浅析钢结构在煤炭矿山地面建筑中的应用

GXF360 2017-06-17

展开全文

浅析钢结构在煤炭矿山地面建筑中的应用

邸海燕

（西安外事学院工学院,西安 710077）

摘要：随着我国煤炭消费即将达到峰值，降低矿井地面建筑的建设费用对降低成本、缩短投资回收期意义重大，本文论述了在煤矿地面建筑中采用钢结构的意义，可为今后的煤炭矿山建设提供一些建议。

关键词：钢结构；煤炭矿山；应用

0 引言

随着我国经济进入“新常态”，对能源的消费需求下降，降低煤炭行业基本建设投资显得尤为重要。另一方面我国人力成本上升迅速，工业化程度比较高的钢结构优势日益凸显，工业建筑中采用钢结构大量替代混凝土结构已经是普遍共识。再次，工业建筑节能和环境保护逐渐受到重视，引导工业建筑的健康可持续发展，适应工业建筑的绿色评价需求，钢结构作为绿色可回收的建筑材料必将得到广泛的应用。

1 钢结构在工程建设中的优势

1.1 结构轻质高强、抗震性能好

钢结构钢材采用Q345、Q235钢，结构的强度高，当承受相同的荷载时，钢结构的自重要比其他结构轻很多，地震效应小。此外便于运输和安装。钢结构可充分发挥钢材的强度高、延性好、塑性变形能力强、各构件间协调变形能力好的特点，具有优良的抗震性能和抗变形能力，结构安全度高。

1.2 节能降耗、资源可重复利用

钢结构建筑消耗资源量是 800～1000 kg/m2，而钢混结构消耗资源量则在1 700kg/m2以上。建造和拆除时对环境污染较少，建筑使用寿命到期，结构拆除产生的固体垃圾少，废钢资源回收价值高。钢结构施工采用干式施工，节约用水，施工占地少，产生的噪音小、粉尘少，满足国家节能降耗和可持续发展的要求，符合《绿色工业建筑评价标准》，具有良好的经济效益和环境效益。

现在我国大部分煤矿超采现象非常严重，矿井的实际生产年限较原设计的矿井服务年限大为缩短，结构尚未达到设计使用年限，矿山因为资源枯竭而废弃，造成矿山地面建筑的巨大浪费，如果采用钢结构则可以拆除异地重建，具有回收价值。而混凝土结构和砌体结构的建构筑物只能是一堆建筑垃圾。

1.3 结构布置灵活，适应性强

轻钢结构柱距及开间布置灵活，可适应不同的工艺要求和设备的布置,其所有墙体均为非承重墙体，利于房间的灵活分割和以后的改造更新；其外墙及屋面多采用色彩丰富的轻质材料，外观效果好，利于厂区的环境美化。

1.4 符合产业政策

钢结构的加工工业化程度高，能够实现工厂化、规模化、系列化生产，相比传统的砖混结构和钢筋混凝土结构施工周期短、其效率高、造价低，可较大幅度地降低建设成本。

钢结构所采用的施工方法是干法，通过现场吊装装配和全天候的作业施工，减少混泥土结构钢筋捆扎等复杂程序，缩短了现场施工的工期。钢结构之间的连接主要靠焊接实现，使得安装施工程序简单大大的提高了现场的安装施工效率，节省了煤矿建设时间，煤矿提前投入生产，缩短了企业投资回收期，提高了企业经济效益。

1.5 综合经济效益好、投资费用少

由于钢结构具有优良的性能，自身重量相对减轻，建筑物的基础也相应减小，能降低基坑开挖及地基土层处理的费用，浇筑基础的混凝土材料也减少，对于地基条件较差的建设场地采用钢结构有明显的经济意义。综合可知钢结构施工速度快，建设周期短及钢材使用后期有回收价值，使煤矿的建设的投资额减少，提高了企业调投资抗风险能力。

2 钢结构在煤炭矿山中的应用

在现代煤矿建设中，钢结构工期短，建设投资少, 抗震性能好,外观造型灵活多变，可回收利用，有利于环保，得到越来越多的应用和发展，被称为绿色工业建筑。

2.1 钢结构在煤矿地面建筑的应用情况

煤矿地面建筑一般分为行政福利建筑和工业建筑物(构筑物)两大部分。其中行政福利建筑包括办公楼、宿舍楼、食堂、浴室灯房任务交代室联合建筑、保卫室、地下车库等，由于功能的要求，其结构形式多采用多、高层钢筋混凝土框架结构或多层砖混结构，但该类建筑在煤矿地面建筑中所占比例不大，绝大部分为工业建筑物及构筑物，生产用房包括井架、主井井口房、主厂房、矸石仓、块煤仓、末煤仓、筛分车间、污水处理厂、筒仓主井井口房至原煤仓栈桥、原煤仓至筛分车间栈、筛分车间至主厂房栈桥、主厂房至矸石仓、块煤仓、末煤仓栈桥等。

钢结构目前在井架、井口房、输煤栈桥、厂房、筒仓机房、材料库、食堂、中采用，但是采用混凝土结构的食堂、井口房、井塔、机房、筒仓也在建设。

2.2 钢结构在煤矿地面建筑结构形式的选择

（1）煤矿地面工业建筑特点：大部分煤矿地面工业建筑具有以下特点：①建筑层数较少，一般为单层或2层；②建筑物跨度相对较大；③设备荷载大多直接作用于地面及屋面,荷载相对较小；④轴网设置不够整齐划一，构件种类繁多；⑤当房屋设有起重设备时,起重量一般不超过20t；由于建设场地工程地质条件复杂，填方区较多，由于防洪或其它工艺要求，场区多数处于填方区，基础工程量大等。这些特点采用传统混凝土结构的存在施工工期长、工业化低、资源和能源消耗大、对周围环境污染较大、投资周期长等缺点，不能适应快速、高效的现代煤矿建设需要。可以看出在煤矿地面建筑特别是工业建筑物及构筑物中可较为广泛地应用钢结构。

（2）煤矿地面建筑结构形式选择。煤矿地面建筑采用钢结构既有轻型钢结构也有普通钢结构，门式刚架结构体系作为近年来发展最快的轻型钢结构，其主承重结构主要以门式刚架为主，而围护结构多采用夹芯板。钢结构柱脚的内力较混凝土结构的小，能降低地基处理和基础的费用，对于地基条件较差的建设场地采用钢结构有明显的经济意义。

2.3 在煤矿地面建筑中采用钢结构可以解决的技术难题

2.3.1 冻结法施工对井架和井口房的影响

目前大量采用的冻结法井筒凿井技术，严重破坏了井筒周围的地层土的物理力学性质，造成的地面沉降严重影响到了井口房、井架或井塔的安全。

（1）井口房。煤矿建设过程中拆除临时凿井，井架，井口房及井架的施工周期时间较长，为了缩短占用井口的时间，采用钢结构是非常好的选择。例如：在煤矿副井井口房中，由于井筒施工工艺(冻结施工)的特殊性,井筒周围一定范围内的地基土体受到较大的扰动，考虑地基土体的冻融变化对井口房的影响，采用传统的混凝土结构自重大,基础埋置深,地基不均匀变形大,容易造成基础不均匀沉降,使结构变形、开裂,影响正常的使用,若对地基进行深层处理或采用桩基础,将大大增加工程造价。而采用轻钢结构体系,结构自重轻,协调变形能力强,对地基进行浅层处理后即可保证房屋的正常使用,不仅可以克服传统结构形式带来的种种不利影响,而且可大大降低工程造价。

（2）钢结构井架。井架是煤矿标志性构筑物。对较深层煤炭立井开采时钢井架多为首选方案，与现浇钢筋混凝土井塔比较，钢结构井架具有结构性能好、强度高、抗振性能好、结构重量轻、施工速度快、占用井口时间短等优点。其中箱形钢结构井架被广泛的应用到了大中型煤矿企业。设计采用空间钢结构体系。通过对结构方案的选用、结构的布置、结构荷载取值、构件截面尺寸、计算结果合理性判断以及结构材料选择及防腐技术的对比分析,对工程进行了优化。使所采用的方案具有较好的技术经济效益。

钢井架各承重构件均采用Q345-C级钢，钢梯栏杆平台板等次要构件可采用Q235-B级钢，但要保证其可焊性，高强螺栓采用摩擦型高强螺栓。

采用冻结法施工的井筒，在冻结与融冻期间，井口附近地表土层由于冻融而发生升降变化，从而影响凿井井架的升降。由于井架一般是在冻结的同时进行安装的，井架会因地表的冻胀上升而发生变化。如矿山钢井架就在基础顶部预留有用于井架纠偏的千斤顶安装位置，如果是混凝土井架这些措施则是无法实现的。

2.3.2 煤矿开采造成地面沉降对地面建筑的影响

由于煤矿开采所造成的地面沉降现在已经成为煤矿生产中遇到的一大地质灾害，部分煤矿的地面沉降造成建筑的墙体开裂、倾斜已经严重影响到了地面建筑的正常使用，钢结构由于其自重轻、变形能力强，对于不均匀沉降有较好的适应性，且变形后易于纠偏加固。

2.3.3 防腐蚀问题

大部分的煤矿钢结构都是暴露在空气中的，随着年限的增长，钢结构会被空气氧化导致腐蚀，这样就降低了钢材自身的品质，导致其质量变差，影响到煤矿的安全生产。随着先进的防火材料及防锈涂料的出现，施工的防锈层可保证钢结构在正常使用条件下50a不锈蚀，再加上新型耐火、耐候钢的研制和相继投产，新型轻质、高强、性能优越的围护材料的问世，钢结构防不足能得到很好的解决。像钢结构筒仓为防止上部仓体腐蚀，其外部涂防锈漆，内部图环氧树脂磨面漆，效果良好。