李美玲，温兴林，毕义正，王如猛2,

1烟台职业学院 山东烟台 264000

2山东科技大学能源与矿业工程学院 山东青岛 266590

3山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室 山东青岛 266590

4山东滨化滨阳燃化有限公司 山东滨州 251800

根据我国统计局公布的数据，2021 年全国一次能源消费中化石能源占到总量的 86%，而煤炭消费量约占消费总量的 61%，并且由于我国的煤炭资源丰富、煤炭基数大和保护国家能源安全的角度出发，煤炭在能源消费总量中占比偏大的局面短时间内不会发生重大改变，所以我国在近十年会继续呈现能源偏煤、产业偏重的特点[1-2]。随着我国煤炭资源开采时间和规模的不断增加，煤层开采的深度也呈现逐年增加的趋势，但是所面临的冲击地压、高承压水透水等灾害事故的威胁也逐年增大[3]。

多年的实践证明，防水闸门和防水闸墙是预防煤矿透水灾害、保障煤矿安全生产的重要安全设施。根据《煤矿安全规程》的规定[4]，当矿井存在透水风险时，必须设置防水闸门或者防水闸墙，形成煤矿分采区、分翼和分水平开采。假如发生矿井透水事故时，可以利用防水闸门和防水闸墙将透水的矿井进行隔离，其他正常的矿井采取可以不受影响，将透水事故的损失和影响降到最低[5-6]。

1 矿井的地质概况

岱庄煤矿位于济宁市北部，西临京杭大运河，含煤层主要为下组煤的 16、17 煤层。开采前已探明直接充水水源为十下灰岩水，其局部因断层发育与奥灰、十三灰有水力联系，并且其含水层的富水性较好、含水层压力也较高，矿井面临的透水风险和透水灾害威胁较大。根据《煤矿安全规程》的规定要求，为保证煤矿的可持续安全生产，实现煤矿资源的最大化利用，就必须在 1160 采区和 2160 采区边界设置双向防水闸门来实现隔离分区，通过地面远程自动控制系统实现对防水闸门的自动关闭，实现透水采区与正常采区的有效隔离，减少因透水事故而导致的损失和对正常采区的影响，保证矿井的安全生产。

2 硐室位置的选取和验证

2.1 硐室位置的选取

根据《煤矿设计》的规定和要求，矿井防水闸门和防水墙硐室位置的选取应尽量避开存在断层、裂痕发育、陷落柱、煤层、节理和岩溶的地带，选择地质条件岩层完整、坚硬和稳定的地带，并且从排水、矿井运输和通风的安全生产角度出发，选择的位置尽量避开受煤矿开采的影响，便于矿井防水闸门的施工和灾害后及时恢复煤矿开采[7-8]。

通过对岱庄煤矿现有的巷道开采布置、地质水文条件和矿井开采影响等因素进行分析，确定双向防水闸门在矿井 2160 采区胶带大巷联络巷的平巷中，可对 2160 采区或 1160 采区发生透水后实现有效隔离开采。该巷道为水平平坦巷道，周围的岩层也较为坚硬、地质条件较为稳定，受煤矿开采的采动影响也较少，同时也避开了断层和陷落柱等破碎地带，距离断层 380.0 m，底板下距奥灰含水层 63.0 m，距离十三灰含水层 27.4 m，硐室上地板距离八灰含水层 38.0 m。

2.2 硐室位置验证

(1) 防水闸门硐室岩柱的留设 防水闸门硐室静水压力设计为 5 MPa，按阻隔水系数 0.1 MPa/m 计算，需留设 50 m 以上净岩柱。2160 胶带防水闸门硐室与相邻庄头断层及最近的相邻巷道之间的平面最小间距大于断层的防水煤柱 100 m，所以硐室与断层之间的岩柱可抵抗的水压大于硐室所承受的最大静水压力 5 MPa，所留设岩柱满足要求。日后若对 2160 防水闸门附近煤炭资源进行回采，在 2160 胶带防水闸门硐室周围布置巷道时，应与防水闸门硐室留设大于 50 m 的净岩柱。

(2) 矿井防水闸门底板隔水层厚度计算 根据《煤矿防治水规定》中隔水层岩层安全厚度

式中：L为矿井开采巷道的宽度，取L＝3.5 m；γ为巷道隔水层密度，γ＝0.026 2 MN/m3；Kp为巷道底板岩层的抗拉强度，取Kp＝0.073 5 MPa；p为巷道底板隔水层承受的水头压力，受到十三灰含水层水头压力为 4.48 MPa，受到奥灰含水层的水头压力为 6.33 MPa。

将以上数值代入式 (1) 中，计算得到岱庄煤矿2160 采区在开采掘进过程中双向防水闸门十三灰底板所需的安全隔水层厚度为 18.26 m，奥灰底板安全隔水层的厚度为 21.74 m。通过以上计算可以证明，矿井 2160 采区巷道在正常的开采掘进过程中不会受到来自奥灰和十三灰含水层的威胁。

3 硐室设计

3.1 抗静水压力

防水闸门的抗水压力值一般为含水层的最大静水位与防水闸门巷道底板之间标高的差值，从安全的角度出发应保留一定的安全系数。

式中：pk为单位面积上的静水压力，MPa；ρ＝1 000 kg/m3；g为重力加速度；h为最大水头高度，奥灰含水层的静水位的标高为 36.54 m，岱庄煤矿 2160 采区防水闸门硐室巷道底板的标高为-468.6 m，取h＝505.1 m。

将数值代入式 (2) 中，计算可以得到单位面积上的静水压力pk=5.0 MPa，从安全余量的角度考虑，应选用承压能力为 5.5 MPa 的防水闸门。

3.2 混凝土的强度

根据《混凝土结构设计规范》对混凝土强度的要求，矿井防水闸门所需的混凝土强度应选用 C30，其应满足抗剪切强度为 2.5 MPa，轴心的抗压强度为13.5 MPa。

3.3 硐室尺寸的选择

根据岱庄煤矿 2160 和 1160 采区的地质条件和地形特点，以及矿井防水闸门、输送带、通风、线路管线和硐室等技术要求，确定矿井防水闸门硐室前后室断面的形式。岱庄煤矿双向防水闸门采用倒截锥形式，根据《采矿工程设计手册》相关规范要求，需计算矿井防水闸门硐室主体的宽度和长度。

(1) 矿井防水闸门硐室墙体应力衰减段长度

式中：γ0为矿井防水闸门硐室结构重要性系数，取γ0=1.1；γf为矿井防水闸门作用分项系数，取γf=1.3；γd为矿井防水闸门水压动力系数，取γd=1.2；ps为矿井防水闸门所能承受的设计水压，取ps=5 N/mm2；ft为矿井防水闸门所用混凝土水泥的抗拉强度，ft＝1.5 N/mm2。

由式 (3) 计算可得，矿井防水闸门墙体应力衰减长度为 4.4 m。

(2) 矿井防水闸门硐室最大掘进断面积

式中：γsd为矿井防水闸门的作用不定性系数，取γsd=2；fcc为矿井防水闸门所用混凝土的抗压强度值，fcc=14.35 N/mm2；S为矿井防水闸门墙体巷道断面积，取S＝19.13 m2。

由式 (4) 计算可得，矿井防水闸门最大的掘进断面积为 42.17 m2。

(3) 矿井防水闸门墙体长度

式中：L0为矿井防水闸门墙体应力回升长度，根据岱庄煤矿 2160 双向防水闸门硐室布置和形式，取L0=0 m。

由式 (5) 计算可得，矿井防水闸门墙体长度为 8.8 m。

(4) 矿井防水闸门硐室墙体嵌入岩层深度

式中：B为矿井防水闸门硐室巷道的宽度，取B=4.8 m；h3为矿井防水闸门墙体巷道的巷高，取h3=2.1 m。

由式 (6) 计算可得，矿井防水闸门硐室墙体嵌入岩层深度为 1.13 m，取E＝1.2 m。

根据《矿井防水工作实施细则》中的相关规定要求，岱庄煤矿 2160 采区防水闸门硐室采用分别向两侧浇筑长宽为 5 000 mm×400 mm 的混凝土护碹，其设计的最终注浆压力为矿井防水闸门的设计承受压力的 1.5 倍，即可以承受 7.5 MPa 的水压。

4 自动控制系统

岱庄煤矿 2160 采区防水闸门为全自动远程控制，不仅可以远程地面控制，还具有现场手动操作的功能，并且矿井防水闸门配备了远程监控系统，可以实时监测水闸门采区巷道的水位情况。其远程监控系统是以网络交换机为核心进行组网的，可以分为现场控制层、中心控制层和集中控制层。

矿井防水闸门全自动控制系统采用 PLC 技术，因矿井防水闸门控制系统的特殊性，对系统的稳定性和安全性要求极高，不允许控制系统中断，并采用一用一备设计。矿井防水闸门的控制系统设有 2 台油泵电动机，若其中一台发生故障时，自动更换为另一台启动，全过程不需要人为干预。矿井防水闸门自动控制流程如图 1 所示。

图1 矿井防水闸门自动控制流程Fig.1 Automatic control process flow of mine waterproof gate

5 结语

通过对岱庄煤矿的地质条件情况和相关采煤防水规范的要求介绍，说明设置防水闸门的必要性。根据巷道布置和技术规范对 2160 采区进行双向防水闸门硐室的设计和布置，并对其配备远程全自动控制和监控系统，实现对防水闸门的远程开启和关闭，完成对采区透水事故发生后的隔离，防止对其他正常采区造成影响，保证了煤矿开采的安全生产。