一种矿山巷道防渗高强度密闭墙的施工方法与流程

本发明属于矿山水害保护措施领域，特别涉及一种矿山巷道防渗高强度密闭墙的施工方法。
背景技术：
随着我国开采深度的不断增加，浅层煤炭资源已趋于枯竭，在开采下部煤炭时矿井就会受到上部煤炭采空区积水的威胁。采空区积水量较大，一旦发生突水会在较短时间内溃入井下，造成淹井事故。为了预防这种事故的发生，井下一般采取防水闸门和防水密闭墙的措施。而防水密闭墙主要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和井下避灾硐室处。本发明是针对采空区施工的防水密闭墙，由于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，其主要承受的是缓慢注入采空区的静水压力，墙体的强度必须达到1.3mpa。在实际中，采空区积水通过墙体渗入巷道中同样是井下一大隐患。所以本发明针对这些需要解决的隐患和问题，研究出一种防渗高强度密闭墙的施工方法，提高了防水墙的防渗性以及抵抗冲击的强度，对矿井生产采区的安全开采、巷道的安全起到了至关重要的作用。现如今的防水密闭墙采用的形式主要分成直墙式和掏槽式两种。这两种防水墙在功能上并无差别，都是为了防止突水对矿井安全造成威胁，不管在采空区还是避灾硐室设置密闭，两种形式的密闭墙都可以实现。但这两种形式的防水密闭墙在材料性能、工艺、设备、效率和密闭效果等方面各有其优缺点。(1)直墙式：直墙式防水密闭墙的优点在于其结构简单，不需要掏槽，节省了工程费用，缩短了施工工期。但由于其结构单一，墙的承载强度主要是靠锚杆与墙体的抗剪力，强度较小。其次直墙式密闭墙在突水大时或者遇到高压水在墙体多会发生渗漏，防渗性较差。(2)掏槽式：掏槽式防水密闭墙会在密闭墙浇筑前先于两帮和顶底板掏槽，使墙体与围岩之间缝隙缩小，防渗性更好，墙体强度更大。减少高压水通过墙体的渗漏以及冲垮密闭的危险。目前在矿井巷道应对水文地质灾害，在确定密闭墙形式后，为了建立出强度既高又防渗水的密闭墙，在混凝土浇筑过程和材料选择等施工方法上加以创新和改善就显得尤为重要。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明提供了一种矿山巷道防渗高强度密闭墙的施工方法，为满足上述目的，本发明结合大坝的防渗混凝土墙施工工艺，通过安装井下防渗水高强度密闭装置，提供了一种能够在透水时期实现密闭，且结构简单、施工方便、渗水量小、安全性高、可靠性好的防渗高强度密闭墙。一种矿山巷道防渗高强度密闭墙的施工方法，具体步骤如下：步骤1，掏槽：对密闭地点的顶、底板与两帮进行掏槽，分别为第一、二、三、四掏槽，其中第二、三、四掏槽为相邻掏槽，可以合并为一个掏槽，其中，底部掏槽深度不低于300mm，顶部掏槽深度不少于500mm；两帮掏槽直到触及煤岩以保证围岩稳定；步骤2，确定“三孔”的位置及尺寸：选定“三孔”(措施孔、观察孔、放水孔)的位置，“三孔”全部安设在墙体中心线位置，将放水孔设置在距底板300～350mm位置，观察孔位于顶板到底板的中间处，措施孔设立在距顶板280～320mm处，并保证其在掏槽内，措施孔的直径不小于100mm，观察孔和放水孔直径不小于25mm，在顶板掏槽位置设置2～3根导管深入，相邻导管之间的间距不大于3.5m；步骤3，搭建砖墙及混凝土墙钢筋骨架：在掏槽中构建墙体，墙体为砖墙或混凝土墙，使用砖头堆砌墙体，施工时，干砖要浸湿；堆砌时，相邻竖缝要错开，横缝水平，排列整齐；墙心逐层用砂浆填实，槽口与接顶严实，砖墙体须抹面和抹裙边，打光压实，无裂缝、重缝和空缝，抹面厚度不小于2cm，裙边宽度不小于0.2m；混凝土密闭墙四周掏槽内分别镶嵌4根锚杆，并在巷道四个方位都安设锚杆，在锚杆上铺设钢筋网，钢筋网和锚杆交接点互相搭接，并用铁丝绑紧、扎牢；步骤4，混凝土浇筑：(1)浇筑前：在导管内放人一个导注塞，向导管内注入水泥砂浆，借水泥砂浆的重力将导注塞压至孔底，之后将管内的泥浆排出孔外；(2)浇筑：采用“直升导管法”进行浇筑，连续向导管内输送混凝土，逐层灌注填实，要做到严密不留空缝，导管底口埋入混凝土中的深度为1～6m，以防泥浆固定住埋管待墙体内混凝土面浇平后，再均衡上升，混凝土面上升速度不应小于2m/h，相邻导管处混凝土面高差应控制在0.5m以内，连续浇筑，直至巷道顶板，封顶时要与顶帮接实；(3)浇筑后：每道墙体施工结束之后均要对四周进行喷浆，喷有不少于100mm的裙边，喷浆厚度不小于100mm，确保密闭墙周围的防渗性，然后清理回弹料，直至见实底，完成防水密闭墙的构筑。上述一种矿山巷道防渗高强度密闭墙的施工方法，其中：所述步骤1中，由前后两个掏槽，前掏槽内堆砌前砖墙，后掏槽内堆砌混凝土墙和后砖墙；掏槽时将所有导电体全部断开，掏出的表面上的煤、矸石、以及其它废料要尽快收拾干净，及时运走，不得堆在施工地点。所述步骤2中，“三孔”的位置选择需参照井下具体情况。所述步骤3中，为保证墙面与巷道垂直，施工密闭时必须拉线，砂浆填实饱满，灰缝尺寸不大于10mm，均匀一致。所述步骤4(1)中，浇筑前，应仔细检查导管的形状、接头、焊缝的质量，过度变形和损坏的导管不能使用，导柱塞为直径比导管内径小2mm的皮球或木球。所述步骤4(2)中，浇筑时，应遵循先深后浅的顺序，即从最深的导管开始，由深到浅，依次浇筑，浇筑过程中，需要记好混凝土面上升记录，杜绝堵管、埋管、导管漏浆和泥浆掺混的事故发生。所述步骤4(2)中，混凝土由低热硅酸盐水泥，粉煤灰，减水剂和引气剂混合而成，比表面积为210～240m2/kg，其中，硅酸盐水泥：粉煤灰：减水剂：引气剂＝240：160：2：12，减水剂为新一代聚羧酸系减水剂。所述步骤4(3)中，施工时必须将三孔进行临时封堵，防止杂物进入管路内；延接管路前及时将临时封堵管路的材料拆除，确保“三孔”管路畅通。上述一种矿山巷道防渗高强度密闭墙的施工方法，主要技术思路为：一般井下设置防水闸门，但一旦发生透水事故，防水闸门对水体起不到密闭作用，考虑到本发明需要高强度和防渗水性良好的密闭墙，所以选择掏槽式防水密闭墙的形式。采用“直升导管法”进行浇筑，所以措施孔深入混凝土墙体，为保证其防渗性，可设置2～3根导管深入，由于防渗墙混凝土坍落度一般为18～22cm，其扩散半径为1.5～2m，因此相邻导管之间的间距不宜大于3.5m，此种浇筑方法保证了混凝土的强度与防渗性。利用水利工程中的防渗墙混凝土浇筑工艺与混凝土材料配制应用于井下密闭墙的施工工艺上。先在待施工巷道进行抽水，然后在混凝土浇筑时从帮部预先挖出的槽体内伸入措施管并接上导管伸入待浇筑墙体中，此种施工方式可以很好的防止在筑墙的过程有水的侵入；考虑到墙体的强度与防渗性，在材料上使用强度更高，防渗透性更好的混合材料，从这两方面来实现密闭墙的高强度和防渗性，把水利工程中大坝防渗墙中混凝土的材料应用到井下密闭，使其获得更好的封闭效果上述一种矿山巷道防渗高强度密闭墙的施工方法，与现有技术相比，有益效果为：本发明结合大坝的防渗混凝土墙施工工艺，通过安装井下防渗水高强度密闭装置，提供了一种能够在透水时期实现密闭，且结构简单、施工方便、渗水量小、安全性高、可靠性好的防渗高强度密闭墙，解决了井下遇到突水事故需要构建防水密闭墙时水会渗透的问题，该密闭墙结构为“砖墙+充填层+混凝土墙”的复合墙体结构，且墙体与煤帮之间没有缝隙，避免了直墙式密闭墙的防渗性不足的缺点，将更成熟的混凝土浇筑工艺运用到了井下密闭墙，使煤矿混凝土浇筑工艺从质量和成功率都有所提高，保证了防渗性与高强度的要求。附图说明图1本发明防水密闭墙侧视图，1-第一墙体，2-第二墙体，3-第三墙体，4-第四墙体，5-固力夹网，6-充填层，7-巷道顶板，8-巷道底板，9-放水孔，10-观察孔，11-措施孔。图2本发明混凝土墙固力夹网结构示意图，12-锚杆。图3本发明混凝土墙浇筑示意剖面图。图4本发明防水密闭墙受力结构示意图。具体实施方式以下结合某矿的具体实施例，对本发明的技术方案进行描述。某矿井下储水的采空区主要是一盘区31104～31116工作面，积水标高1098.7m，平均积水深度5.2m，积水量387.3万m3，需要在一盘区北部最外侧的31116-2工作面与大巷之间的辅运巷道、回撤巷道及联络巷中用本发明设置防水密闭墙。通过设置5道防水密闭墙将采空区储水进行封闭，巷道断面5.0m×3.7m。如图1所示出本发明在实施例中的防水密闭墙的侧视图，包括第一墙体1，第二墙体2，第三墙体3，第四墙体4，固力夹网5，充填层6，巷道顶板7，巷道底板8，放水孔9，观察孔10，措施孔11；其中，第一墙体1、第二墙体2、第四墙体4为砖墙，第三墙体3为混凝土墙，第一墙体1与第二墙体2之间为充填层6，第三墙体3内部设置固力夹网5。实施例中混凝土由低热硅酸盐水泥，粉煤灰，减水剂和引气剂混合而成，比表面积为210～240m2/kg，其中，硅酸盐水泥：粉煤灰：减水剂：引气剂＝240：160：2：12，减水剂为新一代聚羧酸系减水剂。实施例本发明实施例提出了上文提到煤矿的密闭墙施工的具体步骤：一种矿山巷道防渗高强度密闭墙的施工方法，具体步骤如下：步骤1，掏槽：对巷道的顶板7、底板8与两帮进行掏槽，分别为第一、二、三、四掏槽，其中第二、三、四掏槽为相邻掏槽，可以合并为一个掏槽，各掏槽均平行设置，每个掏槽均包括顶槽、帮槽和底槽，顶槽位于巷道顶板7，底槽位于巷道底板8，帮槽位于巷道两侧，其中，底部掏槽深度不低于300mm，顶部掏槽深度不少于500mm，顶槽宽0.3m，底槽宽0.2m，帮槽宽0.5m，且槽宽与墙体宽度配套，使墙体可以固定，掏槽时将所有导电体全部断开(金属网、铁丝)，掏出的表面上的煤、矸石、以及其它废料要尽快收拾干净，及时运走，不得堆在施工地点。步骤2，确定“三孔”的位置及尺寸：选定“三孔”(措施孔11、观察孔10、放水孔9)的位置，“三孔”全部安设在墙体中心线位置，将放水孔9设置在距底板350mm位置，观察孔10位于顶板到底板的中间处，措施孔设立在距顶板300mm处，并保证其在掏槽内，措施孔11的直径为110mm，观察孔和10放水孔9直径为40mm，在顶板掏槽位置设置2根导管深入，相邻导管之间的间距不大于3.5m，使在施工时渗水率降到最低；步骤3，搭建砖墙及混凝土墙钢筋骨架：第一墙体1位于第一掏槽，第二墙体2位于第二掏槽，第三墙体3位于第三掏槽，第四墙体4位于第四掏槽，第一墙体1为0.5m砖墙，第二墙体2是0.37m砖墙，第三墙体3为1m的混凝土墙，第四墙体4为0.75m砖墙，第一墙体1与第二墙体2之间为充填层6；为保证墙面与巷道垂直，施工密闭时必须拉线依次堆砌第一墙体1、第二墙体2、第四墙体4密闭，砖墙采用选用合格红机砖，干砖要浸湿；堆砌时，相邻竖缝要错开，横缝水平，排列整齐；墙心逐层用砂浆填实，砂浆填充饱满，灰缝均匀一致，不大于10mm，槽口与接顶严实，砖墙体须抹面和抹裙边，打光压实，无裂缝、重缝和空缝，抹面厚度不小于2cm，裙边宽度不小于0.2m，如图2所示，在第三掏槽的帮槽、顶槽、底槽的槽底中部分别施工一排锚杆12，锚杆12沿第三掏槽的周向分布，相邻锚杆12的间距约为1±0.1m，第二掏槽的四个边角位置上也分别施工有锚杆12，将钢筋与锚杆12采用铁丝捆绑形成混凝土钢筋骨架，钢筋网和锚杆12交接点互相搭接，搭接处采用铁丝捆绑固定，形成固力夹网5，固力夹网5设置在第三墙体3内部，固力夹网5包括混凝土钢筋骨架和钢筋网片，混凝土钢筋骨架由钢筋与锚杆捆绑固定形成，钢筋网片安装在混凝土钢筋骨架上，固力夹网5安装好后，可浇筑混凝土骨墙；步骤4，混凝土浇筑：(1)浇筑前：仔细检查导管的形状、接头、焊缝的质量，过度变形和损坏的导管不能使用，在导管内放人一个直径比导管内径小2mm的皮球，向导管内注入水泥砂浆，借水泥砂浆的重力将导注塞压至孔底，并将管内泥浆排出孔外。(2)浇筑：如图3所示，采用“直升导管法”对第三墙体3进行浇筑，遵循先深后浅的顺序，即从最深的导管开始，由深到浅，依次浇筑，浇筑过程中，需要记好混凝土面上升记录，杜绝堵管、埋管、导管漏浆和泥浆掺混的事故发生，连续向导管内输送混凝土，逐层灌注填实，要做到严密不留空缝，导管底口埋入混凝土中的深度为3m，以防泥浆固定住埋管待墙体内混凝土面浇平后，再均衡上升，混凝土面上升速度为3m/h，相邻导管处混凝土面高差应控制在0.5m以内，连续浇筑，对墙体1和墙体2之间的充填层6进行充填，第一充填材料为鹅卵石，填充高度为2.7m，第一充填材料充填完成后；采用第二充填材料马丽散，充填高度为1m，直至巷道顶板，封顶时要与顶帮接实；(3)浇筑后：施工时必须将三孔进行临时封堵，防止杂物进入管路内；延接管路前及时将临时封堵管路的材料拆除，确保“三孔”管路畅通每道墙体施工结束之后均要对四周进行喷浆，喷有不少于100mm的裙边，喷浆厚度不小于100mm，确保密闭墙周围的防渗性，然后清理回弹料，直至见实底，完成防水密闭墙的构筑，施工时必须将三孔进行临时封堵，防止杂物进入管路内；延接管路前及时将临时封堵管路的材料拆除，确保“三孔”管路畅通。由于本实施例密闭墙主要承受缓慢注入采空区的水压作用，故对本发明构筑的密闭墙进行可靠性分析，根据受力性质不同，建立以下模型进行分析：物理模型：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。3)本实施例井下防水密闭墙主体受力结构为1m厚的混凝土墙，混凝土强度等级为c25，按主体受力结构抗压强度及抗剪强度核算墙体所能承受的安全水头高度。防水密闭墙受力结构如图4所示。数学模型：本次分析根据受力对象的不同，结合已建立的物理模型，分别以防水密闭墙主体受力结构、围岩为研究对象，建立数学模型。1)根据防水密闭墙混凝土强度校核按防水密闭墙混凝土强度及实施例实际施工的防水密闭墙嵌入围岩的深度参数e确定其可承受的安全水压，可按式(1)计算。γ0pss1＝γhfcs2(1)s1＝bh(2)s2＝(b+2e1)×(h+e2+e3)-s1(3)式中，γ0为结构的重要性系数，取1.2；ps为防水密闭墙承受的安全水压，mpa；s1为墙体迎水端受水压作用总面积，m2；γh为混凝土折减系数，取0.85；fc为混凝土抗压强度设计值，mpa；s2为墙体与围岩作用的承压面积，m2；b为巷道净宽，m；h为巷道净高，m；e1为帮槽深度，m；e2为底槽深度，m；e3为顶槽深度，m。根据式(1)～式(3)可以推导出安全水压公式，如式(4)：ps＝γhfc[(b+2e1)(h+e2+e3)-s1]/(γ0bh)(4)按防水密闭墙混凝土抗剪强度及矿井实际施工的防水密闭墙主要承载结构的长度确定其承受的安全水压，可按式(5)计算。γ0pss1＝γhs3[τ](5)s3＝2(h+b)l(6)根据式(5)、式(6)可推导出安全水压公式，如式(7)：ps＝γh[2(h+b)l]×[τ]/(γ0bh)(7)式中，l为防水密闭墙主要承载结构墙体长度，m；s3为闸墙计算承受剪切面积，m2；[τ]为混凝土允许抗剪强度，经验公式：mpa；ft为混凝土抗拉强度设计值，mpa。根据围岩强度校核：按防水密闭墙围岩抗剪强度及矿井实际施工的防水密闭墙主要受力结构的尺寸参数确定其承受的安全水压，可按式(8)计算。γ0γcpss1＝s3τ(8)s3＝2(h+b)l(9)式中，γc为掏槽施工对围岩的影响系数，取1.6；τ为岩体允许抗剪强度，岩体允许抗剪强度经验公式τ＝0.060～0.078rmpa；r为岩体抗压强度，r＝εa×rc，rc为岩石抗压强度，mpa；εa为岩体裂隙系数，取值情况见下表1。岩体裂隙系数表节理发育程度节理不发育节理较发育节理发育节理很发育裂隙系数>0.750.45～0.750.45～0.75<0.45根据式(8)、式(9)，可推导出安全水压公式，如式(10)。ps＝[2(h+b)l]×τ/(γ0γcbh)(10)根据现场实际施工的各防水密闭墙的实际尺寸及围岩材料参数确定的防水密闭墙安全水压如大于实际水压，则该防水密闭墙是可靠的，承压是安全的。反之，是不安全的，需对不安全的防水密闭墙进行整改。根据建立的物理、数学模型，结合实施例中煤层物理力学参数及井下巷道尺寸，核算出工作面采空区防水密闭墙承受的安全水头高度为15.8m，而实际承受的水头高度为3.2m，实际水头高度小于安全水头高度，说明本发明构筑采空区防水密闭墙的可靠性及承压能力能够满足井下矿井水复用的功能。当前第1页12