B080304深部软岩泵房集约化吸水井设计在旗山煤矿的应用

旗山煤矿深部软岩泵房集约化吸水井的结构与支护黄茂鸿1刘银根2【1-徐州矿务集团有限公司；2-徐州矿务集团有限公司旗山煤矿，江苏徐州221006】摘要在深部矿井中，在高地应力的影响下，采用传统的矿井水平泵房设计和施工无法满足生产和安全的需要。根据矿井井型和排水量，制定软岩泵房吸水井集约化设计系列方案。本文阐述了软岩泵房吸水井集约化设计原理、吸水井施工支护顺序要求以及支护效果和经济效益。与传统设计相比，集约化吸水井满足了原有功能，减少了工程量和工程造价，硐室的稳定性也大大提高。关键词软岩泵房吸水井集约化设计原理施工顺序支护效果-----------------------------------------------------------------------前言旗山煤矿-1000m水平泵房系统自2005年2月开始施工，在掘进过程中，巷道出现了顶板下沉严重、底臌和两帮收缩量大等现象，采用原支护技术难以满足巷道的正常使用。针对该硐室群的具体情况及条件，国家自然科学基金重大项目现场实验示范工程课题组从工程地质条件和现场巷道破坏状况调查着手，分析了巷道围岩结构与破坏原因机理，结合室内和现场实验，制定旗山矿-1000m水平泵房系统吸水井支护设计方案。1传统设计存在的问题随着煤炭工业的发展，我国基建矿井和生产矿井的井巷施工深度不断加大。深部围岩处于软岩状态，施工条件趋于复杂，巷道及硐室支护的难度越来越大。尤其是泵房硐室、吸水井、配水井、配水巷系统复杂，各种因素交织在一起，造成硐室、巷道条件恶劣，传统常规设计施工，造成巷道失稳，泵房系统受压破坏，严重影响泵房的正常运转，危及矿井安全生产，反复翻修耗资巨大。常规设计存在问题及主要原因表现在以下几个方面。（1）应力集中程度高旗山矿水泵房吸水井传统设计都为3个吸水小井，吸水井及配风巷的布置使水泵房成为立体巷道最密集的区域，容易造成巷道围岩应力集中，使水泵房硐室容易产生破坏。（2）硐室稳定性差受水泵房硐室空间限制，吸水小井之间岩柱尺寸不能过大，使各吸水小井之间围岩产生应力集中。同时，吸水小井井壁一般采用砌碹支护，支护强度低，容易造成吸水小井产生破坏，进而影响水泵房硐室稳定性。（3）底臌严重水泵房及吸水小井围岩的破坏，影响水泵房硐室底板的稳定性，产生变形、底臌或开裂，使设备基础产生破坏，造成设备不能正常运转，进而影响整个排水系统的正常运转。（4）工程量大每个吸水小井都有与水仓相连的配水巷，吸水小井越多，配水巷越长，巷道密集交错，围岩应力重叠，给支护带来了很大的困难，工程量也较大。（5）清理维修困难各吸水小井与水仓相连的配水巷，虽然巷道断面较小，但受水泵房及吸水小井的影响，极易产生破坏，造成清理及维修困难。2吸水井集约化设计2.1设计依据及目的软岩泵房吸水井集约化设计是在吸水阻力校核、清理空间计算、等效设计计算、吸水扰动半径校核和新型组合井稳定性计算的基础上，根据矿井井型和排水量提出的软岩矿井组合吸水井设计系列方案[1]。其目的在于提供一种能够消除立体巷道硐室群空间效应影响的设计方法，在减少工程量的同时，使其整体稳定性大大提高。2.2设计原理①消除立体巷道硐室群的空间效应，将几个吸水小井进行组合，使之成为一个圆形组合吸水井，利用井壁径向钢筋混凝土隔断分割成三个吸水小井，使吸水小井围岩及支撑受力状况良好，大大提高组合吸水井的整体稳定性，避免对水泵房硐室产生不利影响。②组合吸水井的规格尺寸通过对吸水阻力校核、清理空间计算、等效设计计算、吸水扰动半径校核和新型组合井稳定性计算确定吸水井的毛断面尺寸。③在改善硐室受力条件的同时，通过采用合理的支护方式，确保硐室安全稳定。④能否有效隔断围岩与水的联系，对于硐室的支护效果影响极大，为此，永久性支护应为封闭性防水支护。3.3结构及支护形式吸水井毛断面直径为6.8m、净断面直径为6.0m，壁厚400mm，其间平均分三个扇形空间；五个吸、排水圆形通道，其中三个直径800mm，两个直径600mm；三趟爬梯，为直径20mm的圆钢弯制而成。其结构与支护形式如图1、图2所示。图1吸水井支护断面示意图图2吸水井支护剖面示意图4吸水井支护施工顺序及要求吸水井支护施工的顺序为：掘进成型→锚、网、喷支护→变形监测→架设桁架→浇筑吸水井井筒混凝土→浇筑吸水井隔断混凝土。施工要求如下：（1）掘进成型按设计直墙半圆拱毛断面尺寸从上至下掘进成型。短段掘进，每段高度为1000mm。巷道周边成形基本平整、圆顺，符合设计轮廓要求。严格限制超挖量，如因其它原因造成超挖量超过150mm，挂网前用混凝土喷平。一般不允许欠挖。（2）锚、网、喷支护初喷：井筒全断面初喷混凝土，厚度50mm，封闭围岩，混凝土强度为C20。挂网：网片用直径8mm的钢筋焊接而成，网格规格为100×100（mm），要求网片逐点焊接，整体性好。网与网之间逐扣连接，网片搭接长度为100mm。安设锚杆：锚杆需快速安设，锚杆为直径20mm、长2500mm的左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，间排距为712×800（mm），三花布置，每根锚杆用1卷K2370型树脂锚固剂卷锚固，抗拔力不小于80kN，二次紧固扭矩为250～300N•m。安设锚索：锚索为直径15.24mm、长8000mm的钢绞线，间排距为1400×2100（mm），三花布置，用1卷K2370和1卷CK2370型树脂锚固剂卷锚固，预紧力不小于120kN。（3）变形监测按“支护监测设计”要求布设巷道变形监测断面，进行变形监测。（4）桁架架设及连接桁架架设时，按设计要求架设方形桁架，并与泵房开口架及壁龛桁架通过螺栓连接，严格按照“短掘短支”的要求架设吸水井圆形桁架，并及时进行架间连杆连接，严禁少连或漏连，保证架间连接牢固。（5）浇筑吸水井井筒混凝土通过监测确定巷道围岩变形，当围岩变形小于1mm/d时，进行永久支护，永久支护为浇筑混凝土，型号为C30，厚度为300mm。为防止生产期间吸水井向围岩渗水，在浇筑混凝土时加入防水剂。浇筑混凝土时，在隔断位置预留开口，以便隔断浇筑时，隔断配筋与吸水井桁架连接。（6）浇筑吸水井隔断混凝土井筒混凝土浇筑完毕并凝固后，进行隔断混凝土浇筑，混凝土型号为C30，厚度为400mm。为防止生产期间隔断渗水，在浇筑混凝土时加入防水剂。5支护效果及经济效益5.1支护效果在井壁设计了两个观测点进行观测，具体支护效果如表1所列。表1两帮移近观测数据时间1#2#位移量/mm位移速率/mm·d-1位移量/mm位移速率/mm·d-12.23609560763.0260920.4360710.713.0960890.4360670.573.1660860.4360640.433.2360830.4360610.433.3060820.1460590.294.0660810.1460580.144.1660800.1460580.004.3060800.0060570.14由表1可见，采用吸水井集约化设计后，井壁位移速率极小，集约化吸水井的支护能有效地控制围岩变形。5.2经济效益比较集约化吸水井设计与传统设计比较如表2所列。表2集约化吸水井设计与传统设计比较设计吸水井数/个配水巷长度/m井巷工程量/m工程造价估算/万元稳定性评价传统设计328～3035～4828～38.4差集约化设计1054良好新设计优越性节约2个节省28～30减少30～43节约24～34.4显著提高6结论软岩泵房吸水井集约化设计[2]，把煤矿中的立体巷道最密集、应力最集中也最容易破坏的部位，用最简化的新型集约化设计来代替。和传统设计相比，在功能完全满足的前提下，不仅减少了工程量和工程造价，而且稳定性大大提高。参考文献[1]何满潮，孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南[M].北京：科学出版社，2004.[2]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学.北京：科学出版社，2002.第一作者简介黄茂鸿男，1967年出生，江苏东台人，1998毕业于中国矿业大学。现任徐州矿务集团有限公司生产技术部掘进科科长，曾获专利一项，公开发表论文数篇。（收稿日期：2008-05-21；责任编辑：黄翔）