采空區巷道防水閘門安全性的數值分析

1 礦井水閘門的結構形式及計算結果
　　京福高速公路徐州繞城西段將穿越位于徐州西郊的新煤礦、新河煤礦采空區以及大劉煤礦采空區西界。公路施工之前采用地面注漿的方式對采空區進行治理，為了維護礦井的安全，擬將用水閘門的形式封堵部分巷道，防止因注漿孔穿透含水層而導致涌水淹井事故。
　　本次設計的水閘門主要采用倒截錐形，見圖1，其承受水壓力為1.6MPa以上，根據水閘門位置的圍巖條件、巷道截面、水壓力、混凝土強度和采用的墻體段數，可計算出閘門墻體長度、嵌入圍巖的深度。計算結果一般在8m左右。


圖1 倒截錐形水閘門結構示意圖
　　2 ANSYS分析模型的建立及其邊界條件
　　2.1 模型建立
　　水閘門所處巷道埋深為500m，水壓力為5.00MPa，原巖應力取12.5MPa。斷面形式為半圓拱形，采用錨噴支護，墻體采用C25混凝土，密度2500kg/m3，抗拉強度1.30MPa，抗壓強度11.88MPa，墻體厚度考慮8.0m。
　　選用8節點塊體SOLID65單元，有限無模型總共17353個單元，3549個節點，幾何模型與單元劃分情況如圖2所示。

圖2 水閘門網格劃分
　　2.2 邊界條件
　　模型底部施加3個方向（x,y,z）自由度約束，側面施加水平方向約束，但允許模型向下位移，頂部施加原巖應力，假定混凝土墻體與巖層之間無滑移現象，界面通過共享節點實現變形協調。
　　3 模型分析
　　3.1 沿巷道軸向變形分析
　　水閘門軸向變形沿巷道方向，負號表示位移沿來壓方向，水閘門及周圍墻體與圍巖各點的位移分布如圖3所示。

圖3 位移分布圖
　　分析圖3發現，當關閉水閘門使其承受水壓時，最大位移出現在水閘門與混凝土墻體搭接位置，方向沿水壓方向，其值為0.475mm，因此應對交界部位加強處理，提高強度，防止此處出現破壞。
　　3.2 應力與強度分析
　　水閘門分析模型的等效應力分布圖見圖4。

圖4 等效應力分布圖
　　根據圖4，巷道水閘門承壓后，最大等效應力位置出現在水閘門與混凝土接合處。此處混凝土雖然沒有開裂，但應力較高，應采取措施，保證該部位的配筋及混凝土澆注質量。
　　4 結論
　　計算和分析結果表明，設置在埋深500m巷道內的水閘門，當巷道斷面形狀為半圓拱形，斷面尺寸凈寬3.0m、凈高3.0m，圍巖條件f＝4時，墻體混凝土采用C25，通過結構配筋，墻體厚度取8.0m，可以安全地承受水壓力和地壓。
　　因此，當水壓力較大，水閘門墻體厚度的計算可以采用倒截錐形計算公式，利有有限元方法對墻體進行分析后認為這種類型和規格的水閘門是能維護礦井安全的。該分析過程對于類似工程問題有一定的參考價值。