风门受压变形特征及新型抗压风门构筑技术

苗德俊，常德化

(1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

风门受压变形特征及新型抗压风门构筑技术

苗德俊1,2，常德化1,2

(1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

摘要：随着矿井开采深度的增加，巷道受到的压力也越来越大，导致风门设施出现墙体开裂、门槛变形折断、风门漏风等问题。以唐口煤矿为例，采用现场观测、理论分析等方法，对风门受压变形状况进行分析；采用数值模拟对巷道受压破坏程度进行研究，提出构建新型抗压风门技术，并在330检修斜巷进行了试验。经过四个月的观测，风门墙体水平长度变形量为17.3 cm，垂直长度变形量为21.2 cm，墙体压力最高达到16.7 MPa，风门完好。

关键词：唐口煤矿；风门；冲击地压；数值模拟；破坏机理

矿井通风是煤矿生产的重要环节[1]。生产时期通风系统的主要功能是利用通风动力、以最经济的方式、向井下各用风地点供给质优量足的新鲜空气，稀释并排放出瓦斯、粉尘等各种有毒有害物质，降低作业地点的环境温度，给井下工人创造良好的工作环境；在发生灾变时，能及时、有效地控制风向及风量，并与其他措施相结合，防止灾害的扩大，减少人员伤亡和财产损失[2]。风门是保证煤矿通风系统正常运行的重要基础设施之一[3]。目前人们对风门的构筑技术做了大量的研究，取得了丰硕的成果。王海宁[4]模拟了风流对矿井风门的影响并提出了柔性风门技术。贺亮[5]、原慧军[6]、马忙利[7]、张修峰[8]、丁大同[9]等对风门的设置进行了改进和完善。姜耀东[10]、苗法田[11]等对煤层冲击机理和风门冲击受压变形特征做了相关的分析。但是，随着煤矿开采深度的增加，冲击地压对矿井通风设施及其构筑技术提出了更高的要求，且其破坏机理有待进一步认识。唐口煤矿的开采深度深，风门构筑完毕后很快就会因受压过大而损坏，在此背景下，本研究着重分析高压力下通风设施破坏机理及构筑技术。

1风门墙压力及变形观测

唐口煤矿开采水平为-990 m，采深在-1 000 m左右，地压显现明显，煤层顶底板岩性软。岩石是非均质、非连续的岩体，强度低，单轴抗压强度一般不小于30 MPa，且有不同程度的遇水膨胀性。有的裂隙发育，容易产生扩容，一些较硬的岩石在埋深大于800 m或地应力较强的情况下，发生蠕变和大的变形，发生松散、膨胀、碎裂、强度降低等现象。软岩多有兼容二种以上的复合特征。

在唐口煤矿北轨北回三路联络巷原建的风门墙上共布置4个超高压传感器(图1)，定期记录压力信息。同时在原建的风门墙上布置长度观测仪(图2)，观测其上下左右的变形量。

图1　压力测量布置示意图

图2　变形测量布置示意图

2009-09-15—2009-12-16期间的监测结果如图3和图4所示。由于该风门离工作面较近，受采场影响较大，当有矿压显现时，风门墙受压明显，同时变形增大。在2009-10-15—10-23，2009-11-10—11-16，2009-11-26—12-04期间，受矿压影响明显，当压力释放后，压力增加量和变形量较小。垂直方向和水平方向的变形比较明显，垂直方向的压力大于水平方向的压力，测点最大压力为21.5 MPa，最小压力为18.7 MPa。垂直方向右侧的压力大于左侧的压力，约相差0.6 MPa；水平方向的压力左侧大于右侧的压力，约相差0.7 MPa。水平方向的变形大于垂直方向的变形，约相差53 mm。

图3　四测点压力变化示意图

图4　二测点的水平垂直变形量示意图

2通风设施巷道破坏模拟

1)几何模型

模型几何尺寸：长×宽×高=100 m×76.4 m×75.2 m，为了消除数值模型的边界效应，模型的两侧边界距巷道帮的距离为36 m，顶边界距巷道拱顶的距离为36 m，底边界距巷道的底板距离为32 m，沿巷道轴向，即Y方向的总长度为30 m。在模型的上部采用载荷来代替上部岩层的重量。模型划分为30 700个单元，34 672个节点。

2)力学参数

结合现场实际情况，从上到下共设置6层，分别为细砂岩、泥岩、铝质泥岩、砂岩、粉砂岩、砂岩，并进行了岩石力学参数测试，如表1所示。

表1　数值模拟中各岩层的力学参数

图5　围岩屈服深度示意图

3)岩体的力学模型

模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏，并且均不考虑塑性流动(不考虑剪胀)。用FLAC3D模拟圆拱形巷道壁受到的围岩应力，如图5～7所示。

由图5可以看出，巷道两帮的最大塑性区深度为3.0 m，顶板为4.2 m，底板为3.0 m，两帮和顶板浅部以剪切破坏为主，巷道顶板的塑性区范围大于两帮和底板。由于顶板、两帮和顶板塑性屈服范围大，因此在巷道底角的塑性范围相对较小，其中底角的塑性屈服深度为2.4 m。

图6　垂直方向应力示意图

图7　水平方向应力示意图

由图6可以看出，在两帮塑性区范围内形成卸压区而应力降低，在塑性区外3.0～4.0 m范围内形成应力集中区，其中应力最大值为21.7 MPa，巷道底板的拉应力大于顶板，拉应力值为0.21 MPa。由图7可以看出，围岩塑性区外形成应力集中区，其应力最大值为22.7 MPa，在巷道两帮为拉应力，其值为0.15 MPa。

图8　风墙应力示意图

4)风墙应力分析

为了保证通风系统的可靠性，风墙的边界必然紧贴巷道壁，巷道受到围岩的应力，被支护设施吸收，由于岩石的蠕变性、碎胀性及采动的影响，该应力会逐渐增大，最后会超出支护设施能承受的上限，超出上限的部分即剩余应力将会加载在风墙上。根据上节模型得到的巷道应力分布，可以定性地得到风墙受到的应力分布，如图8所示。通过分析，可以看出顶底板中部是应力较大的部位，而顶板与两帮、两帮与底板的连接处，水平应力和垂直应力发生重合，为风墙应力集中点，也是最易发生变形破坏的位置，而由于风墙是一个立体结构，在应力集中位置将导致墙体破裂和墙皮脱落。

3新型抗压风门的设计

现有的风门大都采用内置风门，矿压较大时，容易导致门框变形，风门关闭不严、漏风等问题。因此，为避免矿压破坏风门，保证矿井通风系统可靠及安全生产，结合上述破坏机理分析及数值模拟，本设计采用外置风门设计，首先将墙体与风门分离，中间留出与风门框内侧一样的空间；然后用水泥砂浆、砖将框与墙体之间填实；最后用电钻在两竖坎上下两端各打眼一个，用准备好的锚杆将门框与墙体固定在一起，如图9所示。

图9　新型抗压风门结构示意图

4应用效果

在唐口煤业公司压力较大的330检修斜巷，构筑了一道风门，在新建的风门墙上布置4个超高压传感器(图1)，定期记录压力信息；同时布置长度观测仪(图2)，观测其上下左右的变形值。对该新建的风门经过四个月的观测，结果如表2所示。观测结果表明，风门墙体水平长度变形量为17.3 cm，垂直长度变形量为21.2 cm，墙体压力最高达到16.7 MPa，虽然风门变形量增大，最大为212 mm，但墙体仍然完好。

表2　新型风门墙的压力、变形与墙体破坏状况表

5结论

通过超高压压力传感器和长度传感器对唐口煤矿的两个压力较大巷道新建的风门连续监测，发现随着压力增大，变形量也逐渐增大，最大压力为21.5 MPa， 最大变形量为157 mm，当矿压释放到一定程度，压力和变形量变化缓慢。在唐口煤矿构筑的新型抗压风门，经过四个月的实际观测，风门完好，延长了该矿通风设施的使用寿命、降低了该矿通风设施的维护成本、保障了该矿矿井通风系统的稳定、可靠运行。

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(责任编辑：吕海亮)

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

基金项目：山东省自然科学基金项目(ZR2012EEM004)

作者简介：苗德俊(1970—)，男，山东烟台人，副教授,博士,主要从事安全管理理论、事故预防控制、热害控制技术等方面的研究.E-mail:1462987677@qq.com 常德化(1984—)，男，河南永城人，主要从事安全管理理论及热害控制技术等方面的研究，本文通信作者. E-mail:707176579@qq.com

中图分类号：TD727

文献标志码：A

文章编号：1672-3767(2016)01-0038-06