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        鋼管混凝土結(jié)構(gòu)永久防突風門的研究與應用

        2019-05-07 03:28:58周少璽覃木廣
        煤礦安全 2019年4期
        關(guān)鍵詞:防突構(gòu)筑風門

        周少璽,李 普,覃木廣

        (1.鄭州煤炭工業(yè)(集團)楊河煤業(yè)有限公司,河南 鄭州 452370;2.河南理工大學 能源科學與工程學院,河南 焦作 454000;3.鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責任公司,河南 鄭州 450042;4.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室,重慶 400037;5.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

        煤與瓦斯突出事故發(fā)生時伴隨著大量的瓦斯與煤體向采掘空間瞬間涌出,能夠產(chǎn)生強烈沖擊波,強烈沖擊波可以摧毀巷道內(nèi)的機電設備、風水管路、通風設施等工程建筑[1-2]?!斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》要求礦井在進、回風巷道之間必須安裝反向風門。反向風門的作用是防止突出事故發(fā)生時,人員可以進行避災和自救,這也是不可或缺的重要的綜合防突措施內(nèi)容之一。進、回風巷之間設立的反向風門必須堅固、可靠,避免因突出事故的發(fā)生遭到破壞從而引起突出的煤與瓦斯逆流至進風流中。由于反向風門質(zhì)量差或使用管理不善,在突出發(fā)生時因起不到應有的作用,造成突出物逆流到進風流中,導致進風流中大量人員傷亡的事例也不少見。如漣邵利民煤礦 1995年“6·4”事故、1999年“7·1”事故都是因為突出后瓦斯逆流至新鮮風流中,造成進風流中的大量人員傷亡[3]。因此,穩(wěn)定、牢固的永久防突風門是礦井安全設施的基礎(chǔ)屏障。目前國內(nèi)礦井的風門墻體普遍采用磚、灰、砂砌筑或者鋼筋混凝土澆灌構(gòu)筑,對風門墻體四周掏槽,墻垛厚度普遍在0.8 m以上[4-7]。隨著采深和服務年限的增加,風門墻垛常常被壓毀,需定期進行維護或者翻修。工程技術(shù)人員研究采用可伸縮骨架結(jié)構(gòu)提高風門墻垛的讓壓能力,或者采用壁后注漿加固周圍巷道的方法提高圍巖的穩(wěn)固性,這些方法都在一定程度上延長了風門的服務年限[8-13]。

        楊河煤業(yè)公司位于鄭州礦區(qū),屬頂板巖層、主采煤層、底板巖層硬度系數(shù)均較低的豫西“三軟”煤層[14-17]。根據(jù)采深及服務年限的不同,風門墻體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同狀況的損壞,出現(xiàn)“前砌后修”、“屢建屢壞”的惡性循環(huán),不僅構(gòu)筑成本成倍增加,而且對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴重威脅。因此,深部區(qū)域永久風門的構(gòu)筑問題已成為影響裴溝煤礦乃至整個鄭州礦區(qū)未來可持續(xù)發(fā)展重大技術(shù)難題。

        1 突出礦井傳統(tǒng)防突風門使用情況

        楊河煤業(yè)裴溝煤礦自1966年投產(chǎn),目前核定生產(chǎn)能力1.8 Mt/a,屬于煤與瓦斯突出礦井。礦井通風設施隨著采深的增加不斷進行改進,前后經(jīng)歷過砌碹支護、工字鋼棚支護、29#U型鋼支護、36#U型鋼支護等多種支護方式,配合砌筑磚、灰、砂墻體或者鋼筋混凝土墻體。構(gòu)筑風門前先在巷道周邊按規(guī)定進行掏槽,掏槽深度見硬幫硬底后再進入實體煤0.5 m,并對設施前后5 m巷道的煤層進行壁后注漿加固,在墻體施工位置補打錨桿,實現(xiàn)設施與巷道連體。具體施工方案為:注漿孔應成排布置,間排距2~3 m;注漿加固深度不小于5 m;注漿壓力2~3 MPa;加密巷道棚距,棚間距不大于0.4 m;側(cè)壓大或存在底鼓的施工反底拱,反底拱寬度超過墻基不少于1 m;除對巷幫按規(guī)定進行掏槽外,同時向周邊打2排φ18 mm以上的密集錨桿,進入煤體的深度不小于1 m,外露長度不小于0.5 m,間排距均為0.3~0.4 m,且將外露錨桿全部砌入墻體內(nèi)。

        在礦井淺部區(qū)域,傳統(tǒng)風門構(gòu)筑后能夠使用2至3年,墻體變形程度較小,然而隨著時間推移,傳統(tǒng)風門墻體依然存在一些問題:

        1)隨著礦井開采力度增加,地應力逐步增大,巷道所承受的壓力也同樣大幅度增加。巨大的礦壓造成巷道失穩(wěn)變形、支架破壞下沉、底鼓情況嚴重,受礦壓影響,傳統(tǒng)情況下使用磚、灰、砂構(gòu)筑的永久風門極易出現(xiàn)墻體裂縫、門板變形等現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)解體、垮塌的情況,通風設施漏風嚴重,風門維修頻繁[8]。

        2)最近幾年,礦井采用預擴大斷面風門大骨架澆灌及局部可伸縮構(gòu)筑技術(shù)砌筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)風門起了較好的作用,風門維修頻率有所降低。然而,巨大的礦壓仍然造成鋼筋混凝土澆灌的墻體出現(xiàn)裂縫、壓垮的現(xiàn)象。尤其是受采動影響較大的應力集中區(qū)域,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的風門仍然需要重新翻修。

        2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)永久防突風門構(gòu)筑技術(shù)

        2.1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)原理

        鋼管混凝土是在鋼管外殼內(nèi)填裝混凝土組成的現(xiàn)代構(gòu)件,這種結(jié)構(gòu)的工作原理是:鋼管殼約束作用-使混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強度,內(nèi)填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:鋼管混凝土構(gòu)件具有圓柱狀外形,是當前最科學、最合理的截面形狀,抗彎剛度大,無異向性,不易扭曲變形?;阡摴芑炷恋倪@些優(yōu)點,該項技術(shù)被廣泛應用于建筑工程領(lǐng)域,如拱橋、公路立交橋、地鐵車站、高層樓房建筑等,同樣,礦業(yè)界也被逐漸引入此項技術(shù)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

        圖1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)示意圖

        根據(jù)《現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(修訂版)》相關(guān)公式計算,質(zhì)量近似相等,鋼管混凝土的承載能力是29#U型鋼的2.37倍,各種材質(zhì)結(jié)構(gòu)件抗壓能力對比如圖2。

        圖2 各種材質(zhì)結(jié)構(gòu)件抗壓能力對比圖

        在某高校內(nèi)實驗室,采用鋼管型號φ127 mm×8 mm,線密度24.8 kg/m,圓形支架,支架直徑1.6 m,實測鋼管混凝土支架極限載承載力為2 400 kN,是25#U型鋼支架極限承載能力的2.5倍。

        2.2 永久防突風門構(gòu)筑技術(shù)要點

        1)深部區(qū)域的巷道載荷大于圍巖強度,因此必須強化提高圍巖的承載能力。本區(qū)域采用以錨噴技術(shù)為基礎(chǔ)的支護技術(shù),使圍巖形成1個“承壓環(huán)”,由承壓環(huán)控制其外部圍巖的穩(wěn)定性?!俺袎涵h(huán)強化”僅僅靠錨噴往往是不夠的,應該在最佳時機采用二次支護;鋼管混凝土支架支撐力強大,圍巖注漿事半功倍,是二次支護的最佳選擇。

        2)在設計施工風門的位置前后各10 m范圍采用錨網(wǎng)噴或者“U”型鋼支護巷道。風門構(gòu)筑位置先對幫壁進行掏槽,掏槽深度不小于0.5 m,然后在兩幫及頂部按0.5 m×0.5 m的間距打錨桿,錨桿外露長度0.5 m,通過注漿錨桿向巷道圍巖注漿,加固周圍巷道,提高圍巖強度,注漿壓力不少于4 MPa,施工錨桿期間需預留安裝鋼管支架的位置。施工過程中對風門構(gòu)筑位置的底部掏槽,預留底部鋼管支架安裝位置,鋼管混凝土支架外圍斷面形狀采用直墻半圓拱加反底拱的形式。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)永久防突風門內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

        圖3 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)永久防突風門內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

        3)安裝鋼管支架。采用外徑127 mm壁厚8 mm型號的圓形鋼管結(jié)構(gòu)件安裝整體支架,支架形狀為“弧墻半圓拱形”,支架搭設要穩(wěn)固、受力均勻。另外,斜坡巷道要充分考慮迎山角問題。

        4)鋼管之間采用接頭套管連接,連接部位要密實,避免出現(xiàn)漏漿的現(xiàn)象。套管的作用是使內(nèi)部混凝土具有更高的抗壓強度,鋼管與其內(nèi)部混凝土共同承載。鋼管混凝土支架的巷道圍巖可以讓壓變形,鋼管混凝土支架支護可預留變形層,盡管支架不變形,但圍巖可以讓壓變形,減輕鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承載應力,提高風門使用壽命。

        5)在鋼管混凝土周圍支架之間加設肋骨支架,強化整體結(jié)構(gòu),提高支架的穩(wěn)定性。肋骨支架與周圍支架結(jié)構(gòu)件安裝完成后統(tǒng)一采用“頂升灌注法”進行預注漿,注漿壓力不小于3 MPa,形成完整的風門墻體結(jié)構(gòu)件,作為防突風門墻體的核心組成部分。最后,在所有鋼管混凝土支架安裝、加壓注漿工作完成后,在結(jié)構(gòu)件的外圍制作模板,澆灌混凝土,形成完整的風門墻體。

        6)提高鋼管支架的壁厚、直徑和水泥標號可進一步提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)永久防突風門的承載強度。

        3 現(xiàn)場應用效果

        礦井31131運輸巷車場風門采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑,該位置處于31采區(qū)最下部,埋深553 m。該風門于2012年3月建筑完畢,所服務的31131工作面已于2014年回采完畢,風門未拆除,繼續(xù)使用至2017年6月,已連續(xù)使用63個月,使用過程中風門沒有出現(xiàn)較大的變形情況。根據(jù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)風門的使用情況分析,盡管該種支架加工成本需增加20%,但其承載能力強大,使用時間超長,不需考慮返修問題,如果考慮到其他構(gòu)筑形式的返修成本等,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的風門構(gòu)筑總成本較低。

        4 結(jié)語

        采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的風門從理論和現(xiàn)場實踐上看,能夠有效控制風門處巷道圍巖的變形量,采用該種結(jié)構(gòu)的風門構(gòu)筑方案從根本上解決了礦井深部區(qū)域以及應力集中區(qū)域永久防突風門因變形破壞而頻繁返修的問題,大大提高了永久防突風門的使用壽命,降低了風門的構(gòu)筑成本,提高了礦井抗擊煤與瓦斯突出事故災變發(fā)生擴大的能力,保證了礦井的安全生產(chǎn)。

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