本实用新型属于矿山建设领域，具体涉及一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体。

背景技术：

煤与瓦斯突出事故发生时伴随着大量的瓦斯与煤体向采掘空间瞬间涌出，能够产生强烈冲击波，强烈冲击波可以摧毁巷道内的机电设备、风水管路、通风设施等工程建筑。《防治煤与瓦斯突出规定》要求矿井在进、回风巷道之间必须安装反向风门。反向风门的作用是防止突出事故发生时，人员可以进行避灾和自救，这也是不可或缺的重要的综合防突措施内容之一。目前国内矿井的风门墙体普遍采用砖、灰、砂砌筑或者钢筋混凝土浇灌构筑，对风门墙体四周掏槽，建筑墙垛，风门门洞上方放置过木，提高支护强度抗击顶板来压。然而随着矿井开采力度增加，地应力逐步增大，巷道所承受的压力也同样大幅度增加。巨大的矿压造成巷道失稳变形、支架破坏下沉、底鼓情况严重，受矿压影响，传统情况下使用砖、灰、砂构筑的永久风门极易出现墙体裂缝、门板变形等现象，甚至出现结构解体、垮塌的情况，通风设施漏风严重，风门维修频繁。

工程技术人员研究采用可伸缩骨架结构提高风门墙垛的让压能力，或者采用壁后注浆加固周围巷道的方法提高围岩的稳固性，然而，巨大的矿压仍然造成钢筋混凝土浇灌的墙体出现裂缝、压垮的现象。尤其是受采动影响较大的应力集中区域，钢筋混凝土结构的风门仍然需要重新翻修。根据采深及服务年限的不同，风门墙体结构出现不同状况的损坏，出现“前砌后修”、“屡建屡坏”的恶性循环，不仅构筑成本成倍增加，而且对矿井安全生产构成严重威胁。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，以至少解决目前现有反向风门墙体“前砌后修”、“屡建屡坏”、严重威胁矿井安全生产的问题，大大提高了永久防突风门的使用寿命，节约了大量返修成本，提高了矿井抗击煤与瓦斯突出事故灾变发生扩大的能力，保证了矿井的安全生产，有较为显著的经济效益。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，防突风门墙体包括：

第一层抗压结构，第一层抗压结构位于防突风门墙体周向外侧的岩体内，第一层抗压结构包括承压环；承压环包括锚杆、混凝土喷层、注浆加固层和锚索；锚杆以一定间距和一定的深度分布在防突风门墙体周向外侧的岩体内；注浆加固层为锚杆钉入深度的岩体内注入浆液所形成的加固层；混凝土喷层位于注浆加固层的内侧，沿防突风门构筑位置轴向的前后一定距离喷涂于岩层表面；所述锚索位于混凝土喷层的内侧，沿防突风门构筑位置轴向的前后一定距离布置；

第二层抗压结构，第二层抗压结构位于所述第一层抗压结构的内侧，第二层抗压结构包括钢管混凝土外围支架以及支架外围的混凝土墙形成；

第三层抗压结构，第三层抗压结构位于第二层抗压结构内侧，第三层抗压结构包括与钢管混凝土外围支架内侧连通的“井”字形的钢管混凝土肋骨支架和相邻两套钢管混凝土外围支架之间连接的架间肋骨；钢管混凝土外围支架与钢管混凝土肋骨支架构成一个完整的钢管混凝土支架；

第四层抗压结构，第四层抗压结构位于第三层抗压结构的内侧，第四层抗压结构包括镶嵌于钢管混凝土墙内侧门洞的整体钢制门框。

如上所述的一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，优选，承压环外边界形状与巷道断面形状一致，形成均匀的承压结构。

如上所述的一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，优选，钢管混凝土外围支架外围形状与承压环内侧轮廓形状相对应；钢管混凝土外围支架包括中空钢管和钢管内充满的混凝土；所钢管混凝土外围支架与钢管混凝土肋骨支架、架间肋骨均连通。

如上所述的一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，优选，锚杆选用中空注浆锚杆，方便围岩注浆。

如上所述的一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，优选，所述钢管混凝土外围支架形状采用直墙半圆拱加反底拱的形式；所述钢管混凝土外围支架和钢管混凝土肋骨支架连接处固定连通，钢管混凝土肋骨支架在十字相交处断开，分别用十字接头套管连通；为便于运输，钢管混凝土支架包括上、下、左、右四个中空钢管件以及十字交叉处呈“口”字形的四根直管肋骨，分别用圆弧接头套管和十字接头套管连通。

如上所述的一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，优选，上、下、左、右四个中空钢管件分别为钢管件A、钢管件B、钢管件C、钢管件D；所述钢管B的钢管内侧外表面底端开设有用于注浆的注浆孔，钢管件D的顶端顶面开设有带阀门的排气孔。

如上所述的一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，优选，整体钢制门框为提前预制成品，整体门框结构稳定，承压力强；所述整体钢质门框镶嵌在所述钢管混凝土墙门洞内；

如上所述的一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，优选，在所述整体钢质门框上边框上方混凝土内设置有一条矿工钢，进一步增强风门墙体的抗压能力。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有如下优异效果：

本实用新型提供的钢管混凝土结构永久防突风门墙体，通过构建四层抗压结构，能够有效控制风门处巷道围岩的变形量，从根本上解决了矿井深部区域以及应力集中区域永久防突风门因变形破坏而频繁返修的问题，大大提高了永久防突风门的使用寿命，降低了风门的构筑成本，提高了矿井抗击煤与瓦斯突出事故灾变发生扩大的能力，保证了矿井的安全生产，有较为显著的经济效益。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。其中：

图1为本实用新型实施例的钢管混凝土支架示意图；

图2为本实用新型实施例的承压环的受力分析图；

图3为本实用新型实施例的承压环受力分析图；

图4为本实用新型实施例的各种材质结构件抗压能力对比图；

图5为本实用新型实施例中的施工方法流程图；

图6为图5中步骤S1的详细流程图；

图7为图5中步骤S2的详细流程图。

图中：1、锚杆；2、钢管；3、架间肋骨；4、接头套管；5、注浆孔；6、排气孔；7、水泥浆；8、门洞；9、矿工钢；10、钢管件A；11、钢管件B；12、钢管件C；13、钢管件D；14、混凝土喷层；15、围岩；16、钢管混凝土支架；17、承压环；18、肋骨A；19、肋骨B；20、肋骨C；21、肋骨D。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

根据本实用新型的具体实施例，如图1和图2所示，一种钢管混凝土结构永久防突风门墙体，其墙体包括第一层抗压结构、第二层抗压结构、第三层抗压结构、第四层抗压结构；

第一层抗压结构位于防突风门墙体的最外围，第一层抗压结构由承压环17形成；承压环17包括锚杆1、混凝土喷层14、注浆加固层和锚索，承压环17外边界形状与巷道断面形状一致，便于形成均匀的承压结构；锚杆1以0.5m×0.5m间距打入防突风门墙体周向外侧的岩体内，锚杆外露长度0.5m，施工锚杆期间需预留安装钢管混凝土支架16的位置；将风门构筑位置的前后5m范围喷涂添加速凝剂的水泥砂浆，形成混凝土喷层14，喷层厚度0.1m，待喷层凝固后，通过中空注浆锚杆向围岩四周注浆加固，注浆压力不低于5MPa；注浆结束凝固后，再向四周施工10m长的锚索，再次提高周边围岩的承压能力，最后安装钢管混凝土支架16，最终形成由“锚杆、混凝土喷层、注浆加固层、锚索”组成的结构坚固的“承压环”；锚杆1提供一对自平衡的法向力从而强化承压环17的承载能力；为便于对围岩15进行注浆，锚杆1选用中空注浆锚杆；注浆加固层使围岩15本身裂隙及围岩间的内摩擦角和粘聚力显著提高，可以大大提高围岩15的承压强度，从而强化承压环17的承载能力；布置在内侧的锚索通过提高自平衡法向力，达到强化承压环17的承载能力的目的；通过承压环17的合理构建，形成防突风门墙体第一层抗压结构。

如图3所示为承压环17受力分析图，如图所示，F2为承压环17所受外部围岩15的压力，通过承压环承受一部分外力，同时将承压环17周向所受的不均匀的外力分解为周向均匀的力传递给钢管混凝土支架16，确保钢管混凝土支架16周向受力均匀，避免了集中应力对钢管混凝土支架16的破坏；F1为钢管混凝土支架16对承压环17施加的支护反力，由图3可见，通过均匀受力，钢管混凝土支架16可以承受的围岩压力大大增强。

钢管混凝土是在钢管外壳内填装混凝土组成的现代构件，这种结构的工作原理是：钢管壳的约束作用使混凝土处于三向受压状态，从而使夹心混凝土具有更高的抗压强度，内填混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力。这种结构的优点是：钢管混凝土构件具有圆柱状外形，是当前最科学、最合理的截面形状，抗弯刚度大，无异向性，不易扭曲变形。

如图4所示是各种材质结构件抗压能力对比图，从图4中可以看出：

U型钢与钢管的抗压强度均为900KN，

混凝土抗压强度为550KN，

有围压的混凝土抗压强度为1200KN，

钢管混凝土的抗压强度为2000KN，

钢管混凝土的抗压强度远高于其他结构型材的抗压强度，因此，本发明选用钢管混凝土结构作为混凝土墙支架。

第二层抗压结构位于第一层抗压结构的内侧，第二层抗压结构由钢管混凝土外围支架以及支架外围混凝土墙形成；钢管混凝土外围支架外围形状与承压环内侧轮廓形状相对应；钢管混凝土外围支架包括中空钢管和钢管内充满的混凝土。

第三层抗压结构位于第二层抗压结构内侧，第三层抗压结构由与钢管混凝土外围支架内侧连通的“井”字形的钢管混凝土肋骨支架和相邻两套钢管混凝土外围支架之间连接的架间肋骨3形成；钢管混凝土外围支架与钢管混凝土肋骨支架、架间肋骨3均连通；钢管混凝土外围支架与钢管混凝土肋骨支架构成一个完整的钢管混凝土支架16。

钢管混凝土支架16对承压环17施加一个法向压力，强化承压环17的承载能力；钢管混凝土墙包括钢管混凝土支架16和支架外围混凝土；通过肋骨支架的安装能够缓解周围钢管混凝土骨架的承载支撑力，转移部分围岩15应力至肋骨支架上，避免造成周边骨架受力集中，安装肋骨支架还可以大幅度提高整体结构的稳定性；为了提高抗压能力，结合巷道实际情况，钢管混凝土外围支架形状采用直墙半圆拱加反底拱的形式；钢管混凝土肋骨支架在十字相交处断开，分别用十字接头套管4连通；为便于运输，钢管混凝土支架16包括上、下、左、右分别为钢管件A10、钢管件B11、钢管件C12、钢管件D13的四个中空钢管件以及十字交叉处呈“口”字形的上、下、左、右四根直管肋骨为肋骨A18、肋骨B19、肋骨C20和肋骨D21，分别用圆弧接头套管4和十字接头套管4密实连通；套管使内部混凝土具有更高的抗压强度，确保钢管与其内部混凝土共同承载围岩15压力；为便于注浆，在钢管B的钢管内侧外表面底端开设有注浆孔5，在钢管件D13的顶端顶面开设有带阀门的排气孔6；

钢管混凝土支架16外围的混凝土可以让压变形，尽管支架不变形，但外围的混凝土可以让压变形，减轻钢管混凝土结构的承载应力。

相邻两套钢管混凝土支架之间连接有架间肋骨3；从结构力学角度分析，通过设置架间肋骨3，实现了各组骨架之间连接紧固，架间肋骨3与外围骨架形成有机统一的整体，提高了整体结构的完整性和稳定性；钢管混凝土肋骨支架和架间肋骨3形成防突风门墙体第三层抗压结构。

第四层抗压结构位于第三层抗压结构的内侧，第四层抗压结构由镶嵌于钢管混凝土墙内侧门洞的整体钢制门框形成；整体钢制门框为提前预制的成品，相比传统的传统的门顶过木和两侧门框，预制的整体钢制门框结构更加稳定，承压力更强；整体钢质门框形成防突风门墙体第四层抗压结构。

其中在整体钢质门框上边框上方混凝土内设置有一条矿工钢9，进一步增强第四层抗压结构的抗压能力。

本实用新型还提供了钢管混凝土结构永久防突风门墙体的施工方法，施工方法包括如下步骤：

S1，构建承压环17；

在预构筑风门位置巷帮掏槽，在预构筑风门位置底部按深度0.5m掏槽；对该段巷道四周按0.5m×0.5m的间距打入锚杆1，从而提供一对自平衡的法向力，进而强化承压环17承载能力，锚杆1外露0.5m，施工锚杆1期间预留安装钢管支架的位置；

将风门构筑位置的前后5m巷道喷涂添加速凝剂的428号水泥砂浆，形成0.1m厚的喷层14。

待喷层14凝固后，通过锚杆1以不低于5MPa的注浆压力向围岩15四周注浆加固，进而提高围岩15强度，从而强化承压环17的承载能力；

待注浆结束浆液凝固后，向四周施工10m长的锚索，进而提高自平衡法向力，从而再次提高周边围岩15的承压能力；

S2，构建钢管混凝土支架16；

组装钢管混凝土支架16，根据情况确定钢管混凝土支架16的组数，用十字接头套管4分别将钢管件A10与肋骨A18、钢管件B11与肋骨B19、钢管件C12与肋骨C20、钢管件D13与肋骨D21连接为四个部分，再用圆弧接头套管4将上述四个部分依次连接，确保连接部位密实，避免出现漏浆的现象，然后将相邻钢管混凝土支架16之间通过架间肋骨3进行连通；其中架间肋骨3与钢管混凝土支架16之间通过焊接连通；其中相邻两个钢管混凝土支架间采用四根架间肋骨3进行连接。

注浆，选用合适的注浆液，用注浆泵由注浆孔5向钢管混凝土支架16和架间肋骨3内注入膨胀混凝土，待顶部排气孔6冒出浆液后关闭阀门，继续启动注浆泵带压注浆，压力达到1MPa后停止注浆；

其中钢管混凝土支架16内带压注入的混凝土水泥采用428号水泥，在混凝土中加入能够使混凝土在硬化过程中产生微量的体积膨胀、避免钢管中出现空隙的膨胀剂；混凝土各成分搭配比例为膨胀剂：水：水泥=1:5:10。

高标号的水泥能够提高硬化后混凝土的强度，钢管混凝土内带压注入的混凝土及浇灌使用的混凝土全部采用428号水泥。

S3，制作模板，浇灌混凝土，形成完整的风门墙体。

在钢管混凝土支架16外围制作模板，预留门洞位置，浇灌混凝土，最后将预制的钢质门框镶嵌进风门门洞位置，形成完整的风门墙体；

其中在预留门洞上边框的上面设置一条矿工钢，进一步增强风门墙体的抗压能力。

综上所述，本实用新型提供的钢管混凝土结构永久防突风门墙体，通过构建四层抗压结构，能够有效控制风门处巷道围岩的变形量，从根本上解决了矿井深部区域以及应力集中区域永久防突风门因变形破坏而频繁返修的问题，大大提高了永久防突风门的使用寿命，降低了风门的构筑成本，提高了矿井抗击煤与瓦斯突出事故灾变发生扩大的能力，保证了矿井的安全生产，有较为显著的经济效益。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。