采空区巷道防水闸门安全性的数值分析

1 矿井水闸门的结构形式及计算结果
　　京福高速公路徐州绕城西段将穿越位于徐州西郊的新煤矿、新河煤矿采空区以及大刘煤矿采空区西界。公路施工之前采用地面注浆的方式对采空区进行治理，为了维护矿井的安全，拟将用水闸门的形式封堵部分巷道，防止因注浆孔穿透含水层而导致涌水淹井事故。
　　本次设计的水闸门主要采用倒截锥形，见图1，其承受水压力为1.6MPa以上，根据水闸门位置的围岩条件、巷道截面、水压力、混凝土强度和采用的墙体段数，可计算出闸门墙体长度、嵌入围岩的深度。计算结果一般在8m左右。


图1 倒截锥形水闸门结构示意图
　　2 ANSYS分析模型的建立及其边界条件
　　2.1 模型建立
　　水闸门所处巷道埋深为500m，水压力为5.00MPa，原岩应力取12.5MPa。断面形式为半圆拱形，采用锚喷支护，墙体采用C25混凝土，密度2500kg/m3，抗拉强度1.30MPa，抗压强度11.88MPa，墙体厚度考虑8.0m。
　　选用8节点块体SOLID65单元，有限无模型总共17353个单元，3549个节点，几何模型与单元划分情况如图2所示。

图2 水闸门网格划分
　　2.2 边界条件
　　模型底部施加3个方向（x,y,z）自由度约束，侧面施加水平方向约束，但允许模型向下位移，顶部施加原岩应力，假定混凝土墙体与岩层之间无滑移现象，界面通过共享节点实现变形协调。
　　3 模型分析
　　3.1 沿巷道轴向变形分析
　　水闸门轴向变形沿巷道方向，负号表示位移沿来压方向，水闸门及周围墙体与围岩各点的位移分布如图3所示。

图3 位移分布图
　　分析图3发现，当关闭水闸门使其承受水压时，最大位移出现在水闸门与混凝土墙体搭接位置，方向沿水压方向，其值为0.475mm，因此应对交界部位加强处理，提高强度，防止此处出现破坏。
　　3.2 应力与强度分析
　　水闸门分析模型的等效应力分布图见图4。

图4 等效应力分布图
　　根据图4，巷道水闸门承压后，最大等效应力位置出现在水闸门与混凝土接合处。此处混凝土虽然没有开裂，但应力较高，应采取措施，保证该部位的配筋及混凝土浇注质量。
　　4 结论
　　计算和分析结果表明，设置在埋深500m巷道内的水闸门，当巷道断面形状为半圆拱形，断面尺寸净宽3.0m、净高3.0m，围岩条件f＝4时，墙体混凝土采用C25，通过结构配筋，墙体厚度取8.0m，可以安全地承受水压力和地压。
　　因此，当水压力较大，水闸门墙体厚度的计算可以采用倒截锥形计算公式，利有有限元方法对墙体进行分析后认为这种类型和规格的水闸门是能维护矿井安全的。该分析过程对于类似工程问题有一定的参考价值。