1 礦井水閘門(mén)的結(jié)構(gòu)形式及計(jì)算結(jié)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(qū)以及大劉煤礦采空區(qū)西界。公路施工之前采用地面注漿的方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理，為了維護(hù)礦井的安全，擬將用水閘門(mén)的形式封堵部分巷道，防止因注漿孔穿透含水層而導(dǎo)致涌水淹井事故。
　　本次設(shè)計(jì)的水閘門(mén)主要采用倒截錐形，見(jiàn)圖1，其承受水壓力為1.6MPa以上，根據(jù)水閘門(mén)位置的圍巖條件、巷道截面、水壓力、混凝土強(qiáng)度和采用的墻體段數(shù)，可計(jì)算出閘門(mén)墻體長(zhǎng)度、嵌入圍巖的深度。計(jì)算結(jié)果一般在8m左右。


圖1 倒截錐形水閘門(mén)結(jié)構(gòu)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(mén)所處巷道埋深為500m，水壓力為5.00MPa，原巖應(yīng)力取12.5MPa。斷面形式為半圓拱形，采用錨噴支護(hù)，墻體采用C25混凝土，密度2500kg/m3，抗拉強(qiáng)度1.30MPa，抗壓強(qiáng)度11.88MPa，墻體厚度考慮8.0m。
　　選用8節(jié)點(diǎn)塊體SOLID65單元，有限無(wú)模型總共17353個(gè)單元，3549個(gè)節(jié)點(diǎn)，幾何模型與單元?jiǎng)澐智闆r如圖2所示。

圖2 水閘門(mén)網(wǎng)格劃分
　　2.2 邊界條件
　　模型底部施加3個(gè)方向（x,y,z）自由度約束，側(cè)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(yīng)力，假定混凝土墻體與巖層之間無(wú)滑移現(xiàn)象，界面通過(guò)共享節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)。
　　3 模型分析
　　3.1 沿巷道軸向變形分析
　　水閘門(mén)軸向變形沿巷道方向，負(fù)號(hào)表示位移沿來(lái)壓方向，水閘門(mén)及周?chē)鷫w與圍巖各點(diǎn)的位移分布如圖3所示。

圖3 位移分布圖
　　分析圖3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)關(guān)閉水閘門(mén)使其承受水壓時(shí)，最大位移出現(xiàn)在水閘門(mén)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(yīng)對(duì)交界部位加強(qiáng)處理，提高強(qiáng)度，防止此處出現(xiàn)破壞。
　　3.2 應(yīng)力與強(qiáng)度分析
　　水閘門(mén)分析模型的等效應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖4。

圖4 等效應(yīng)力分布圖
　　根據(jù)圖4，巷道水閘門(mén)承壓后，最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在水閘門(mén)與混凝土接合處。此處混凝土雖然沒(méi)有開(kāi)裂，但應(yīng)力較高，應(yīng)采取措施，保證該部位的配筋及混凝土澆注質(zhì)量。
　　4 結(jié)論
　　計(jì)算和分析結(jié)果表明，設(shè)置在埋深500m巷道內(nèi)的水閘門(mén)，當(dāng)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(shí)，墻體混凝土采用C25，通過(guò)結(jié)構(gòu)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(dāng)水壓力較大，水閘門(mén)墻體厚度的計(jì)算可以采用倒截錐形計(jì)算公式，利有有限元方法對(duì)墻體進(jìn)行分析后認(rèn)為這種類(lèi)型和規(guī)格的水閘門(mén)是能維護(hù)礦井安全的。該分析過(guò)程對(duì)于類(lèi)似工程問(wèn)題有一定的參考價(jià)值。