论文部分内容阅读
[摘 要]通过一起事故，分析承压隔水墙或密闭在不同岩性巷道中的选址，为今后设计和施工该设施提供经验。
[关键词]事故 承压隔水密闭 抗压强度 岩性
中图分类号TV221.2 文献标识码：B 文章编号：
一、概述：鹿南矿现开采5个煤层，其中主力厚煤层有3个，煤层厚度在5.8m的煤层分别是11、18-2、22号煤层。而它们的自燃发火期在8-10个月左右，在煤巷掘进期间就出现自燃发火现象，放顶煤工作面在开采期间更是发火隐患频出，而水淹法对于处理那些隐患范围不清、长度较小且火点位置不明确的隐患、已经发火巷道并接近停采的采煤工作面[1]，有明显效果，在一些矿也开始应用。另外，在矿井浅部含水空区与深部煤层开采的隔水问题上，除了留设足够的煤岩柱外，还要隔绝两部分的连通巷道，这对承压隔水墙及密闭设计及施工的安全可靠性同样提出更高要求。所以承压隔水墙的设计施工必须科学合理、安全可靠和具有针对性。
二、问题的提出：鹿南矿曾在2012年11月设计施工过一个承压隔水墙，用水淹法处理-450中22层采煤工作面发火隐患，隔水墙承压0.92MPa，成功处理了该火区。而在2013年11月对其邻区也采用相同方法处理发火隐患时，隔水墙施工在煤巷里，结果造成灌浆水在闭前上帮及底板发生管涌，大约3000立方米的涌水溃入井底车场，因为发现得早、汇报并组织撤人及时，没有人员受伤。这次事故给了我们深刻的教训：凡是承压隔水墙或密闭，除了墙体抗压强度要足够大，密闭的围岩要同样有满足安全要求，在设计该承压隔水墙或密闭时，选址必须充分考虑围岩的岩性、强度、裂隙、构造等因素。
三、事故前后两个承压隔水密闭的施工要素的对比
3.1.1、 -450中22层综放面于2012年5月7日正式开采，该区走向长度238m，倾斜长度141m，采高6.32m，煤层平均倾角32.5°，煤层自燃发火期为7个月，该区因软帮CO隐患较大，且没有处理彻底，矿决定使用水淹法，在-450中22层边界石门内施工承压隔水密闭。
3.1.2、对承压隔水密闭前后25米巷道围岩性质的要求：不能有煤线、断层及密闭周围岩性要稳定，裂隙少，层理、节理不发育，特别是要躲开页岩、泥岩、薄煤层。根据该巷道掘进期间实见，对围岩性质的鉴定，施工地点选择的围岩比较稳定的粉砂岩层内，根据《采矿工程设计手册》围岩分类，该岩层属中等稳定岩层，可以施工承压隔水墙。
3.1.3、承压隔水墙厚度按楔形公式（采矿工程设计手册）数值代入公式得：L=0.3774，设计压力0.92Mpa，该承压隔水墙面积达到12.5m2，安全系数选为8，为加强防水密闭墙体牢固厚度确定为8×0.3774米=3.019米。故该隔水墙体厚度确定为3.1米。
3.1.4、承压隔水墙的结构设计：根据巷道充水后压力方向，承压隔水墙体的形状为倒楔形。墙体承压一侧深度为0.95米，楔形面与水平夹角22°。混凝土标准必须严格遵守《混凝土结构设计规范（GBJ10-89）》规定，混凝土强度等级为C30，水泥使用标号425#，石子粒径为5-40mm，塌落度为7-9，砂子使用江河砂。混凝土体积配比为 水：水泥：沙子：石子=1：1.4：1.8：4.1。掏槽完毕后必须进行冲洗。混凝土必须保证保养29天。承压隔水墙周围围岩加固处理：承压隔水墙与周围围岩体中的裂隙，可能透水，采用高分子堵水材料对该墙体与周围围岩进行打孔灌浆加固。
3.2.1、-450中22层外区工作面于2013年11月安装，但是又出现发火隐患，矿决定仍使用可视灌浆法进行处理，但这回考虑到启封恢复机道工作量较大，而将密闭位置设在工作面下出口外10米处，结果随着灌浆水高度的升高，在水面高度达到25米的时候，发生溃水事故。
3.2.2承压隔水密闭所在巷道围岩状况：所施工的承压隔水闭的巷道为底板煤巷，上帮底板0.9米厚的粉砂岩，再往上1.2米的煤，0.3米的矸石，往上0.7米的煤。无断层，裂隙少，层理、节理不发育。
3.2.3承压隔水墙的结构设计：承压隔水墙体的形状略微呈楔形。施工时墙体顶、底、帮掏槽呈楔形，掏槽前必须找到硬帮、硬底，楔形槽深度为0.4米，掏槽完毕后必须用水冲洗干净。施工隔水墙的巷道净高2.8米，净宽3.8米，故墙体前后巷道净高3.4米、净宽确定为4.6米。墙体厚度为3.0米。混凝土体积配比为 水：水泥：沙子：石子=1：1：2：3。
3.2.4承压隔水墙加固处理：为了使承压隔水墙承压水的压力增加，安全系数增大，在施工完密闭后，在承压隔水墙外使用3.15m单体打戗顶子，戗顶子必须紧好木楔子，保证牢固。
四、承压隔水密闭墙体强度分析
以C30混凝土的抗压强度为例，实验编号为2011-0302的C30混凝土24.9MPa、破坏载荷560kN（最小489kN）、实验编号为2003-1208的抗压强度 35.6MPa ，破坏载荷732kN（最小破坏载荷645kN），可见只要按标准施工墙体，抗压强度和破坏载荷都能满足一般矿井水压的承压需要。根据案例一的成功经验看，在矿井内的防隔水密闭强，墙体本身只要按设计要求施工，墙体自身承压是没有问题的，问题在于围岩，围岩的特性能否满足承压需要。
五、承压隔水密闭的围岩地质条件分析
通过岩石抗压强度参考数据分析，从各种岩石、煤的抗压强度，和饱和抗压强度看煤岩层的隔水能力，围岩只要不是破碎的变质砂页岩、泥岩、软弱松散煤层，一般的强度都要在4MPa以上，即使吸水饱和后，乘以0.75软化系数，抗压强度还要在3MPa以上，能承受300米的水压，对于使用水淹法处理一个垂高70～100米的采煤工作面是完全够用的。
案例二的水压差在30米，出现事故的原因是墙体，还是围岩？为什么围岩的抗压强度够，还出现跑水事故呢？通过事故的调查、勘查、排查、岩性分析，一是墙体围岩掏槽浅仅0.4米，二是在巷道煤岩交接处有的一层0.32厚的破碎煤层，受水浸泡后，先导水，一点一点被刺开、刷大，最后被水冲开一个0.3米直径的洞，放出3000立方米的积水，险些酿成伤人事故。事故结论是事故密闭的围岩中含有破碎煤层，未经处理。另外在围岩中掏的闭槽太浅，使压力水很容易绕过密闭。通过案例一和案例二对比及分析：施工隔水承压密闭或挡水墙前，必须论证围岩的特性、煤岩进水后的微观结构变化、饱和抗压强度、松散破碎程度。
六、预防此类事故的对策
第一、设计隔水密闭的位置要选择围岩稳定的砂岩、粉砂岩层内，尽可能避开页岩、泥岩、煤层。第二、如果隔水密閉的位置选择余地非常小，又遇到松散煤岩层，那么，闭的四周掏槽深度要大于断面高度的三分之一，同时要辅助注浆堵隙、增加强度的方法。第三、如果遇到软弱煤层或含泥岩的岩层，尽量不进行防隔水密闭的设计。但是水压小于0.8MPa的地点，可以通过特殊措施来解决，但周围不能有断层等构造，还必须采样做饱和抗压强度实验。该设施的服务期限取决于围岩吸水崩解软化速度。第四、隔水密闭施工必须做到掏槽到位、混凝土质量到位、注浆到位、检测到位。
七、吸取经验教训，今后注意事项
第一、严把设计关，深挖隐蔽风险隐患，针对不同煤、岩层要有充分的论证，尤其是要做饱和抗压强度实验。第二、严把质量关，掏槽、注浆工作必须按设计施工并到达设计要求、工程效果、立项的目的。第三、使用该方法时，要有科学的监控体系，及时发现新出现的问题。
第四、使用该设施时，一定要有灾害应急预案。
作者简介：张鹏（1973.3-），男，2009年毕业于黑龙江科技学院采矿工程专业，中级工程师，现任龙煤集团富力煤矿防治水科长。
[关键词]事故 承压隔水密闭 抗压强度 岩性
中图分类号TV221.2 文献标识码：B 文章编号：
一、概述：鹿南矿现开采5个煤层，其中主力厚煤层有3个，煤层厚度在5.8m的煤层分别是11、18-2、22号煤层。而它们的自燃发火期在8-10个月左右，在煤巷掘进期间就出现自燃发火现象，放顶煤工作面在开采期间更是发火隐患频出，而水淹法对于处理那些隐患范围不清、长度较小且火点位置不明确的隐患、已经发火巷道并接近停采的采煤工作面[1]，有明显效果，在一些矿也开始应用。另外，在矿井浅部含水空区与深部煤层开采的隔水问题上，除了留设足够的煤岩柱外，还要隔绝两部分的连通巷道，这对承压隔水墙及密闭设计及施工的安全可靠性同样提出更高要求。所以承压隔水墙的设计施工必须科学合理、安全可靠和具有针对性。
二、问题的提出：鹿南矿曾在2012年11月设计施工过一个承压隔水墙，用水淹法处理-450中22层采煤工作面发火隐患，隔水墙承压0.92MPa，成功处理了该火区。而在2013年11月对其邻区也采用相同方法处理发火隐患时，隔水墙施工在煤巷里，结果造成灌浆水在闭前上帮及底板发生管涌，大约3000立方米的涌水溃入井底车场，因为发现得早、汇报并组织撤人及时，没有人员受伤。这次事故给了我们深刻的教训：凡是承压隔水墙或密闭，除了墙体抗压强度要足够大，密闭的围岩要同样有满足安全要求，在设计该承压隔水墙或密闭时，选址必须充分考虑围岩的岩性、强度、裂隙、构造等因素。
三、事故前后两个承压隔水密闭的施工要素的对比
3.1.1、 -450中22层综放面于2012年5月7日正式开采，该区走向长度238m，倾斜长度141m，采高6.32m，煤层平均倾角32.5°，煤层自燃发火期为7个月，该区因软帮CO隐患较大，且没有处理彻底，矿决定使用水淹法，在-450中22层边界石门内施工承压隔水密闭。
3.1.2、对承压隔水密闭前后25米巷道围岩性质的要求：不能有煤线、断层及密闭周围岩性要稳定，裂隙少，层理、节理不发育，特别是要躲开页岩、泥岩、薄煤层。根据该巷道掘进期间实见，对围岩性质的鉴定，施工地点选择的围岩比较稳定的粉砂岩层内，根据《采矿工程设计手册》围岩分类，该岩层属中等稳定岩层，可以施工承压隔水墙。
3.1.3、承压隔水墙厚度按楔形公式（采矿工程设计手册）数值代入公式得：L=0.3774，设计压力0.92Mpa，该承压隔水墙面积达到12.5m2，安全系数选为8，为加强防水密闭墙体牢固厚度确定为8×0.3774米=3.019米。故该隔水墙体厚度确定为3.1米。
3.1.4、承压隔水墙的结构设计：根据巷道充水后压力方向，承压隔水墙体的形状为倒楔形。墙体承压一侧深度为0.95米，楔形面与水平夹角22°。混凝土标准必须严格遵守《混凝土结构设计规范（GBJ10-89）》规定，混凝土强度等级为C30，水泥使用标号425#，石子粒径为5-40mm，塌落度为7-9，砂子使用江河砂。混凝土体积配比为 水：水泥：沙子：石子=1：1.4：1.8：4.1。掏槽完毕后必须进行冲洗。混凝土必须保证保养29天。承压隔水墙周围围岩加固处理：承压隔水墙与周围围岩体中的裂隙，可能透水，采用高分子堵水材料对该墙体与周围围岩进行打孔灌浆加固。
3.2.1、-450中22层外区工作面于2013年11月安装，但是又出现发火隐患，矿决定仍使用可视灌浆法进行处理，但这回考虑到启封恢复机道工作量较大，而将密闭位置设在工作面下出口外10米处，结果随着灌浆水高度的升高，在水面高度达到25米的时候，发生溃水事故。
3.2.2承压隔水密闭所在巷道围岩状况：所施工的承压隔水闭的巷道为底板煤巷，上帮底板0.9米厚的粉砂岩，再往上1.2米的煤，0.3米的矸石，往上0.7米的煤。无断层，裂隙少，层理、节理不发育。
3.2.3承压隔水墙的结构设计：承压隔水墙体的形状略微呈楔形。施工时墙体顶、底、帮掏槽呈楔形，掏槽前必须找到硬帮、硬底，楔形槽深度为0.4米，掏槽完毕后必须用水冲洗干净。施工隔水墙的巷道净高2.8米，净宽3.8米，故墙体前后巷道净高3.4米、净宽确定为4.6米。墙体厚度为3.0米。混凝土体积配比为 水：水泥：沙子：石子=1：1：2：3。
3.2.4承压隔水墙加固处理：为了使承压隔水墙承压水的压力增加，安全系数增大，在施工完密闭后，在承压隔水墙外使用3.15m单体打戗顶子，戗顶子必须紧好木楔子，保证牢固。
四、承压隔水密闭墙体强度分析
以C30混凝土的抗压强度为例，实验编号为2011-0302的C30混凝土24.9MPa、破坏载荷560kN（最小489kN）、实验编号为2003-1208的抗压强度 35.6MPa ，破坏载荷732kN（最小破坏载荷645kN），可见只要按标准施工墙体，抗压强度和破坏载荷都能满足一般矿井水压的承压需要。根据案例一的成功经验看，在矿井内的防隔水密闭强，墙体本身只要按设计要求施工，墙体自身承压是没有问题的，问题在于围岩，围岩的特性能否满足承压需要。
五、承压隔水密闭的围岩地质条件分析
通过岩石抗压强度参考数据分析，从各种岩石、煤的抗压强度，和饱和抗压强度看煤岩层的隔水能力，围岩只要不是破碎的变质砂页岩、泥岩、软弱松散煤层，一般的强度都要在4MPa以上，即使吸水饱和后，乘以0.75软化系数，抗压强度还要在3MPa以上，能承受300米的水压，对于使用水淹法处理一个垂高70～100米的采煤工作面是完全够用的。
案例二的水压差在30米，出现事故的原因是墙体，还是围岩？为什么围岩的抗压强度够，还出现跑水事故呢？通过事故的调查、勘查、排查、岩性分析，一是墙体围岩掏槽浅仅0.4米，二是在巷道煤岩交接处有的一层0.32厚的破碎煤层，受水浸泡后，先导水，一点一点被刺开、刷大，最后被水冲开一个0.3米直径的洞，放出3000立方米的积水，险些酿成伤人事故。事故结论是事故密闭的围岩中含有破碎煤层，未经处理。另外在围岩中掏的闭槽太浅，使压力水很容易绕过密闭。通过案例一和案例二对比及分析：施工隔水承压密闭或挡水墙前，必须论证围岩的特性、煤岩进水后的微观结构变化、饱和抗压强度、松散破碎程度。
六、预防此类事故的对策
第一、设计隔水密闭的位置要选择围岩稳定的砂岩、粉砂岩层内，尽可能避开页岩、泥岩、煤层。第二、如果隔水密閉的位置选择余地非常小，又遇到松散煤岩层，那么，闭的四周掏槽深度要大于断面高度的三分之一，同时要辅助注浆堵隙、增加强度的方法。第三、如果遇到软弱煤层或含泥岩的岩层，尽量不进行防隔水密闭的设计。但是水压小于0.8MPa的地点，可以通过特殊措施来解决，但周围不能有断层等构造，还必须采样做饱和抗压强度实验。该设施的服务期限取决于围岩吸水崩解软化速度。第四、隔水密闭施工必须做到掏槽到位、混凝土质量到位、注浆到位、检测到位。
七、吸取经验教训，今后注意事项
第一、严把设计关，深挖隐蔽风险隐患，针对不同煤、岩层要有充分的论证，尤其是要做饱和抗压强度实验。第二、严把质量关，掏槽、注浆工作必须按设计施工并到达设计要求、工程效果、立项的目的。第三、使用该方法时，要有科学的监控体系，及时发现新出现的问题。
第四、使用该设施时，一定要有灾害应急预案。
作者简介：张鹏（1973.3-），男，2009年毕业于黑龙江科技学院采矿工程专业，中级工程师，现任龙煤集团富力煤矿防治水科长。