直墙式防水墙设计方法与实践.pdf

直墙式防水墙设计方法与实践广西合山矿务局里兰矿? ? 梁? 杰摘? 要 ? 直墙式防水墙一般不用掏槽,可节省工程量, 为涌水量大的矿井或采区安全开采提供 有力保障该方法与一般防水墙设计方法不同的是:利用材料力学中的剪切强度条件原理,结合井下防水墙的具体要求, 导出墙体厚度计算公式,利用公式进行承载能力验证和墙体厚度计算, 施工简单安全关键词 ? 直墙? 粘结 ? 剪切? 设计 ? 应用1? 防水墙设计的常用方法和原理1?1? 设计方法 防水墙设计重点是对墙体厚度和形状进行设计,一般与防水闸门硐室设计方法相同, 其基本设计形状是圆柱形或楔形,无论是圆柱形还是楔形, 都是根据最大静水压力、来水方向、墙体所处位置和周边围岩的物理力学性质及水文地质条件等情况进行设计1?2? 设计原理 利用静水压力垂直作用在围岩支承面上的分力与围岩作用墙体上的反作用力的平衡,根据掏槽处墙体或岩体的抗压强度,用材料力学的方法建立起 能满足防水墙稳定、坚固要求的方程式, 从而导出墙体最小厚度的计算公式, 这就是常用设计方法的原理如图 1所示图 1? 墙体形状2? 直墙式防水墙设计方法2?1? 概? 念 顾名思义,像砖石墙体一样,直墙式防水墙与巷道的四周围岩形成密封整体, 起堵水作用, 具体 地说, 顶板不掏槽,底板和两帮视岩性决定掏槽或不掏槽,在墙体所在位置的四周围岩打上锚杆,然后浇注混凝土, 混凝土标号通常不小于 200 标号,墙体前后按常规砌护墙和铺底。

如图 2 所示图 2? 直墙式形状2?2? 直墙式防水墙设计原理及计算公式 2?2?1? 设计原理直墙式防水墙的设计基本原理为墙体的承载力与静水压力的平衡,而承载力是混凝土与围岩的粘 结抗剪力及锚杆抗剪力之和2?2?2? 设计公式 直墙式防水墙的截面近似于矩形截面,矩形截面梁的剪力强度条件为?max<[ ?]由此得 ??[ ?]而 Q/ S ?[ ?] , 这样抗剪力 Q ? S [ ?]式中 ? ?max 材料在横力弯曲时的最大剪应力, MPa;[ ?] 材料在横力弯曲时的容许剪应力, MPa;? 材 料 在 横 力 弯 曲 时 的 剪 应 力,MPa; Q 材料在横力弯曲时的剪力,kN;S 材料截面面积, m2根据上述原理,混凝土与周边围岩的粘结剪应18第 27 卷第 1 期? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?煤 炭 科 学 技 术? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1999年 1月力? ?? ? Q粘= S粘[ ?]粘= 2( a+ b) ? [ ?]粘( 2)式中 ? S粘 混凝土与围岩的粘结面积, m2;a 墙体宽度, m;b 墙体高度, m; ? 墙体 ( 密闭) 厚度, m;[ ?]粘 混凝土与围岩的容许粘结剪应力,MPa。

同理可得锚杆的抗剪力? ?? Q锚= S锚[ ?]锚=A锚 L2S [ ?]锚=2( a+ b) ? L2S[ ?]锚( 3)式中 ? S锚 锚杆总截面面积, m2;L 锚杆纵横距,m; S 锚杆横截面积, m2;[ ?]锚 锚杆许用抗剪应力, MPa;A锚 锚固面积, m2静水压力均布于截面上的剪力为? ?? ? ?? Q静= AB P( 4) 式中 ? 超载系数, 一般 1?2~ 1?3;P 静水压力, MPa;A 巷道宽,m; B 巷道高,m根据设计原理,把 ( 2) 、( 3) 、( 4) 组成下式Q粘+ Q锚!Q静即? ? 2( a+ b) ? [ ?]粘+2(a+ b) ? L2S[ ?]锚!AB P取 A = a, B= b, 于是? ? ?!ab L2P2( a+ b) L2[ ?]粘+ 2( a+ b) S[ ?]锚( 5)这就是直墙式防水墙厚度计算公式墙体受力分析如图 3 所示 2?2?3? 公式使用条件分析( 1) 从附图可看出,公式适用于顶底板及两帮均打锚杆情况,同时也适用于顶底板及两帮不打锚 杆情况,在不打锚杆时,锚杆抗剪力可以取消,即2( a+ b) S[ ?]锚项删去, 此时,墙体的承载力为混 凝土与围岩的粘结剪力,因而墙体厚度势必增大,工程量相应加大。

2) 根据锚杆所在不同面, 可灵活选择墙体参 数,计算出相应的作用面积,如某墙体只打顶底板锚杆,则公式分母中锚杆抗剪力项的 b= 0;某墙只打两帮锚杆,公式分母中锚杆抗剪力项的 a= 0;当锚杆不是对称布置时,公式中倍数 ∀ 2# 倍亦应变动图 3? 直墙式防水墙受力( 3) 锚杆直径可视静水压力大小选定,压力在1?5 MPa 以下的,选直径 18~ 22 mm 锚杆即可;锚杆纵横距一般为行、间等距布置, 以方便施工为宜3? 公式的实际应用3?1? 防水墙基本情况该防水墙为广西合山矿务局溯河矿 423 采区绞 车道上的一座在用防水墙, 承受压力为 1?02 MPa,四周为坚硬灰岩, 按楔形设计厚度为 3 m, 但施工时取厚度为3 m 而不掏槽,代之以锚杆,共44根, A3圆钢,直径 18 mm,A = a= 3?2 m,B= b =3?0 m,[ ?]锚= 106?30 MPa,[ ?]粘= 0?22 MPa,S= 2?545∃ 10- 4m2压力验证由公式? ??!ab L2P2 ( a+ b)L2[ ?]粘+ 2 ( a+ b)S [ ?]锚得P ?2 ( a+ b) ? [ ?]粘+2 ( a+ b) ? L2S [ ?]锚ab 要体现直墙实承压能力,则 = 1P ?2∃(3?2+ 3 ?0) ∃3∃ 0 ?22+ 44∃ 2 ?545∃10- 4∃106?3 3 ?2∃ 3 ?0∃1 ? % l MPa从以上计算可知, 该防水墙施工条件改变后,仍可承受 1 MPa 的压力,与实际承受压力 1?02 MPa 基本一致,即直墙式防水墙厚度计算公式可适用于当施工条件改变时, 验证防水墙的承压力性能。

3?2? 利用公式设计防水墙厚度3?2?1? 设计条件19第 27 卷第 1 期? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?煤 炭 科 学 技 术? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1999年 1月广西合山矿务局溯河矿 434 采区已突水, 涌水量为 150 m3/ h采区煤量基本采完, 须建防水墙把水堵住, 墙体位置选在全岩石平巷车场处, 四周 打锚杆, 锚杆直径 18 mm, A3 圆钢,L = 0?4 m,S = 2?545∃ 10- 4m2,[ ?]锚= 106?3 MPa,[ ?]粘=0?22 MPa,a = 4?2 m,P = 1?36 MPa,b= 1?8m, 取 1?2,用 200 标号混凝土浇注 3?2?2? 厚度计算? ? ?=ab L2P2L2( a+ b) [ ?]粘+ 2( a+ b) S[ ?]粘 = 2?64 m取 ? = 3 m实际施工基本按设计进行,竣工养护 14 d 后储水, 压力升至 0?85 MPa,稳压时间 48 h,总漏 水量为 3 m3/ h,虽未达到设计压力, 但已达到设计要求的 62?5%,结合 423 绞车道防水墙实际情况, 可以预计,该防水墙是可以承受静水压力为 1?36 MPa。

4? 设计施工中的问题讨论及注意事项4?1?[ ?]粘值的计算及分析 以上计算实例中,[ ?]粘值取为 0?22 MPa,是在一定条件下的经验值, 是根据 423 采区总回风巷防水墙实际施工情况以及使用时的承载力 ( 不考虑超载系数,即 = 1) 推断得出的,储存水后墙 体实际承压力为 1?22 MPa,由厚度计算公式得[ ?]粘!ab L2P- 2( a+ b) S? [ ?]锚 2?( a+ b) L2公式中分子第二项为四周锚杆抗剪力,而 423 采区总回风巷防水墙只在顶底板布置锚杆,两帮无锚杆, 因此,b= 0, 则得[ ?]粘!ab L2P- 2aS? [ ?]粘 2? ( a+ b)L2%0?22 MPa计算式中 ?a= 2?75 m,b= 2?30 m, = 1, L= 0?636 m,P= 1?22 MPa,S = 2?5447 ∃ 10- 4m2,?= 3 m, [ ?]锚= 106?30 MPa在一定的条件下,[ ?]粘的最小值 0?22 MPa 是合理的但是也应看到,储水后实际 P 值为1?22 MPa 时,墙体平衡, 处于稳定状态,P 值是极限值与否是不清楚的, 因此,[ ?]粘= 0?22 MPa是不能通用的。

[ ?]粘值大小是影响直墙式防水墙 厚度的主要因素之一,要求求出在各种条件下的[ ?]粘值,无论从理论上还是实践上都是较难的,但从性质上说,假设墙体周边围岩坚硬、粗糙而且干净无杂物, 浇注混凝土标号较高, 则混凝土与围岩的粘结面积较大,吸附条件较好,[ ?]粘值较 大, 此时,墙厚 ?可以较小,砌筑工程量较小反之, 围岩较软, 表面光滑,有煤岩颗粒等杂物存在,混凝土标号较低, 这样,混凝土与围岩的粘结面积较小,吸附条件较差,[ ?]粘值较小, 从而 ? 值需要较大, 砌筑工程量将较大综上所述,决定 [ ?]粘值的因素有围岩性质、混凝土标号、围岩表面粗糙程度、表面是否干净 等, 要取得各种施工条件下的 [ ?]粘值,可以设定不同的几何模型进行科学试验,测出各种条件下对应的 [ ?]粘值,在设计中选择与试验条件相同或近似的 [ ?]粘值, 计算出的结果是安全可靠的 4?2? 施工中的注意事项( 1) 预砌基础时, 在基础两帮和底面人为砌成凹凸不平的麻面, 有利于增大粘结面积 2) 底面是煤层时,必须掏煤至底板岩石,做 到四周围岩的中最少有两个是岩石面 3) 在不掏槽情况下, 锚杆应对称分布, 即顶底板对称布置,两帮也对称布置。

( 4) 浇注混凝土, 按常规注浆和养护5? 直墙式防水墙的优点与一般防水墙相比,直墙式防水墙有这些优 点:∋ 可以不掏槽,节省工程量,从而节省工程费用开支;( 施工工期短,为抢险堵水提供可靠保障;) 特别是顶板不掏槽,不破坏顶板, 提高了挡水墙的安全性参? 考? 文? 献1? 煤矿矿井采矿设计编写组? 煤矿矿井采矿设计手册 ( 下册) ?北京: 煤炭工业出版社, 19842? 孙训方编? 材料力学? 北京: 高等教育出版社, 19793? 王省身主编? 矿井灾害防治理论与技术? 徐州: 中国矿业学院出版社, 1986? ?作者简介? 梁? 杰 ? 1965 年生, 1989 年毕业于湘潭矿业学院采矿工程专业, 学士学位, 工程师, 曾任广西合山矿务局溯河矿总工程师兼副矿长, 现任广西合山矿务局里兰矿矿长, 在 ∗广西煤炭+ 发表数篇论文地址: 广西合山市, 邮码: 546508 收稿日期: 1998- 08- 18; 责任编辑: 曾康生)20第 27 卷第 1 期? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?煤 炭 科 学 技 术? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1999年 1月COAL SCIENCE AND TECHNOLOGYENGLISH ABSTRACTSRapid DevelopedModerninzationofMineAuxiliaryTransportation with New High Technology in China - In theresent years,there is a rapid development of mining andexcavation mechanization in China coal mine. But there is nogreat change in a mine auxiliary transportation operation thathas affected to all mine efficiency. The auxiliary transportationisa weak p。