鋼管混凝土結構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（集團）楊河煤業有限公司，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（集團）有限責任公司，河南 鄭州 450042；4.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，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，能夠產生強烈沖擊波，強烈沖擊波可以摧毀巷道內的機電設備、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。由于反向風門質量差或使用管理不善，在突出發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，穩定、牢固的永久防突風門是礦井安全設施的基礎屏障。目前國內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。工程技術人員研究采用可伸縮骨架結構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]。

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

1 突出礦井傳統防突風門使用情況

楊河煤業裴溝煤礦自1966年投產，目前核定生產能力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。構筑風門前先在巷道周邊按規定進行掏槽，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。

在礦井淺部區域，傳統風門構筑后能夠使用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變形、支架破壞下沉、底鼓情況嚴重，受礦壓影響，傳統情況下使用磚、灰、砂構筑的永久風門極易出現墻體裂縫、門板變形等現象，甚至出現結構解體、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筑技術砌筑的鋼筋混凝土結構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裂縫、壓垮的現象。尤其是受采動影響較大的應力集中區域，鋼筋混凝土結構的風門仍然需要重新翻修。

2 鋼管混凝土結構永久防突風門構筑技術

2.1 鋼管混凝土結構原理

鋼管混凝土是在鋼管外殼內填裝混凝土組成的現代構件，這種結構的工作原理是：鋼管殼約束作用-使混凝土處于三向受壓狀態，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強度，內填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力。這種結構的優點是：鋼管混凝土構件具有圓柱狀外形，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@些優點，該項技術被廣泛應用于建筑工程領域，如拱橋、公路立交橋、地鐵車站、高層樓房建筑等，同樣，礦業界也被逐漸引入此項技術。鋼管混凝土結構示意圖如圖1。

圖1 鋼管混凝土結構示意圖

根據《現代鋼管混凝土結構（修訂版）》相關公式計算，質量近似相等，鋼管混凝土的承載能力是29#U型鋼的2.37倍，各種材質結構件抗壓能力對比如圖2。

圖2 各種材質結構件抗壓能力對比圖

在某高校內實驗室，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 永久防突風門構筑技術要點

1）深部區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。本區域采用以錨噴技術為基礎的支護技術，使圍巖形成1個“承壓環”，由承壓環控制其外部圍巖的穩定性?！俺袎涵h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范圍采用錨網噴或者“U”型鋼支護巷道。風門構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。鋼管混凝土結構永久防突風門內部結構示意圖如圖3。

圖3 鋼管混凝土結構永久防突風門內部結構示意圖

3）安裝鋼管支架。采用外徑127 mm壁厚8 mm型號的圓形鋼管結構件安裝整體支架，支架形狀為“弧墻半圓拱形”，支架搭設要穩固、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，避免出現漏漿的現象。套管的作用是使內部混凝土具有更高的抗壓強度，鋼管與其內部混凝土共同承載。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，減輕鋼管混凝土結構的承載應力，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，強化整體結構，提高支架的穩定性。肋骨支架與周圍支架結構件安裝完成后統一采用“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構件，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，在結構件的外圍制作模板，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構永久防突風門的承載強度。

3 現場應用效果

礦井31131運輸巷車場風門采用鋼管混凝土結構構筑，該位置處于31采區最下部，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，繼續使用至2017年6月，已連續使用63個月，使用過程中風門沒有出現較大的變形情況。根據鋼管混凝土結構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，如果考慮到其他構筑形式的返修成本等，鋼管混凝土結構的風門構筑總成本較低。

4 結語

采用鋼管混凝土結構構筑的風門從理論和現場實踐上看，能夠有效控制風門處巷道圍巖的變形量，采用該種結構的風門構筑方案從根本上解決了礦井深部區域以及應力集中區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，降低了風門的構筑成本，提高了礦井抗擊煤與瓦斯突出事故災變發生擴大的能力，保證了礦井的安全生產。