淺析鋼結構在煤炭礦山地面建筑中的應用

摘 要：隨著我國煤炭消費即將達到峰值，降低礦井地面建筑的建設費用對降低成本、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構的意義，可為今后的煤炭礦山建設提供一些建議。

關鍵詞：鋼結構；煤炭礦山；應用

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

0 引言

隨著我國經濟進入“新常態”，對能源的消費需求下降，降低煤炭行業基本建設投資顯得尤為重要。另一方面我國人力成本上升迅速，工業化程度比較高的鋼結構優勢日益凸顯，工業建筑中采用鋼結構大量替代混凝土結構已經是普遍共識。再次，工業建筑節能和環境保護逐漸受到重視，引導工業建筑的健康可持續發展，適應工業建筑的綠色評價需求，鋼結構作為綠色可回收的建筑材料必將得到廣泛的應用。

1 鋼結構在工程建設中的優勢

1.1 結構輕質高強、抗震性能好

鋼結構鋼材采用Q345、Q235鋼，結構的強度高，當承受相同的荷載時，鋼結構的自重要比其他結構輕很多，地震效應小。此外便于運輸和安裝。鋼結構可充分發揮鋼材的強度高、延性好、塑性變形能力強、各構件間協調變形能力好的特點，具有優良的抗震性能和抗變形能力，結構安全度高。

1.2 節能降耗、資源可重復利用

鋼結構建筑消耗資源量是 800～1000 kg/m2，而鋼混結構消耗資源量則在1 700kg/m2以上。建造和拆除時對環境污染較少，建筑使用壽命到期，結構拆除產生的固體垃圾少，廢鋼資源回收價值高。鋼結構施工采用干式施工，節約用水，施工占地少，產生的噪音小、粉塵少，滿足國家節能降耗和可持續發展的要求，符合《綠色工業建筑評價標準》，具有良好的經濟效益和環境效益。

現在我國大部分煤礦超采現象非常嚴重，礦井的實際生產年限較原設計的礦井服務年限大為縮短，結構尚未達到設計使用年限，礦山因為資源枯竭而廢棄，造成礦山地面建筑的巨大浪費，如果采用鋼結構則可以拆除異地重建，具有回收價值。而混凝土結構和砌體結構的建構筑物只能是一堆建筑垃圾。

1.3 結構布置靈活，適應性強

輕鋼結構柱距及開間布置靈活，可適應不同的工藝要求和設備的布置，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材料，外觀效果好，利于廠區的環境美化。

1.4 符合產業政策

鋼結構的加工工業化程度高，能夠實現工廠化、規?；⑾盗谢a，相比傳統的磚混結構和鋼筋混凝土結構施工周期短、其效率高、造價低，可較大幅度地降低建設成本。

鋼結構所采用的施工方法是干法，通過現場吊裝裝配和全天候的作業施工，減少混泥土結構鋼筋捆扎等復雜程序，縮短了現場施工的工期。鋼結構之間的連接主要靠焊接實現，使得安裝施工程序簡單大大的提高了現場的安裝施工效率，節省了煤礦建設時間，煤礦提前投入生產，縮短了企業投資回收期，提高了企業經濟效益。

1.5 綜合經濟效益好、投資費用少

由于鋼結構具有優良的性能，自身重量相對減輕，建筑物的基礎也相應減小，能降低基坑開挖及地基土層處理的費用，澆筑基礎的混凝土材料也減少，對于地基條件較差的建設場地采用鋼結構有明顯的經濟意義。綜合可知鋼結構施工速度快，建設周期短及鋼材使用后期有回收價值，使煤礦的建設的投資額減少，提高了企業調投資抗風險能力。

2 鋼結構在煤炭礦山中的應用

在現代煤礦建設中，鋼結構工期短，建設投資少， 抗震性能好，外觀造型靈活多變，可回收利用，有利于環保，得到越來越多的應用和發展，被稱為綠色工業建筑。

2.1 鋼結構在煤礦地面建筑的應用情況

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

鋼結構目前在井架、井口房、輸煤棧橋、廠房、筒倉機房、材料庫、食堂、中采用，但是采用混凝土結構的食堂、井口房、井塔、機房、筒倉也在建設。

2.2 鋼結構在煤礦地面建筑結構形式的選擇

（1）煤礦地面工業建筑特點：大部分煤礦地面工業建筑具有以下特點：①建筑層數較少，一般為單層或2層；②建筑物跨度相對較大；③設備荷載大多直接作用于地面及屋面，荷載相對較小；④軸網設置不夠整齊劃一，構件種類繁多；⑤當房屋設有起重設備時，起重量一般不超過20t；由于建設場地工程地質條件復雜，填方區較多，由于防洪或其它工藝要求，場區多數處于填方區，基礎工程量大等。這些特點采用傳統混凝土結構的存在施工工期長、工業化低、資源和能源消耗大、對周圍環境污染較大、投資周期長等缺點，不能適應快速、高效的現代煤礦建設需要?？梢钥闯鲈诿旱V地面建筑特別是工業建筑物及構筑物中可較為廣泛地應用鋼結構。

（2）煤礦地面建筑結構形式選擇。煤礦地面建筑采用鋼結構既有輕型鋼結構也有普通鋼結構，門式剛架結構體系作為近年來發展最快的輕型鋼結構，其主承重結構主要以門式剛架為主，而圍護結構多采用夾芯板。鋼結構柱腳的內力較混凝土結構的小，能降低地基處理和基礎的費用，對于地基條件較差的建設場地采用鋼結構有明顯的經濟意義。

2.3 在煤礦地面建筑中采用鋼結構可以解決的技術難題

2.3.1 凍結法施工對井架和井口房的影響

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

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

（2）鋼結構井架。井架是煤礦標志性構筑物。對較深層煤炭立井開采時鋼井架多為首選方案，與現澆鋼筋混凝土井塔比較，鋼結構井架具有結構性能好、強度高、抗振性能好、結構重量輕、施工速度快、占用井口時間短等優點。其中箱形鋼結構井架被廣泛的應用到了大中型煤礦企業。設計采用空間鋼結構體系。通過對結構方案的選用、結構的布置、結構荷載取值、構件截面尺寸、計算結果合理性判斷以及結構材料選擇及防腐技術的對比分析，對工程進行了優化。使所采用的方案具有較好的技術經濟效益。

鋼井架各承重構件均采用Q345-C級鋼，鋼梯欄桿平臺板等次要構件可采用Q235-B級鋼，但要保證其可焊性，高強螺栓采用摩擦型高強螺栓。

采用凍結法施工的井筒，在凍結與融凍期間，井口附近地表土層由于凍融而發生升降變化，從而影響鑿井井架的升降。由于井架一般是在凍結的同時進行安裝的，井架會因地表的凍脹上升而發生變化。如礦山鋼井架就在基礎頂部預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法實現的。

2.3.2 煤礦開采造成地面沉降對地面建筑的影響

由于煤礦開采所造成的地面沉降現在已經成為煤礦生產中遇到的一大地質災害，部分煤礦的地面沉降造成建筑的墻體開裂、傾斜已經嚴重影響到了地面建筑的正常使用，鋼結構由于其自重輕、變形能力強，對于不均勻沉降有較好的適應性，且變形后易于糾偏加固。

2.3.3 防腐蝕問題

大部分的煤礦鋼結構都是暴露在空氣中的，隨著年限的增長，鋼結構會被空氣氧化導致腐蝕，這樣就降低了鋼材自身的品質，導致其質量變差，影響到煤礦的安全生產。隨著先進的防火材料及防銹涂料的出現，施工的防銹層可保證鋼結構在正常使用條件下50a不銹蝕，再加上新型耐火、耐候鋼的研制和相繼投產，新型輕質、高強、性能優越的圍護材料的問世，鋼結構防不足能得到很好的解決。像鋼結構筒倉為防止上部倉體腐蝕，其外部涂防銹漆，內部圖環氧樹脂磨面漆，效果良好。

3 結語

（1）大量采用鋼結構，可以實現綠色工業建筑。

（2）建設鋼結構煤礦可以實現環保、生態礦山的建設目標。

（3）建設鋼結構煤礦可以實現資源的循環利用，有利于建設循環經濟。

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作者簡介：邸海燕（1984-），女，安徽渦陽人，講師，主要從事巖土工程與地質災害方面設計與研究。