量为16、19、36、60L/min。注浆管呈放射状布置在硐室拱部、两帮及底部，共120根，注浆扩散半径3～8m。注浆前，先用清水做联通试验，不与联通的其它注浆管用堵帽封住。采用全方位注浆，即水平方向：先后室，次硐室主体段，最后前室；垂直方向：先硐室底部，次两帮，最后顶部。浆液先按水灰比1∶0.25，逐渐增加到1∶0.6，泵量由大变小，当压力升到2.5MPa时改用2档，压力升到5MPa时改用1档，直到6.0MPa终压。注浆反复3次，注1次浆，清1次孔。此次注浆用水泥43.28t。

3　注水试压

　　注水加压试验，使用NBB-250/60泥浆泵4台，泵量分为40、80、150、250L/min4档，泵压6.0MPa。布置2趟φ108mm×4mm管路，向水闸门前40m巷道内注满水后逐渐加压。开始试压用3台泥浆泵同时启动，压力增至1.0MPa，并稳定20min，混凝土无渗漏；当压力增至2.0MPa时，门墙西侧出现2处渗水点；再增压力至2.6MPa时，漏水量为0.138m³/h。这时改用4台泥浆泵同时启动，继续加压试验，当压力增至3.2MPa时，硐室主体段和后室接茬处的顶部开始漏水，预埋的渗压计有压力显示，说明硐室四周进水，漏水量为1.32m³/h。此后，随着压力增大，漏水量增加，直至压力达到4.5MPa，漏水量为10.62m³/h。最终压力增至5.0MPa，持续15min，然后将压力稳定在4.0～4.2MPa，经24.5h，实测漏水量为8.8m³/h，达到了预期的效果(图3)。

图3　注水试验系统平面图
1—防水闸门硐室；2—安全绳；3—探照灯；
4—木垛；5—测水堰；6—测试硐室；7—水压表；8—注水管；
9—供水管；10—水仓入口；11—挡水墙；12—水沟中心线；13—泥浆泵

　　卸压力后，打开闸阀放净巷道里的积水，再打开防水闸门检查，发现前室巷道四周有滴水，约5h后滴水才不明显。同时观察到在前室和硐室连接处周围有一道环形裂纹。

4　应力测试

　　在混凝土内埋设CJP应变计，3个为1组，布置成L形，分别代表沿巷道轴线方向、垂直轴线方向及45°方向。按设计要求，应变计埋设在硐室拱部13组；硐室左侧墙（顺来水方向）16组；硐室右侧和底部各埋设6支钢筋计和3支渗压计，表面应变片20片，分别测硐室近水面巷道混凝土体内与门框附近混凝土内钢筋计应力，以及侧墙肩部与拱顶肩部渗透压力情况。从钢筋计和应变计测得的数据分析，硐室顶部结构及配筋等设计是安全可靠的。在相同水压下，工业性试验的应力高于模拟实验应力。当水压力超过2.1MPa时，渗压计压力突然升高，说明硐室承受的载荷增加，作用于16m²净断面上的高压水逐渐渗入混凝土，迎水断面逐渐扩大，直至60m²左右。另外，顶部的应力小于侧墙上的应力，是因为顶部为拱形结构，其空间作用面小；门硐断面狭窄且成矩形，两侧墙高，其空间作用面大。这一测试结果和理论计算是一致的。

5　结　语

　　(1)高压防水闸门硐室建造在煤线、粉砂岩、粘土岩互层的围岩条件下，只要采取有效措施，是可以保证施工安全和工程质量的。
　　(2)高压防水闸门硐室工程，设计先进、方案合理、措施得当，取得了预期的效果，积累了施工经验。
　　(3)应力测试结果表明，新的计算理论是正确的，填补了国内防水闸门硐室计算理论的空白。
　　(4)试验所取得的混凝土内应力场和表面应力分布情况，门扇、门框的受力情况等技术资料，为新的硐室设计提供了科学的依据。

作者简介：高法民　1962年生，高级工程师，总工程师，1986年毕业于山东矿业学院，发表论文多篇。地址：山东省肥城市湖屯镇，邮码：271613。
作者单位：肥城矿务局陶阳煤矿

收稿日期：1999-03-12