風門受壓變形特征及新型抗壓風門構筑技術

苗德俊，常德化

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590)

風門受壓變形特征及新型抗壓風門構筑技術

苗德俊1,2，常德化1,2

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，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，導致風門設施出現(xiàn)墻體開裂、門檻變形折斷、風門漏風等問題。以唐口煤礦為例，采用現(xiàn)場觀測、理論分析等方法，對風門受壓變形狀況進行分析；采用數(shù)值模擬對巷道受壓破壞程度進行研究，提出構建新型抗壓風門技術，并在330檢修斜巷進行了試驗。經(jīng)過四個月的觀測，風門墻體水平長度變形量為17.3 cm，垂直長度變形量為21.2 cm，墻體壓力最高達到16.7 MPa，風門完好。

關鍵詞：唐口煤礦；風門；沖擊地壓；數(shù)值模擬；破壞機理

礦井通風是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1]。生產(chǎn)時期通風系統(tǒng)的主要功能是利用通風動力、以最經(jīng)濟的方式、向井下各用風地點供給質(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)生災變時，能及時、有效地控制風向及風量，并與其他措施相結合，防止災害的擴大，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[2]。風門是保證煤礦通風系統(tǒng)正常運行的重要基礎設施之一[3]。目前人們對風門的構筑技術做了大量的研究，取得了豐碩的成果。王海寧[4]模擬了風流對礦井風門的影響并提出了柔性風門技術。賀亮[5]、原慧軍[6]、馬忙利[7]、張修峰[8]、丁大同[9]等對風門的設置進行了改進和完善。姜耀東[10]、苗法田[11]等對煤層沖擊機理和風門沖擊受壓變形特征做了相關的分析。但是，隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓對礦井通風設施及其構筑技術提出了更高的要求，且其破壞機理有待進一步認識。唐口煤礦的開采深度深，風門構筑完畢后很快就會因受壓過大而損壞，在此背景下，本研究著重分析高壓力下通風設施破壞機理及構筑技術。

1風門墻壓力及變形觀測

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，強度低，單軸抗壓強度一般不小于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)生擴容，一些較硬的巖石在埋深大于800 m或地應力較強的情況下，發(fā)生蠕變和大的變形，發(fā)生松散、膨脹、碎裂、強度降低等現(xiàn)象。軟巖多有兼容二種以上的復合特征。

在唐口煤礦北軌北回三路聯(lián)絡巷原建的風門墻上共布置4個超高壓傳感器(圖1)，定期記錄壓力信息。同時在原建的風門墻上布置長度觀測儀(圖2)，觀測其上下左右的變形量。

圖1　壓力測量布置示意圖

圖2　變形測量布置示意圖

2009-09-15—2009-12-16期間的監(jiān)測結果如圖3和圖4所示。由于該風門離工作面較近，受采場影響較大，當有礦壓顯現(xiàn)時，風門墻受壓明顯，同時變形增大。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，測點最大壓力為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　四測點壓力變化示意圖

圖4　二測點的水平垂直變形量示意圖

2通風設施巷道破壞模擬

1)幾何模型

模型幾何尺寸：長×寬×高=100 m×76.4 m×75.2 m，為了消除數(shù)值模型的邊界效應，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個單元，34 672個節(jié)點。

2)力學參數(shù)

結合現(xiàn)場實際情況，從上到下共設置6層，分別為細砂巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖、砂巖、粉砂巖、砂巖，并進行了巖石力學參數(shù)測試，如表1所示。

表1　數(shù)值模擬中各巖層的力學參數(shù)

圖5　圍巖屈服深度示意圖

3)巖體的力學模型

模型中均采用Mohr-Coulomb屈服準則判斷巖體的破壞，并且均不考慮塑性流動(不考慮剪脹)。用FLAC3D模擬圓拱形巷道壁受到的圍巖應力，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較小，其中底角的塑性屈服深度為2.4 m。

圖6　垂直方向應力示意圖

圖7　水平方向應力示意圖

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

圖8　風墻應力示意圖

4)風墻應力分析

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

3新型抗壓風門的設計

現(xiàn)有的風門大都采用內(nèi)置風門，礦壓較大時，容易導致門框變形，風門關閉不嚴、漏風等問題。因此，為避免礦壓破壞風門，保證礦井通風系統(tǒng)可靠及安全生產(chǎn)，結合上述破壞機理分析及數(shù)值模擬，本設計采用外置風門設計，首先將墻體與風門分離，中間留出與風門框內(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；最后用電鉆在兩豎坎上下兩端各打眼一個，用準備好的錨桿將門框與墻體固定在一起，如圖9所示。

圖9　新型抗壓風門結構示意圖

4應用效果

在唐口煤業(yè)公司壓力較大的330檢修斜巷，構筑了一道風門，在新建的風門墻上布置4個超高壓傳感器(圖1)，定期記錄壓力信息；同時布置長度觀測儀(圖2)，觀測其上下左右的變形值。對該新建的風門經(jīng)過四個月的觀測，結果如表2所示。觀測結果表明，風門墻體水平長度變形量為17.3 cm，垂直長度變形量為21.2 cm，墻體壓力最高達到16.7 MPa，雖然風門變形量增大，最大為212 mm，但墻體仍然完好。

表2　新型風門墻的壓力、變形與墻體破壞狀況表

5結論

通過超高壓壓力傳感器和長度傳感器對唐口煤礦的兩個壓力較大巷道新建的風門連續(xù)監(jiān)測，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?shù)V壓釋放到一定程度，壓力和變形量變化緩慢。在唐口煤礦構筑的新型抗壓風門，經(jīng)過四個月的實際觀測，風門完好，延長了該礦通風設施的使用壽命、降低了該礦通風設施的維護成本、保障了該礦礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。

參考文獻：

[1]周剛,程衛(wèi)民,田傳強,等.礦井通風系統(tǒng)危險源辨識、評價與控制[J].山東科技大學學報(自然科學版),2014,33(6):51-57.

ZHOU Gang,CHENG Weimin,TIAN Chuanqiang,et al.Hazard identification,evaluation and control of mine ventilation system[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2014,33(6):51-57.

[2]王海寧.硐室型礦井風流調(diào)控技術[J].重慶大學學報,2012,35(5):127-131.

WANG Haining.Cavern type airflow control technology of mine[J].Journal of Chongqing University,2012,35(5):127-131.

[3]ONDER M,SARAC S,CEVIK E.The influence of ventilation variables on the volume rate of airflow delivered to the face of long drivages[J].Tunneling &Underground Space Technology,2006,21(5):568-574.

[4]王海寧.柔性風門理論數(shù)值模擬與應用[J].煤炭學報,2010,35(增):123-127.

WANG Haining.Flexible damper numerical simulation and application[J].Journal of China Coal Society,2010,35(S):123-127.

[5]賀亮,劉明園.風門的合理設置及改進[J].煤炭技術,2009,28(9):9-10.

HE Liang,LIU Mingyuan.Reasonable installation and improvement of ventilation door[J].Coal Technology,2009,28(9):9-10.

[6]原慧軍.自動氣動無壓平衡風門系統(tǒng)[J].煤礦機械,2015,36(4):176-178.

YUAN Huijun.Automatic pneumatic non-pressure balancing damper system[J].Coal Mine Machinery,2015,36(4):176-178.

[7]馬忙利,馬小輝.機械式風門閉鎖裝置的優(yōu)化改進[J].煤礦安全,2014,45(6):92-93.

MA Mangli,MA Xiaohui.Optimization improvement for locking device of mechanical air door[J].Safety in Coal Mines,2014,45(6):92-93.

[8]張修峰,周旋旋.礦用新型雙軸移動式無壓全自動互鎖平衡風門的研制[J].煤炭工程,2013(2):120-122.

ZHANG Xiufeng,ZHOU Xuanxuan.Research and development of new mine double shaft mobile type pressureless full automatic interlock balanced air door[J].Coal Engineering,2013(2):120-122.

[9]丁大同,周璽柱,王子幫,等.風門的合理配置與優(yōu)化選擇[J].煤礦安全,2009(9):42-44.

DING Datong,ZHOU Xizhu,WANG Zibang,et al.The rational allocation and optimal selection of air door[J].Safety in Coal Mines,2009(9):42-44.

[10]姜耀東,潘一山,姜福興,等.我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治[J].煤炭學報,2014,39(2):206-212.

JIANG Yaodong,PAN Yishan,JIANG Fuxing,et al.Sate of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):206-212.

[11]苗法田.礦井風門沖擊變性特征及結構優(yōu)化[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013,40(2):28-30.

MIAO Fatian.Impact deformation characteristics and structural optimization of mine air door[J].Mining Safety &Environmental Protection,2013,40(2):28-30.

(責任編輯：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

基金項目：山東省自然科學基金項目(ZR2012EEM004)

作者簡介：苗德俊(1970—)，男，山東煙臺人，副教授,博士,主要從事安全管理理論、事故預防控制、熱害控制技術等方面的研究.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等方面的研究，本文通信作者. E-mail:707176579@qq.com

中圖分類號：TD727

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0038-06