淺析鋼結(jié)構(gòu)在煤炭礦山地面建筑中的應(yīng)用

摘 要：隨著我國(guó)煤炭消費(fèi)即將達(dá)到峰值，降低礦井地面建筑的建設(shè)費(fèi)用對(duì)降低成本、縮短投資回收期意義重大，本文論述了在煤礦地面建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)的意義，可為今后的煤炭礦山建設(shè)提供一些建議。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；煤炭礦山；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.065

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入“新常態(tài)”，對(duì)能源的消費(fèi)需求下降，降低煤炭行業(yè)基本建設(shè)投資顯得尤為重要。另一方面我國(guó)人力成本上升迅速，工業(yè)化程度比較高的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)日益凸顯，工業(yè)建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)大量替代混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)是普遍共識(shí)。再次，工業(yè)建筑節(jié)能和環(huán)境保護(hù)逐漸受到重視，引導(dǎo)工業(yè)建筑的健康可持續(xù)發(fā)展，適應(yīng)工業(yè)建筑的綠色評(píng)價(jià)需求，鋼結(jié)構(gòu)作為綠色可回收的建筑材料必將得到廣泛的應(yīng)用。

1 鋼結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)

1.1 結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好

鋼結(jié)構(gòu)鋼材采用Q345、Q235鋼，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高，當(dāng)承受相同的荷載時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的自重要比其他結(jié)構(gòu)輕很多，地震效應(yīng)小。此外便于運(yùn)輸和安裝。鋼結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度高、延性好、塑性變形能力強(qiáng)、各構(gòu)件間協(xié)調(diào)變形能力好的特點(diǎn)，具有優(yōu)良的抗震性能和抗變形能力，結(jié)構(gòu)安全度高。

1.2 節(jié)能降耗、資源可重復(fù)利用

鋼結(jié)構(gòu)建筑消耗資源量是 800～1000 kg/m2，而鋼混結(jié)構(gòu)消耗資源量則在1 700kg/m2以上。建造和拆除時(shí)對(duì)環(huán)境污染較少，建筑使用壽命到期，結(jié)構(gòu)拆除產(chǎn)生的固體垃圾少，廢鋼資源回收價(jià)值高。鋼結(jié)構(gòu)施工采用干式施工，節(jié)約用水，施工占地少，產(chǎn)生的噪音小、粉塵少，滿足國(guó)家節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展的要求，符合《綠色工業(yè)建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

現(xiàn)在我國(guó)大部分煤礦超采現(xiàn)象非常嚴(yán)重，礦井的實(shí)際生產(chǎn)年限較原設(shè)計(jì)的礦井服務(wù)年限大為縮短，結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，礦山因?yàn)橘Y源枯竭而廢棄，造成礦山地面建筑的巨大浪費(fèi)，如果采用鋼結(jié)構(gòu)則可以拆除異地重建，具有回收價(jià)值。而混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的建構(gòu)筑物只能是一堆建筑垃圾。

1.3 結(jié)構(gòu)布置靈活，適應(yīng)性強(qiáng)

輕鋼結(jié)構(gòu)柱距及開間布置靈活，可適應(yīng)不同的工藝要求和設(shè)備的布置，其所有墻體均為非承重墻體，利于房間的靈活分割和以后的改造更新；其外墻及屋面多采用色彩豐富的輕質(zhì)材料，外觀效果好，利于廠區(qū)的環(huán)境美化。

1.4 符合產(chǎn)業(yè)政策

鋼結(jié)構(gòu)的加工工業(yè)化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠化、規(guī)模化、系列化生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工周期短、其效率高、造價(jià)低，可較大幅度地降低建設(shè)成本。

鋼結(jié)構(gòu)所采用的施工方法是干法，通過現(xiàn)場(chǎng)吊裝裝配和全天候的作業(yè)施工，減少混泥土結(jié)構(gòu)鋼筋捆扎等復(fù)雜程序，縮短了現(xiàn)場(chǎng)施工的工期。鋼結(jié)構(gòu)之間的連接主要靠焊接實(shí)現(xiàn)，使得安裝施工程序簡(jiǎn)單大大的提高了現(xiàn)場(chǎng)的安裝施工效率，節(jié)省了煤礦建設(shè)時(shí)間，煤礦提前投入生產(chǎn)，縮短了企業(yè)投資回收期，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1.5 綜合經(jīng)濟(jì)效益好、投資費(fèi)用少

由于鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的性能，自身重量相對(duì)減輕，建筑物的基礎(chǔ)也相應(yīng)減小，能降低基坑開挖及地基土層處理的費(fèi)用，澆筑基礎(chǔ)的混凝土材料也減少，對(duì)于地基條件較差的建設(shè)場(chǎng)地采用鋼結(jié)構(gòu)有明顯的經(jīng)濟(jì)意義。綜合可知鋼結(jié)構(gòu)施工速度快，建設(shè)周期短及鋼材使用后期有回收價(jià)值，使煤礦的建設(shè)的投資額減少，提高了企業(yè)調(diào)投資抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

2 鋼結(jié)構(gòu)在煤炭礦山中的應(yīng)用

在現(xiàn)代煤礦建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)工期短，建設(shè)投資少， 抗震性能好，外觀造型靈活多變，可回收利用，有利于環(huán)保，得到越來(lái)越多的應(yīng)用和發(fā)展，被稱為綠色工業(yè)建筑。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)在煤礦地面建筑的應(yīng)用情況

煤礦地面建筑一般分為行政福利建筑和工業(yè)建筑物（構(gòu)筑物）兩大部分。其中行政福利建筑包括辦公樓、宿舍樓、食堂、浴室燈房任務(wù)交代室聯(lián)合建筑、保衛(wèi)室、地下車庫(kù)等，由于功能的要求，其結(jié)構(gòu)形式多采用多、高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或多層磚混結(jié)構(gòu)，但該類建筑在煤礦地面建筑中所占比例不大，絕大部分為工業(yè)建筑物及構(gòu)筑物，生產(chǎn)用房包括井架、主井井口房、主廠房、矸石倉(cāng)、塊煤倉(cāng)、末煤倉(cāng)、篩分車間、污水處理廠、筒倉(cāng)主井井口房至原煤倉(cāng)棧橋、原煤倉(cāng)至篩分車間棧、篩分車間至主廠房棧橋、主廠房至矸石倉(cāng)、塊煤倉(cāng)、末煤倉(cāng)棧橋等。

鋼結(jié)構(gòu)目前在井架、井口房、輸煤棧橋、廠房、筒倉(cāng)機(jī)房、材料庫(kù)、食堂、中采用，但是采用混凝土結(jié)構(gòu)的食堂、井口房、井塔、機(jī)房、筒倉(cāng)也在建設(shè)。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)在煤礦地面建筑結(jié)構(gòu)形式的選擇

（1）煤礦地面工業(yè)建筑特點(diǎn)：大部分煤礦地面工業(yè)建筑具有以下特點(diǎn)：①建筑層數(shù)較少，一般為單層或2層；②建筑物跨度相對(duì)較大；③設(shè)備荷載大多直接作用于地面及屋面，荷載相對(duì)較?。虎茌S網(wǎng)設(shè)置不夠整齊劃一，構(gòu)件種類繁多；⑤當(dāng)房屋設(shè)有起重設(shè)備時(shí)，起重量一般不超過20t；由于建設(shè)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件復(fù)雜，填方區(qū)較多，由于防洪或其它工藝要求，場(chǎng)區(qū)多數(shù)處于填方區(qū)，基礎(chǔ)工程量大等。這些特點(diǎn)采用傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的存在施工工期長(zhǎng)、工業(yè)化低、資源和能源消耗大、對(duì)周圍環(huán)境污染較大、投資周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，不能適應(yīng)快速、高效的現(xiàn)代煤礦建設(shè)需要?？梢钥闯鲈诿旱V地面建筑特別是工業(yè)建筑物及構(gòu)筑物中可較為廣泛地應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)。

（2）煤礦地面建筑結(jié)構(gòu)形式選擇。煤礦地面建筑采用鋼結(jié)構(gòu)既有輕型鋼結(jié)構(gòu)也有普通鋼結(jié)構(gòu)，門式剛架結(jié)構(gòu)體系作為近年來(lái)發(fā)展最快的輕型鋼結(jié)構(gòu)，其主承重結(jié)構(gòu)主要以門式剛架為主，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用夾芯板。鋼結(jié)構(gòu)柱腳的內(nèi)力較混凝土結(jié)構(gòu)的小，能降低地基處理和基礎(chǔ)的費(fèi)用，對(duì)于地基條件較差的建設(shè)場(chǎng)地采用鋼結(jié)構(gòu)有明顯的經(jīng)濟(jì)意義。

2.3 在煤礦地面建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)可以解決的技術(shù)難題

2.3.1 凍結(jié)法施工對(duì)井架和井口房的影響

目前大量采用的凍結(jié)法井筒鑿井技術(shù)，嚴(yán)重破壞了井筒周圍的地層土的物理力學(xué)性質(zhì)，造成的地面沉降嚴(yán)重影響到了井口房、井架或井塔的安全。

（1）井口房。煤礦建設(shè)過程中拆除臨時(shí)鑿井，井架，井口房及井架的施工周期時(shí)間較長(zhǎng)，為了縮短占用井口的時(shí)間，采用鋼結(jié)構(gòu)是非常好的選擇。例如：在煤礦副井井口房中，由于井筒施工工藝（凍結(jié)施工）的特殊性，井筒周圍一定范圍內(nèi)的地基土體受到較大的擾動(dòng)，考慮地基土體的凍融變化對(duì)井口房的影響，采用傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)自重大，基礎(chǔ)埋置深，地基不均勻變形大，容易造成基礎(chǔ)不均勻沉降，使結(jié)構(gòu)變形、開裂，影響正常的使用，若對(duì)地基進(jìn)行深層處理或采用樁基礎(chǔ)，將大大增加工程造價(jià)。而采用輕鋼結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)自重輕，協(xié)調(diào)變形能力強(qiáng)，對(duì)地基進(jìn)行淺層處理后即可保證房屋的正常使用，不僅可以克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式帶來(lái)的種種不利影響，而且可大大降低工程造價(jià)。

（2）鋼結(jié)構(gòu)井架。井架是煤礦標(biāo)志性構(gòu)筑物。對(duì)較深層煤炭立井開采時(shí)鋼井架多為首選方案，與現(xiàn)澆鋼筋混凝土井塔比較，鋼結(jié)構(gòu)井架具有結(jié)構(gòu)性能好、強(qiáng)度高、抗振性能好、結(jié)構(gòu)重量輕、施工速度快、占用井口時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。其中箱形鋼結(jié)構(gòu)井架被廣泛的應(yīng)用到了大中型煤礦企業(yè)。設(shè)計(jì)采用空間鋼結(jié)構(gòu)體系。通過對(duì)結(jié)構(gòu)方案的選用、結(jié)構(gòu)的布置、結(jié)構(gòu)荷載取值、構(gòu)件截面尺寸、計(jì)算結(jié)果合理性判斷以及結(jié)構(gòu)材料選擇及防腐技術(shù)的對(duì)比分析，對(duì)工程進(jìn)行了優(yōu)化。使所采用的方案具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

鋼井架各承重構(gòu)件均采用Q345-C級(jí)鋼，鋼梯欄桿平臺(tái)板等次要構(gòu)件可采用Q235-B級(jí)鋼，但要保證其可焊性，高強(qiáng)螺栓采用摩擦型高強(qiáng)螺栓。

采用凍結(jié)法施工的井筒，在凍結(jié)與融凍期間，井口附近地表土層由于凍融而發(fā)生升降變化，從而影響鑿井井架的升降。由于井架一般是在凍結(jié)的同時(shí)進(jìn)行安裝的，井架會(huì)因地表的凍脹上升而發(fā)生變化。如礦山鋼井架就在基礎(chǔ)頂部預(yù)留有用于井架糾偏的千斤頂安裝位置，如果是混凝土井架這些措施則是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2.3.2 煤礦開采造成地面沉降對(duì)地面建筑的影響

由于煤礦開采所造成的地面沉降現(xiàn)在已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)中遇到的一大地質(zhì)災(zāi)害，部分煤礦的地面沉降造成建筑的墻體開裂、傾斜已經(jīng)嚴(yán)重影響到了地面建筑的正常使用，鋼結(jié)構(gòu)由于其自重輕、變形能力強(qiáng)，對(duì)于不均勻沉降有較好的適應(yīng)性，且變形后易于糾偏加固。

2.3.3 防腐蝕問題

大部分的煤礦鋼結(jié)構(gòu)都是暴露在空氣中的，隨著年限的增長(zhǎng)，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)被空氣氧化導(dǎo)致腐蝕，這樣就降低了鋼材自身的品質(zhì)，導(dǎo)致其質(zhì)量變差，影響到煤礦的安全生產(chǎn)。隨著先進(jìn)的防火材料及防銹涂料的出現(xiàn)，施工的防銹層可保證鋼結(jié)構(gòu)在正常使用條件下50a不銹蝕，再加上新型耐火、耐候鋼的研制和相繼投產(chǎn)，新型輕質(zhì)、高強(qiáng)、性能優(yōu)越的圍護(hù)材料的問世，鋼結(jié)構(gòu)防不足能得到很好的解決。像鋼結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)為防止上部倉(cāng)體腐蝕，其外部涂防銹漆，內(nèi)部圖環(huán)氧樹脂磨面漆，效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）大量采用鋼結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)綠色工業(yè)建筑。

（2）建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)煤礦可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保、生態(tài)礦山的建設(shè)目標(biāo)。

（3）建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)煤礦可以實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，有利于建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：邸海燕（1984-），女，安徽渦陽(yáng)人，講師，主要從事巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害方面設(shè)計(jì)與研究。