0.   引言

随着地球浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，深地矿产资源的开发与利用已成为新时代的国家科技战略(谢和平，2019；彭建兵等，2022)。然而，深地矿产资源开采所面临的地质和水文地质条件更加复杂，各类矿山地质灾害发生的频率和强度将明显增加，采掘诱发高势能突水溃砂灾害就是典型灾害之一，往往会造成严重的人员伤亡和财产损失(隋旺华等，2019a；任辉等，2020)。

设计和建造应急防水闸门是控制和治理矿山突水灾害的一项重要工程措施，可以将突涌水淹没区域和安全生产区域进行有效分隔，保障矿山的持续生产以及机械设备和人员的安全(杭远，2017；王俊臣等，2000)。相较于早期的防水闸墙，防水闸门具有类型丰富、承压高、重量轻、开合快、稳定性高等技术优势，目前已经被广泛应用到矿山深部开采的安全地质保障系统建设中，成为矿山防治水工程的重要组成部分(隋旺华等，2016；Hang et al., 2022)。岱庄煤矿下组煤开采时，面临较大的突涌水风险，在1160采区运输机巷设计并建造了双向防水闸门，可承压5.5 MPa，通过远程控制系统在50 s内实现闸门的快速关闭(Wen et al., 2018；李翔宇等，2021)。锦界煤矿水文地质条件复杂，第四系松散层孔隙水和侏罗系直罗组孔隙裂隙水威胁矿井安全生产，因此在3^-1煤大巷中部设计并建造了可承压2.2 MPa的自动控制防水闸门系统(郝忠军，2013)。陶阳煤矿550 m水平下组煤东翼受徐灰和奥灰承压水的威胁，设计并建造了可承压6.0 MPa的防水闸门系统，经24 h注水耐压试验观测，单点漏水量小于1.0 m³·h^-1(高法民，1999；祝仰奎，2018)。中兴煤矿水文地质条件复杂，奥灰岩溶裂隙含水层为煤层底板直接充水含水层，突水风险较高，因此在回风斜巷设计并建造了可承压1.0 MPa的防水闸门，采用的是楔形硐室结构。白象山铁矿水文地质条件极其复杂，导水构造发育，F₄断层发生突水后，通过关闭防水闸门，控制了大流量涌水的快速蔓延，为人员紧急撤离赢得了宝贵时间，也为后期的治理复矿创造了有利地条件(陈一洲等，2010)。九龙矿15445N工作面在防治底板奥灰突水时，采用了水平分支孔注浆和建造防水闸门相结合的手段，实现了工作面带压安全开采的目标，为深部煤层的开采提供了安全保障(赵鹏飞等，2015)。

此外，众多学者采用数值模拟的手段对倒截锥形防水闸门硐室在水压作用下的应力分布进行了研究，认为水压引起的总应力主要作用在第1个锥形塞的迎水侧，并且水压引起的总应力沿水闸门硐室结构轴向方向逐渐降低(Li et al., 2016；王昕等，2021)。由此可见，在水文地质条件复杂或突水风险较高的矿井，设计并建造应急防水闸门系统，配合应急排水系统或其他防治水工程，成为保障矿山深部资源安全高效开采的重要保障(张荣立等，2003；国家煤矿安全监察局，2018；中华人民共和国行业标准编写组，2018)。

然而，目前绝大多数矿用远程控制应急防水闸门建设在较浅的部位，随着矿山开采深度的逐渐增加，防水闸门系统所要面临的水压更高、地质条件更加恶劣、施工难度更大，目前的设计和建造技术是否适用于深部的复杂条件，是亟须解决的问题。本文以滇东北毛坪铅锌矿为例，在系统评价其310 m中段突水风险的基础上，分析了防水闸门设计和建造过程中的多项关键工程技术问题和设计计算方法，并从3个方面讨论和展望了远程控制应急防水闸门系统设计和建造技术的发展趋势。

1.   工程背景

1.1   工程与水文地质概况

毛坪铅锌矿位于云南省东北部，地处扬子地块的西南缘，是川滇黔铅锌多金属成矿区典型的超大型矿床之一。毛坪铅锌矿为已采多年的深部矿山，采用的是盘区机械化下向分层矩形进路胶结充填采矿法(石宏伟等，2019)。主采矿体呈隐伏-半隐伏状赋存于石门坎背斜倾伏端西翼的石炭系、泥盆系层间裂隙带中，走向北东，倾角60°~85°，主要矿体均位于当地最低侵蚀基准面洛泽河大峡谷之下。根据矿区的地形地貌特征，可分为高原中山构造侵蚀峡谷型、高原中山溶蚀残丘型两种类型。矿区地势陡峻，“V”形河谷发育，地形最高点为南部的观音山，标高2194 m，洛泽河河床标高887 m，相对高差1315 m，目前矿山最低的开采标高为310 m，并且深部至0 m标高已初步探明高品位矿体分布(Yuan et al., 2020)。

矿区出露的地层有泥盆系上统宰格组，石炭系丰宁统、威宁统，二叠系下统梁山组、二叠系上统峨眉山玄武岩及第四系。除石炭系丰宁统万寿山组和二叠系下统梁山组为含煤碎屑岩系外，其他均为碳酸盐岩建造。矿区地下含隔水层在平面及垂向上强弱相间分布，水文地质结构复杂，主要充水含水层为石炭系和泥盆系碳酸盐岩溶裂隙含水层，富水性和透水性中等至弱，补给条件较好，水压较高；矿区构造较为发育，具有一定的导水性，沟通了二叠系栖霞茅口组岩溶裂隙强富水含水层。矿山为岩溶裂隙水含水层直接充水的水文地质条件复杂的大水矿床(Li et al., 2022；张改玲，2022)。矿区范围内的构造发育格架及地质剖面分别如图 1a~图 1c所示。

图  1  矿区范围内的构造发育格架及地质剖面：(a)构造发育格架；(b) A-A’地质剖面；(c) B-B’地质剖面

Figure  1.  Structural development framework and geological sections of the mining area

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1.2   井下排水系统现状

毛坪铅锌矿采用强排的方式对地下水进行疏干，确保井下采矿作业和工程建设的安全。从井下目前排水系统分布来看，主要排水设备分布集中，相应中段排水压力较大，对设备检修确保正常运行要求较高，若设备发生故障无法满足正常排水需求，将导致淹井事故的发生。在巷道开拓过程中，若揭露与涌水水源连通的导水构造，将瞬间释放高流速大流量的涌水，若超出矿山排水能力，将严重威胁井下人员的生命安全，并且造成巨大经济损失。

针对以上问题，矿山升级了现有排水系统，构建了一套应急排水系统，主要是通过从地表建设排水钻孔至430 m中段，在610 m中段建设应急排水配电硐室和安装控制设备，在430 m中段建设应急水仓、检修硐室等工程，构建430 m中段直排地表5000 m³·h^-1的应急排水系统，同时恢复矿区610 m中段以下排水系统，建成后配套使用，实现610 m中段以下各中段6000 m³·h^-1的应急排水量的需求。

1.3   矿山深部防治水措施

随着毛坪铅锌矿矿产资源开采和采掘工程建设向深部的不断延伸，揭露深部高承压含水层的风险不断增加，受水害威胁的程度越来越严重。目前，河东310 m中段巷道掘进掌子面已经发现了明显的断层构造出水的情况。为解决矿山面临的水害问题，结合矿山开采的实际情况，矿山制定了“探、防、堵、疏、监”五位一体的整体防治水方案。具体的深部防治水工程主要包括掌子面超前探水、矿山重要井巷工程局部注浆、区域帷幕注浆堵水、深部疏水降压、钻孔水文信息自动化监测、注浆帷幕光纤监测、矿山微震监测等(韩贵雷等，2019；袁世冲等，2023)。

然而，矿山水文地质条件复杂，且各项防治水工程全部完成时间跨度较大，矿井深部开采过程中发生突水或瞬时大涌水的可能性依然存在。为防止矿井深部开采时，发生较大的涌水，甚至淹井事故，有效控制水害的影响范围，有必要在水压较高、涌水量较大、突水风险较高的中段设置远程控制应急防水闸门及其配套工程，以确保矿井深部资源的安全、高效开采以及井下机械设备与生产作业人员的安全。当发生超过井下中段排水能力的涌水灾害时，应急防水闸门可以在短时间内有效地将井下涌水区域进行封隔，为应急救援和后期水害防治争取时间，或者保证其他采矿作业区域的正常生产，控制水害的影响范围和程度(隋旺华等，2019b)。

2.   深部310 m中段注浆改造前后突水风险评价

2.1   注浆改造前310 m中段突水风险评价

金属矿山的突水风险评价主要分为定性与定量评价，两种评价方法各具优势，分别适用于不同的矿山地质背景。定性评价主要依据的是巷道掘进过程中的涌水量以及钻孔水文地质数据，包括水压、单位涌水量、岩溶发育特征等。定量评价是对所有评价指标进行归一化处理后，采用数学模型，计算各评价指标的权重，最后计算得到突水危险性评价结果(隋旺华，2022)。毛坪铅锌矿310 m中段赋存着Ⅰ-8、Ⅰ-10、Ⅰ-11号矿体及Ⅱ号矿带，是矿山深部重要的接续资源。通过建立的层次结构评价模型，辨识了影响突水危险性的16个评级指标，计算了每个评价指标的权重，最后在GIS环境下叠加得到了310 m中段的突水危险性评价结果，具体的评价过程参考文献(袁世冲等，2023)，评价结果见图 2a所示。

图  2  毛坪铅锌矿河东310 m中段突水危险性评价结果：(a)注浆改造前；(b)注浆改造后

Figure  2.  Risk assessment results of mine water inrush in 310 m level of Maoping lead-zinc mine

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通过分析图 2a可知，注浆改造前310 m中段的危险区及相对危险区主要位于断层F₁₁和F₂₉延伸位置及与F₁₃相交位置，这是由于F₁₁、F₂₉为导水通道，受其影响的采场及巷道发生突水危险性较大；过渡区主要位于相对危险区两侧，发生突水的概率相对较高。由于该中段存在的实际工程较少，通过巷道及采场揭露的情况较少，因此，下部为相对安全区，存在较低的突水风险。由此，可以推断310 m中段的潜在来水方向为东侧高风险区域，防水闸门的设置应考虑的来水方向为东侧断层交叉部位。

2.2   注浆改造后310 m中段突水风险评价

2020年以来，矿山在670 m中段实施了多个深部定向地质钻孔，对310 m中段东侧突水高风险区域实施了大面积的注浆改造工程。各深部地质钻孔在不同深度均揭露了导水构造，发生了明显的涌水现象，部分钻孔涌水量甚至超过了100 m³·h^-1。注浆改造工程实施后，前期涌水钻孔的涌水量已明显变小或不再涌水。例如，2021年1月SBDZK670-92-1终孔时涌水量为15.4 m³·h^-1，2022年4月孔口出现串浆现象，5月3日实测孔口涌水量仅0.84 m³·h^-1，5月29日实测0.64 m³·h^-1，8月初实测0.54 m³·h^-1，并且随着每年雨季的到来，孔口涌水量仍在继续减小。2022年3月SBDZK670-92-5终孔，5月孔口水量超过8.0 m³·h^-1，随后安装闸阀关闭孔口，8月初打开闸阀后发现孔口已不再涌水。

以上最新的矿山水文地质现象及在注浆工程实施后的钻孔涌水量演化过程，说明前期评价的突水危险性评价结果较为准确，在此高突水风险区域存在多个方向的来水通道。通过分析认为其部分北侧来水通道在本项目注浆施工后已被有效的封堵。基于此，对注浆改造工程实施后的310 m中段突水危险性评价结果进行了局部的定性调整，如图 2b所示。可以看出，注浆改造工程实施后原来的突水危险区和相对危险区明显减小，仅在310 m中段的东北侧和东南侧局部残存。评价结果可以为矿山深部防治水措施的制定以及应急防水闸门的设计和建造提供支撑。

3.   深部310 m中段防水闸门设计与建造关键技术

3.1   防水闸门设计水压、硐室结构

《矿用自动控制防水闸门第3部分：工程设计、施工及验收规范》(NB/T 10522.3-2021)(中华人民共和国行业标准编写组，2021)中对井下防水闸门的水压设计原则、硐室结构类型与选址做出了原则性的规定。其中：对于经过疏干的矿井，主要含水层静止水位与开采水平的高差作为最大水压。毛坪铅锌矿的主要补给水源为外围的二叠系栖霞茅口组岩溶裂隙强富水含水层，在矿区范围内其最高的静止水位约为950 m，与310 m开采中段的垂向距离为640 m，得到防水闸门需抵抗的最大静水压力为6.4 MPa。

常用的防水闸门硐室结构有圆柱形结构、楔形结构和倒截锥形结构，分别如图 3a、图 3b、图 3c所示。行业规范指出“圆柱形结构和楔形结构的防水闸门硐室结构多用于承受水压小于1.6 MPa的防水闸门，而倒截锥形结构应用于承受水压大于1.6 MPa的防水闸门”。鉴于310 m中段的水压远超过1.6 MPa，需要选择倒截锥形防水闸门硐室结构。倒截锥形防水闸门硐室结构具有承受水压大、结构稳固、抗渗流破坏能力强、抗采动影响能力强的特点，可以长期服役于矿井的生产过程，是目前较为流行的一种高承压防水闸门硐室结构类型。

图  3  常用的防水闸门硐室结构类型：(a)圆柱形硐室结构；(b)楔形硐室结构；(c)倒截锥形硐室结构

Figure  3.  Commonly utilized types of structures for waterpro of gate chambers

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3.2   防水闸门选址

毛坪铅锌矿310 m中段应急防水闸门的选址考虑其来水方向为东侧，即所评价的突水高风险区域。F₁₃断层在穿越泥盆系时，出现了明显的断层涌水现象，且围岩较为破碎，如图 4所示。由于310 m中段局部大规模注浆改造后(注浆改造区域见图 2a所示)，Ⅰ-8、Ⅰ-10与Ⅰ-11号矿体附近的突水危险性明显降低，但是Ⅱ号矿带附近的突水危险性仍然较高，如图 2b所示。因此，在开采Ⅱ号矿带时开拓一条副沿脉，承担矿体开采时的唯一运输巷道，再此副沿脉的位置设置1道防水闸门，可以起到保障Ⅱ号矿带和盲竖井安全的目标，具体位置见图 2b所示。必须强调的是，目前的选址主要是结合310 m中段现在的巷道开拓设计考虑的，后期若310 m中段的开拓系统进一步完善后，导致目前水闸门位置前方的巷道系统在水闸门关闭后无法形成密闭空间时，还需要考虑增设防水闸门。

图  4  毛坪铅锌矿河东310 m中段F₁₃断层涌水：(a) F₁₃断层涌水；(b)断层围岩破碎

Figure  4.  Water inrush from F₁₃ fault in 310 m level of Maoping lead-zinc mine

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3.3   防水闸门硐室参数设计与防水闸门选型

毛坪铅锌矿310 m中段应急防水闸门硐室建造选择的混凝土强度等级为C35，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(中华人民共和国国家标准编写组，2010)，C35混凝土的轴心抗压强度为17.5 MPa，弯曲抗压强度为19.0 MPa，抗拉强度为1.65 MPa，可以满足水闸门硐室的强度要求。河东310 m中段应急防水闸门硐室结构为倒截锥形，根据式(1)~式(4)，可以计算得出防水闸门硐室的长度L、防水闸门硐室最大掘进断面积S₂、防水闸门墙体嵌入围岩深度E。

式中：L_i为防水闸门墙体应力衰减段计算长度(m)；γ₀为结构的重要性系数，取1.1；γ_f为作用的分项系数，取1.3；γ_d为结构系数，取1.2~1.75，水压大、硐室净断面面积大时取大值；P为防水闸门硐室设计承受的水压(MPa)；f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值(MPa)；L₀为闸门墙体应力回升段长度，取1.0~2.0 m；S₂为防水闸门硐室最大掘进断面积(m²)；γ_sd为作用不定性系数，取1.2~2.0，水压大、围岩抗压强度较低者取大值；S为防水闸门墙体前、后巷道净断面积(m²)；E为防水闸门墙体嵌入围岩深度(含砌壁厚)(m)；h₃为防水闸门墙体前、后巷道墙高(m)；l为围岩较软时所设的平直段，其值为0.5~1.0 m，闸门墙体长度长时取大值，墙体长度短时取小值；B为防水闸门墙体前后巷道净宽(m)。

计算所得，毛坪铅锌矿310 m中段倒截锥形硐室的长度L为7.4 m、最大掘进断面积S₂为24.8 m²、防水闸门墙体嵌入围岩深度E为1.3 m(安全系数取2.5)、防水闸门的硐室支撑面与巷道中心线夹角β和γ取值分别为65°和30°，防水闸门硐室结构型式与关键设计参数如图 5所示。

图  5  毛坪铅锌矿河东310 m中段防水闸门硐室结构参数计算：(a)防水闸门硐室结构；(b) A-A’剖面

Figure  5.  Structure parameters of the waterproof gate chamber in 310 m level of Maoping lead-zinc mine

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防水闸门按照承压形式可分为平板型和薄壳型两种。平板型防水闸门主要适用于井下压力不大于1.6 MPa，净断面较小的场景。薄壳型防水闸门具有结构新颖合理、耐压高、重量轻、开关方便灵活等特点，最大承压可达10 MPa，适用于轨道巷、皮带运输巷等巷道，主要有单开型、双开型、对开型及上开型，各种类型防水闸门的特点及适用场景见表 1所示。考虑毛坪铅锌矿主要采矿运输设备的尺寸和通风需求，设计防水闸门的净宽3.5 m，净高3.0 m，选用对开型防水闸门。

表  1  各种类型防水闸门的特点

Table  1.  Characteristics of various types of waterproof gates

类型	平板型防水闸门	薄壳型防水闸门
		单开型	双开型	对开型	上开型
主要特点	适用于井下压力较小，一般不大于1.6MPa，巷道净断面较小的场景	结构合理，耐压高，密封性好，重量轻，开关灵活，但防水闸门净宽和净高均不宜大于2.8 m	两台防水闸门辅以中间柱结构，能增加通风面积，保障矿井通风要求，但大型设备运输有一定局限性	适用于大断面巷道，密封性好，井下运输，安装方便，开关灵活，最大净宽可达到6 m，净高可达到5 m	适用于皮带巷，辅以控制系统及活动皮带机架，在紧急情况下无需剪断皮带而快速关闭防水闸门

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3.4   防水闸门硐室开挖围岩应力、位移与塑性区演化

以毛坪铅锌矿310 m中段的防水闸门硐室建设为研究对象，结合实际的地质条件，基于FLAC^3D中的Mohr-Coulomb模型，建立了X、Y、Z方向分别为26 m、30 m、30 m的三维数值计算模型，如图 6所示。模型四周和底部采用位移约束，顶部采用自由边界。数值计算模型中围岩和硐室结构的属性参数如表 2所示。毛坪铅锌矿采用地质构造形迹法、声发射Kaiser效应等方法对矿山的主应力进行测量，得到最大主应力位于近水平方向，最大主应力与自重应力的比值为1.49，最大水平应力的平均走向为N62.1°E，与昭通区域构造应力场的最大主应力方向一致；最大主应力和最小主应力的比值为2.18。综合以上研究结果，在模拟的过程中，水平方向的主应力与X/Y方向应力应满足式(5)与式(6)。

图  6  防水闸门硐室结构三维数值计算模型：(a)三维数值模型；(b)模型主视图

Figure  6.  Three dimensional numerical calculation model of waterproof gate chamber structure

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表  2  数值计算模型中属性参数赋值

Table  2.  Assignment of attribute parameters in numerical calculation model

属性	密度/kg·m-3	弹性模量/GPa	泊松比	内摩擦角/(°)	黏聚力/MPa	抗拉强度/MPa
混凝土硐室结构	2500	31.5	0.30	55	1.5	15
粗晶白云岩	2808	11.68	0.25	15.59	1.98	1.25

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式中：σ_x为x方向应力；σ_y为y方向应力；σ_hmax为最大主应力；σ_hmin为最小主应力。

图 7a、图 7c、图 7e为防水闸门硐室开挖及浇筑后竖直应力演化云图，压应力的峰值逐渐增大，由32.95 MPa增大到33.57 MPa；拉应力的峰值也逐渐增大，由10.81 MPa增大到12.39 MPa。表明在混凝土浇筑后，局部可能会由于拉应力增大发生拉张破坏，导致围岩剥落、冒顶、岩爆和大变形灾害的发生。图 7b、图 7d、图 7f为防水闸门硐室开挖及浇筑后水平应力演化云图，压应力的峰值逐渐减小，由34.88 MPa减小到32.55 MPa；拉应力的峰值逐渐增大，由10.81 MPa至12.39 MPa。表明混凝土浇筑过程中，硐室底板会产生压应力集中，导致底鼓变形，影响闸门硐室的结构稳定性。因此，在工程实践中，需要逐步开挖导坑，以释放非常大的集中应力；然后刷扩放大主室的外部横截面，以符合防水闸门硐室的设计形状。开挖防水闸门硐室的一部分后，应立即使用模板支架进行支撑。

图  7  防水闸门硐室建造过程中应力演化云图：(a)掘进巷道开挖竖直应力；(b)掘进巷道开挖水平应力；(c)防水闸门硐室竖直应力；(d)防水闸门硐室竖直应力切片；(e)防水闸门硐室水平应力；(f)防水闸门硐室水平应力切片

Figure  7.  Stress evolution during the construction of waterproof gate chamber

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图 8a、图 8c、图 8e为防水闸门硐室开挖及浇筑后的位移变化，位移的峰值逐渐增大，由2.85 mm增大至3.06 mm。在硐室开挖及浇筑过程中，由于围岩的强度较高，混凝土浇筑后较为坚固，所以产生的位移量并不大。图 8b、图 8d、图 8f为防水闸门硐室开挖及浇筑后的塑性区分布，可以看出产生塑性破坏的范围较小，仅产生了0.38 m的塑性破坏范围，但是这些塑性破坏范围需要着重加固，防止围岩与硐室结构界面的扰动破坏，从而影响防水闸门硐室结构的防渗性能。

图  8  防水闸门硐室建设过程中位移及塑性区分布：(a)掘进巷道开挖位移分布；(b)掘进巷道开挖塑性区分布；(c)防水闸门硐室位移分布；(d)防水闸门硐室位移分布切片；(e)防水闸门硐室塑性区分布；(f)防水闸门硐室塑性区分布切片

Figure  8.  Displacement and plastic zone distribution during the construction of waterproof gate chamber

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3.5   高水压作用下围岩与硐室结构的孔隙水压响应特性

倒截锥形防水闸门硐室结构适应于潜在突水水压大于1.6 MPa的情况，模拟计算了迎水侧四周在施加2.0~7.0 MPa水压后围岩与硐室结构内部的孔隙水压力响应特性，结果如图 9所示。根据前期的水文地质资料，围岩的渗透系数为1.8 m ·d^-1。由图 9可知，随着防水闸门后方水压的逐渐升高，在围岩完整性较好，且硐室结构建造质量可靠的前提下，绝大部分水压被控制在防水闸门后方，可以起到较好的控制高压突水的目标。防水闸门的迎水侧充满高压水时，第1个倒截锥形塞的迎水侧承担了超过80%的总水压。防水闸门硐室结构在建造的过程中应该严格控制施工质量，同时避免围岩中存在导水构造或贯通性节理裂隙。当防水闸门安装完毕后，在具备耐压测试的条件下，应该进行稳压时间不低于24 h的注水耐压试验，以检测防水闸门的密封性、硐室结构与围岩的抗渗性能。

图  9  2.0~7.0 MPa水压作用下围岩与防水闸门硐室结构的孔隙水压响应：(a)2 MPa；(b)3 MPa；(c)4 MPa；(d)5 MPa；(e)6 MPa；(f)7 MPa

Figure  9.  Pore water pressure response of surrounding rocks and structure under 2~7 MPa water pressure

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3.6   远程控制系统

电控系统安装在防水闸门背水侧的控制硐室内。控制台基本结构采用全封闭式，柜底设有电缆引入装置；控制台面板上装有按钮、旋钮、转换开关及模拟显示屏，控制台内主要装有可编程序控制器、断路器、控制电源、接触器、中间继电器等。远程控制系统设在地面调度室，可通过RS485或工业以太网传输接口模块与网络交换机连接，查看防水闸门的运行状态。电控装置设有程控联动、单动和检修点动操作方式。液压装置采用一用一备双液压源系统，当设备不运作时，液压系统处于空负荷运转状态，系统自动卸荷，节能降耗，配备超压、超温和液位自动保护，配备自动加热系统，可保证系统在寒冷的地方正常工作。

4.   讨论与展望

4.1   防水闸门及硐室结构长期服役的稳定性监测与评价

建立防水闸门及硐室结构的长期稳定性监测系统和可靠性评价模型，是保障其长期服役的一项关键保障性技术。通过在建造防水闸门时预埋各类型光纤光栅传感器，例如温度、渗流、应变、震动等，实现防水闸门硐室在长期服役过程中的实时稳定性监测，避免在矿山采掘过程中由于应力场和渗流场的变化，而导致的防水闸门硐室结构的损伤或失稳。采用井下三维激光扫描技术，建立防水闸门及硐室结构的点云模型，通过连续观测实现对其变形量的精准监测。随着矿山采掘工程的不断进行，防水闸门硐室结构与围岩的应力场、渗流场、形变场处在不断的演化过程中，依据现场的长期监测数据，采用融合多源数据的量化评价方法，建立防水闸门及硐室结构的可靠性评价模型。与此同时，还需要建立防水闸门的专项维养和应急演练机制，可以实现对防水闸门和远程控制系统的可靠性检验。通过上述技术和方法可以掌握防水闸门、硐室结构及控制系统的服役状态，使其长期处于健康待命状态。

4.2   深部复杂地质条件下的设计与建造技术

随着矿山采掘工程不断向深部进军，应急防水闸门及其配套工程将面临“三高一扰动”的复杂地质条件，施工环境更加恶劣，所需要承受的潜在突涌水水压也在不断增加。虽然相关规范文件中表明，防水闸门硐室选址时，应该设置在坚硬、稳定、完整致密的岩层中，避开岩溶、断层、节理、裂隙发育的破碎地带，然而深部矿山在高地应力作用下，往往导致围岩软弱破碎，在高渗透水压的作用下易产生渗流绕过水闸门硐室结构，从而导致渗透破坏或失稳。此时，需要在优化水闸门硐室结构和合理选址的基础上，对软弱破碎围岩进行大范围和大深度的注浆加固改造，可以先采用水泥水玻璃双液浆充填宽大裂隙，在采用树脂类有机浆材充填细小裂隙，最后取样测试和评价“浆-岩”组合体的力学性质和渗透性。另一方面，深部矿山的高温高湿环境，伴随混凝土浇筑的大量放热，导致井下环境温度急剧升高，而环境温度的升高又不利于水化热的释放，从而影响防水闸门硐室结构的施工质量。可以采用风水联调、优化混凝土配比、分段分节浇筑等方法降低环境温度，为防水闸门硐室的施工创造有利条件(吴晓锁等，2009；Sui et al., 2011)。

4.3   配套智能化的水害信息辨识与预警平台

随着我国矿山智能化水平的不断提高，以采场和地质结构的精细化建模为基础，通过多源数据挖掘、空间多准则智能决策、机器学习与深度学习等方法，建立了矿山深部开采的水害信息辨识与预警平台(靳德武等，2020；毕波等，2022)。今后，防水闸门、硐室结构及远程控制系统要实现与监测预警平台之间的信息融合与互联互馈，从而在超前水害信息辨识的基础上，发出预警信号，实现防水闸门的智能化控制，达到水害的快速和精准控制的目的。若深部突水通过采掘裂隙带或导水构造，在多开采中段蔓延，可以通过不同开采中段的防水闸门之间的联动协调，实现水害在三维巷道空间内的有效控制。但是，防水闸门的智能化控制必须要与井下人员定位系统实现耦合，以确保闸门关闭前人员已经安全撤离。防水闸门、硐室结构及远程控制系统与智能化的水害信息辨识与预警平台的融合，作为矿山安全地质保障和智能化防灾减灾救灾的重要环节。

5.   结论

(1)毛坪铅锌矿310 m中段东侧为突水高风险区域，存在多个方向的来水通道，通过定向钻孔注浆改造后，主要导水构造被封堵，突水危险性明显降低，高风险区域仅在东北侧和东南侧局部残存。评价结果为矿山深部防治水措施的制定以及应急防水闸门的设计和建造提供了支撑。

(2)毛坪铅锌矿310 m中段防水闸门设计承压6.4 MPa，采用倒截锥形硐室结构，对开型防水闸门，闸门硐室的长度为7.4 m、最大掘进断面积为24.8 m²、嵌入围岩深度为1.3 m、硐室支撑面与巷道中心线夹角取值分别为65°和30°。

(3)数值模拟结果表明，防水闸门硐室开挖及浇筑后，竖直和水平方向的压应力和拉应力均增大，可能导致局部拉张破坏和底鼓变形，从而影响闸门硐室的结构稳定性；塑性破坏的范围约为0.38 m，需要着重加固，防止围岩与硐室结构界面的扰动破坏，影响硐室结构的承压性。

(4)防水闸门迎水侧在不同水压的数值模拟结果表明，在围岩完整性较好，且防水闸门硐室结构建造质量可靠的前提下，第1个倒截锥形塞的迎水侧承担了超过80%的总水压，可以起到有效地控制高势能突水的目标。

(5)从三方面展望了深部高承压应急防水闸门系统的发展趋势，包括防水闸门及硐室结构长期服役的稳定性监测与评价、深部复杂地质条件下的设计与建造技术、配套智能化的水害信息辨识与预警平台等。研究成果可为深部矿山防治水体系建设和安全高效开采提供参考和借鉴。