鋼管混凝土結(jié)構(gòu)永久防突風門的研究與應用

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(shè)備、風水管路、通風設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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)。