苗德俊，常德化

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

風(fēng)門受壓變形特征及新型抗壓風(fēng)門構(gòu)筑技術(shù)

苗德俊1,2，常德化1,2

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：隨著礦井開采深度的增加，巷道受到的壓力也越來越大，導(dǎo)致風(fēng)門設(shè)施出現(xiàn)墻體開裂、門檻變形折斷、風(fēng)門漏風(fēng)等問題。以唐口煤礦為例，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析等方法，對(duì)風(fēng)門受壓變形狀況進(jìn)行分析；采用數(shù)值模擬對(duì)巷道受壓破壞程度進(jìn)行研究，提出構(gòu)建新型抗壓風(fēng)門技術(shù)，并在330檢修斜巷進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)過四個(gè)月的觀測(cè)，風(fēng)門墻體水平長(zhǎng)度變形量為17.3 cm，垂直長(zhǎng)度變形量為21.2 cm，墻體壓力最高達(dá)到16.7 MPa，風(fēng)門完好。

關(guān)鍵詞：唐口煤礦；風(fēng)門；沖擊地壓；數(shù)值模擬；破壞機(jī)理

礦井通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1]。生產(chǎn)時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)的主要功能是利用通風(fēng)動(dòng)力、以最經(jīng)濟(jì)的方式、向井下各用風(fēng)地點(diǎn)供給質(zhì)優(yōu)量足的新鮮空氣，稀釋并排放出瓦斯、粉塵等各種有毒有害物質(zhì)，降低作業(yè)地點(diǎn)的環(huán)境溫度，給井下工人創(chuàng)造良好的工作環(huán)境；在發(fā)生災(zāi)變時(shí)，能及時(shí)、有效地控制風(fēng)向及風(fēng)量，并與其他措施相結(jié)合，防止災(zāi)害的擴(kuò)大，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。風(fēng)門是保證煤礦通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一[3]。目前人們對(duì)風(fēng)門的構(gòu)筑技術(shù)做了大量的研究，取得了豐碩的成果。王海寧[4]模擬了風(fēng)流對(duì)礦井風(fēng)門的影響并提出了柔性風(fēng)門技術(shù)。賀亮[5]、原慧軍[6]、馬忙利[7]、張修峰[8]、丁大同[9]等對(duì)風(fēng)門的設(shè)置進(jìn)行了改進(jìn)和完善。姜耀東[10]、苗法田[11]等對(duì)煤層沖擊機(jī)理和風(fēng)門沖擊受壓變形特征做了相關(guān)的分析。但是，隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓對(duì)礦井通風(fēng)設(shè)施及其構(gòu)筑技術(shù)提出了更高的要求，且其破壞機(jī)理有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。唐口煤礦的開采深度深，風(fēng)門構(gòu)筑完畢后很快就會(huì)因受壓過大而損壞，在此背景下，本研究著重分析高壓力下通風(fēng)設(shè)施破壞機(jī)理及構(gòu)筑技術(shù)。

1風(fēng)門墻壓力及變形觀測(cè)

唐口煤礦開采水平為-990 m，采深在-1 000 m左右，地壓顯現(xiàn)明顯，煤層頂?shù)装鍘r性軟。巖石是非均質(zhì)、非連續(xù)的巖體，強(qiáng)度低，單軸抗壓強(qiáng)度一般不小于30 MPa，且有不同程度的遇水膨脹性。有的裂隙發(fā)育，容易產(chǎn)生擴(kuò)容，一些較硬的巖石在埋深大于800 m或地應(yīng)力較強(qiáng)的情況下，發(fā)生蠕變和大的變形，發(fā)生松散、膨脹、碎裂、強(qiáng)度降低等現(xiàn)象。軟巖多有兼容二種以上的復(fù)合特征。

在唐口煤礦北軌北回三路聯(lián)絡(luò)巷原建的風(fēng)門墻上共布置4個(gè)超高壓傳感器(圖1)，定期記錄壓力信息。同時(shí)在原建的風(fēng)門墻上布置長(zhǎng)度觀測(cè)儀(圖2)，觀測(cè)其上下左右的變形量。

圖1　壓力測(cè)量布置示意圖

圖2　變形測(cè)量布置示意圖

2009-09-15—2009-12-16期間的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3和圖4所示。由于該風(fēng)門離工作面較近，受采場(chǎng)影響較大，當(dāng)有礦壓顯現(xiàn)時(shí)，風(fēng)門墻受壓明顯，同時(shí)變形增大。在2009-10-15—10-23，2009-11-10—11-16，2009-11-26—12-04期間，受礦壓影響明顯，當(dāng)壓力釋放后，壓力增加量和變形量較小。垂直方向和水平方向的變形比較明顯，垂直方向的壓力大于水平方向的壓力，測(cè)點(diǎn)最大壓力為21.5 MPa，最小壓力為18.7 MPa。垂直方向右側(cè)的壓力大于左側(cè)的壓力，約相差0.6 MPa；水平方向的壓力左側(cè)大于右側(cè)的壓力，約相差0.7 MPa。水平方向的變形大于垂直方向的變形，約相差53 mm。

圖3　四測(cè)點(diǎn)壓力變化示意圖

圖4　二測(cè)點(diǎn)的水平垂直變形量示意圖

2通風(fēng)設(shè)施巷道破壞模擬

1)幾何模型

模型幾何尺寸：長(zhǎng)×寬×高=100 m×76.4 m×75.2 m，為了消除數(shù)值模型的邊界效應(yīng)，模型的兩側(cè)邊界距巷道幫的距離為36 m，頂邊界距巷道拱頂?shù)木嚯x為36 m，底邊界距巷道的底板距離為32 m，沿巷道軸向，即Y方向的總長(zhǎng)度為30 m。在模型的上部采用載荷來代替上部巖層的重量。模型劃分為30 700個(gè)單元，34 672個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2)力學(xué)參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從上到下共設(shè)置6層，分別為細(xì)砂巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖、砂巖、粉砂巖、砂巖，并進(jìn)行了巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試，如表1所示。

表1　數(shù)值模擬中各巖層的力學(xué)參數(shù)

圖5　圍巖屈服深度示意圖

3)巖體的力學(xué)模型

模型中均采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，并且均不考慮塑性流動(dòng)(不考慮剪脹)。用FLAC3D模擬圓拱形巷道壁受到的圍巖應(yīng)力，如圖5～7所示。

由圖5可以看出，巷道兩幫的最大塑性區(qū)深度為3.0 m，頂板為4.2 m，底板為3.0 m，兩幫和頂板淺部以剪切破壞為主，巷道頂板的塑性區(qū)范圍大于兩幫和底板。由于頂板、兩幫和頂板塑性屈服范圍大，因此在巷道底角的塑性范圍相對(duì)較小，其中底角的塑性屈服深度為2.4 m。

圖6　垂直方向應(yīng)力示意圖

圖7　水平方向應(yīng)力示意圖

由圖6可以看出，在兩幫塑性區(qū)范圍內(nèi)形成卸壓區(qū)而應(yīng)力降低，在塑性區(qū)外3.0～4.0 m范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū)，其中應(yīng)力最大值為21.7 MPa，巷道底板的拉應(yīng)力大于頂板，拉應(yīng)力值為0.21 MPa。由圖7可以看出，圍巖塑性區(qū)外形成應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力最大值為22.7 MPa，在巷道兩幫為拉應(yīng)力，其值為0.15 MPa。

圖8　風(fēng)墻應(yīng)力示意圖

4)風(fēng)墻應(yīng)力分析

為了保證通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，風(fēng)墻的邊界必然緊貼巷道壁，巷道受到圍巖的應(yīng)力，被支護(hù)設(shè)施吸收，由于巖石的蠕變性、碎脹性及采動(dòng)的影響，該應(yīng)力會(huì)逐漸增大，最后會(huì)超出支護(hù)設(shè)施能承受的上限，超出上限的部分即剩余應(yīng)力將會(huì)加載在風(fēng)墻上。根據(jù)上節(jié)模型得到的巷道應(yīng)力分布，可以定性地得到風(fēng)墻受到的應(yīng)力分布，如圖8所示。通過分析，可以看出頂?shù)装逯胁渴菓?yīng)力較大的部位，而頂板與兩幫、兩幫與底板的連接處，水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力發(fā)生重合，為風(fēng)墻應(yīng)力集中點(diǎn)，也是最易發(fā)生變形破壞的位置，而由于風(fēng)墻是一個(gè)立體結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力集中位置將導(dǎo)致墻體破裂和墻皮脫落。

3新型抗壓風(fēng)門的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的風(fēng)門大都采用內(nèi)置風(fēng)門，礦壓較大時(shí)，容易導(dǎo)致門框變形，風(fēng)門關(guān)閉不嚴(yán)、漏風(fēng)等問題。因此，為避免礦壓破壞風(fēng)門，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠及安全生產(chǎn)，結(jié)合上述破壞機(jī)理分析及數(shù)值模擬，本設(shè)計(jì)采用外置風(fēng)門設(shè)計(jì)，首先將墻體與風(fēng)門分離，中間留出與風(fēng)門框內(nèi)側(cè)一樣的空間；然后用水泥砂漿、磚將框與墻體之間填實(shí)；最后用電鉆在兩豎坎上下兩端各打眼一個(gè)，用準(zhǔn)備好的錨桿將門框與墻體固定在一起，如圖9所示。

圖9　新型抗壓風(fēng)門結(jié)構(gòu)示意圖

4應(yīng)用效果

在唐口煤業(yè)公司壓力較大的330檢修斜巷，構(gòu)筑了一道風(fēng)門，在新建的風(fēng)門墻上布置4個(gè)超高壓傳感器(圖1)，定期記錄壓力信息；同時(shí)布置長(zhǎng)度觀測(cè)儀(圖2)，觀測(cè)其上下左右的變形值。對(duì)該新建的風(fēng)門經(jīng)過四個(gè)月的觀測(cè)，結(jié)果如表2所示。觀測(cè)結(jié)果表明，風(fēng)門墻體水平長(zhǎng)度變形量為17.3 cm，垂直長(zhǎng)度變形量為21.2 cm，墻體壓力最高達(dá)到16.7 MPa，雖然風(fēng)門變形量增大，最大為212 mm，但墻體仍然完好。

表2　新型風(fēng)門墻的壓力、變形與墻體破壞狀況表

5結(jié)論

通過超高壓壓力傳感器和長(zhǎng)度傳感器對(duì)唐口煤礦的兩個(gè)壓力較大巷道新建的風(fēng)門連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著壓力增大，變形量也逐漸增大，最大壓力為21.5 MPa， 最大變形量為157 mm，當(dāng)?shù)V壓釋放到一定程度，壓力和變形量變化緩慢。在唐口煤礦構(gòu)筑的新型抗壓風(fēng)門，經(jīng)過四個(gè)月的實(shí)際觀測(cè)，風(fēng)門完好，延長(zhǎng)了該礦通風(fēng)設(shè)施的使用壽命、降低了該礦通風(fēng)設(shè)施的維護(hù)成本、保障了該礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Deformation Characteristics and New Pressure-resistance Constructing Technology of Air Door

MIAO Dejun1,2,CHANG Dehua1,2

(1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China;2.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:With the deepening of mine exploitation,the tunnel pressure gets increasingly greater,leading to problems such as wall cracking,threshold deformation,air leakage of the air door.Taking Tangkou coal mine as an example,this paper studied air door deformation by using field observation and theoretical analysis and the extent of tunnel compression and damage by using numerical simulation.Based on this,a new air door construction technology was proposed and then tested in inclined tunnel 330.After four months’ observation,it has been found that with a horizontal deformation of 17.3 cm,a vertical deformation of 21.2 cm,and a maximum pressure of 16.7 MPa in the wall,the air door remains intact.

Key words:Tangkou coal mine;air door;rock burst;numerical simulation;failure mechanism

收稿日期：2015-07-07

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2012EEM004)

作者簡(jiǎn)介：苗德俊(1970—)，男，山東煙臺(tái)人，副教授,博士,主要從事安全管理理論、事故預(yù)防控制、熱害控制技術(shù)等方面的研究.E-mail:1462987677@qq.com 常德化(1984—)，男，河南永城人，主要從事安全管理理論及熱害控制技術(shù)等方面的研究，本文通信作者. E-mail:707176579@qq.com

中圖分類號(hào)：TD727

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3767(2016)01-0038-06