采區(qū)煤倉穿越交叉巷道延伸改造設(shè)計及工程實踐

劉 成，劉 葉，鄧東杰，張曉亮

(1.山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司，山西 晉中 030600；2.太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

采區(qū)煤倉在采區(qū)煤炭生產(chǎn)時起到中轉(zhuǎn)運輸功能和臨時存儲功能[1，2]，對整個礦井煤炭運輸系統(tǒng)起到緩沖作用，盡量避免因主運輸系統(tǒng)故障而影響采區(qū)正常的煤炭生產(chǎn)工作。隨著采區(qū)延伸或生產(chǎn)能力的增加，現(xiàn)有采區(qū)煤倉常常不能滿足正常的生產(chǎn)需要，因此需對現(xiàn)有的煤倉進(jìn)行改造[3，4]。國內(nèi)采區(qū)煤倉的改造多以對煤倉擴修為主，且改造或初次施工時通常不會穿越巷道或硐室，山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司對上組煤二采區(qū)原有采區(qū)煤倉進(jìn)行穿越交叉巷道向上延伸改造工程，既保障了煤倉的穩(wěn)定又滿足了安全高效生產(chǎn)的要求。

1 工程概況

城峰公司為整合礦井，上組煤二采區(qū)采區(qū)煤倉為整合前小煤窯施工的小煤倉，存在煤倉容量小，運煤路線復(fù)雜等問題。隨著上組煤二采區(qū)延伸和礦井產(chǎn)能的增大，原先的煤倉將制約二采區(qū)正常的生產(chǎn)施工，因此須進(jìn)行改造。

原二采區(qū)煤倉上口位于二采區(qū)運輸巷和010201運輸巷交叉處，二采區(qū)煤倉上方18m為二采區(qū)運輸上山(巷道內(nèi)鋪設(shè)帶式輸送機用于二采區(qū)煤炭運輸)，巷道布置情況如圖1所示，圍巖以砂質(zhì)泥巖和砂巖為主，為減少煤炭運輸環(huán)節(jié)，計劃向上延伸二采區(qū)煤倉至二采區(qū)運輸上山，使得二采區(qū)的煤炭通過二采區(qū)運輸上山直接進(jìn)入二采區(qū)煤倉?？紤]到010201運輸巷和二采區(qū)運輸巷目前都有煤炭運輸任務(wù)，因此要求煤倉延伸改造工期不能太長，且須在新煤倉上預(yù)留兩個進(jìn)煤口，待010201運輸巷和二采區(qū)運輸巷密閉后封閉進(jìn)煤口。

圖1 巷道布置情況

2 煤倉改造設(shè)計

2.1 煤倉延伸段支護(hù)設(shè)計

原二采區(qū)煤倉上口直徑為3m，混凝土支護(hù)，因需在短時間內(nèi)完成延伸工程，因此對原采區(qū)煤倉上口尺寸、煤倉支護(hù)等原有結(jié)構(gòu)不進(jìn)行改造。在原有煤倉的基礎(chǔ)上向上進(jìn)行煤倉延伸，以起到增加煤倉容量和連接二采區(qū)運輸上山的目的。煤倉向上延伸段總長度18.6m，分為5段：上口部分(A)、上部過渡段(B)、中間倉體(C)、下部過渡段(D)、連接段(F)，煤倉支護(hù)方案如圖2所示。為使煤倉向上延伸段容量較大，上口直徑2m，中間倉體直徑4m，連接段尺寸與原二采區(qū)煤倉上口直徑保持3m不變[5]，煤倉支護(hù)情況見表1。延伸段上口部位將長期受煤炭的沖擊，因此采用澆筑混凝土支護(hù)，而倉體和上下過渡段為保證安全快速施工采用錨網(wǎng)噴支護(hù)[6-8，12-14]。

圖2 煤倉支護(hù)方案(mm)

表1 煤倉支護(hù)情況表

錨網(wǎng)參數(shù)：錨桿為長度2000mm的左旋螺紋鋼錨桿，直徑18mm，錨桿間排距700mm×700mm，錨固長度950mm，使用1卷K2335和1卷Z2360樹脂藥卷錨固；錨固力不低于80kN，螺母扭矩不低于120N·m。錨索長度4200mm，直徑17.8mm，間排距1500mm×1500mm，錨固長度1550mm，使用1卷K2335和2卷Z2360樹脂藥卷錨固，錨索張拉預(yù)緊力不低于120 kN，錨索托板規(guī)格為250mm×250mm×10mm鋼板，錨索托板下方增加一個錨桿托盤。

噴射混凝土參數(shù)：厚度200mm，混凝土強度等級為C20；鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，型號為6#鋼筋[10]，長寬為1000mm×2000mm，噴射混凝土施工后鋼筋網(wǎng)不得外露，且鋼筋保護(hù)層厚度不小于20mm，鋼筋網(wǎng)搭接不少于100mm，采用16#鐵絲綁扎，綁扎間距為200mm。

2.2 關(guān)鍵位置連接

為使二采區(qū)運輸上山傳遞下來的煤炭堆積于原二采區(qū)煤倉的上口不破壞煤倉完整性，煤倉延伸段與原二采區(qū)煤倉的連接段設(shè)置鋼筋混凝土側(cè)壁，并于側(cè)壁下部設(shè)置鋼筋混凝土基礎(chǔ)。普通煤倉倉壁四周都為實體煤巖體，儲存的煤炭產(chǎn)生的荷載對倉壁的水平壓力直接通過錨索或錨桿傳遞給煤巖體，保證倉壁能夠安全工作；但本倉連接段須穿過010201運輸巷和二采區(qū)運輸巷交叉點處，煤倉此時存在自由塊段，無煤巖體支撐[9]，需通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保證該連接段倉壁的安全性。

圖3 計算簡圖

采用SCCT軟件對煤倉連接段進(jìn)行計算，利用單向板地下室外墻模塊進(jìn)行簡化計算，軟件中的外墻參數(shù)均采用連接段煤倉的參數(shù)，土體(巖體)相關(guān)參數(shù)用煤炭相關(guān)參數(shù)進(jìn)行代替。連接段(F)倉壁的上端與(D)煤倉的倉壁連接，并且鋼筋與倉壁的鋼筋網(wǎng)綁扎，取單位寬度的連接段倉壁進(jìn)行計算，倉壁可看作底端固接，頂端鉸接的混凝土梁(單位寬度)。原煤的粒徑一般為5～50mm，內(nèi)摩擦角α取39.5°，煤對倉壁的水平壓力屬于主動壓力，安全考慮，按靜止巖石壓力計算。側(cè)壓力系數(shù)K按式(1)計算，倉壁頂端以上煤炭的最大堆載高度為h1為13.378m，倉壁頂端的水平壓力F1按式(2)計算，倉壁底端煤炭的水平壓力為F2按式(3)計算，計算簡圖如圖3所示，基本組合彎矩如圖4所示，計算結(jié)果見表2，其中混凝土強度等級為C30。

圖4 基本組合彎矩圖(kN·m)

(1)

F1=Kγh1

(2)

F2=Kγ(h1+h2)

(3)

式中，γ為煤的容重，取15kN/m3；將各參數(shù)代入式(1)—(3)，計算得：F1=73.0kPa；F2=101.41kPa。

表2 計算結(jié)果

鑒于該煤倉的使用年限不超過17.58a(礦井服務(wù)年限)，且無地下水，同時煤炭對滲透水分含量的要求不高，連接段煤倉倉壁的裂縫寬度按不超過0.3mm控制，可以滿足使用要求。

因010201運輸巷和二采區(qū)運輸巷底板均為巖石，連接段的倉壁坐落其上，可認(rèn)為在上部煤炭水平壓力的作用下，倉壁基礎(chǔ)不存在地基承載力不足的情況，即地基承載力很高。為滿足基礎(chǔ)對倉壁的固接邊界條件，取基礎(chǔ)厚度不小于600mm，同時條形基礎(chǔ)的上坡度不宜大于1∶3，取基礎(chǔ)長度為1m，根據(jù)最小配筋率進(jìn)行配筋可滿足使用要求。

圖5 煤倉連接段配筋圖(mm)

連接段倉壁的設(shè)計結(jié)果如圖5所示；倉壁開洞作為進(jìn)煤口，尺寸為1m×1m；為便于施工，洞口周邊采用加強筋的方式進(jìn)行加強支護(hù)[11]，配筋方式如圖6所示。

圖6 進(jìn)煤口配筋圖(mm)

3 工程實踐

3.1 施工前準(zhǔn)備

煤倉延伸前為避免煤倉施工對其穿越的交叉巷道產(chǎn)生影響，因此將010201運輸巷和二采區(qū)運輸巷在煤倉外10m范圍使用U型鋼(25U)棚架加強支護(hù)。

煤倉延伸工程首先使用反井鉆機施工一個直徑1.4m的反井作為溜矸通道[15]，使得煤倉擴大期間的矸石能直接進(jìn)入到原二采區(qū)煤倉中，以解決施工期間矸石運輸問題。煤倉倉體施工前在其上方安裝絞車、吊桶等設(shè)備作為擴大反井的工器具、材料的起吊裝置。延伸段上口安裝柵欄和封口盤，延伸段下口安裝護(hù)欄，防止施工期間人員通過受傷。

3.2 施工方法

從上向下的順序進(jìn)行煤倉刷大，按照設(shè)計的煤倉直徑使用鉆爆法結(jié)合風(fēng)鎬開挖的方式進(jìn)行刷大施工，產(chǎn)生的矸石通過反井進(jìn)入原二采區(qū)煤倉運至地面。煤倉倉體主要采用“錨桿+錨索+雙層金屬網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù)，當(dāng)循環(huán)進(jìn)度達(dá)到1.4m后立即施工錨桿，并及時施工錨索并進(jìn)行噴射混凝土。連接段的施工為保證斷面足夠應(yīng)先施工“錨桿+錨索”，然后對連接段進(jìn)行整體澆筑。澆筑的混凝土不得出現(xiàn)蜂窩麻面等現(xiàn)象，且須進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，預(yù)留出煤口的位置可以微調(diào)，但其寬和高嚴(yán)禁大于1m。

4 結(jié) 論

改造工程共用時約45d，改造后的煤倉經(jīng)過近半年的運行，獲得了理想的效果，滿足了二采區(qū)生產(chǎn)的需要，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1)通過利用SCCT軟件進(jìn)行的配筋計算能夠獲得鋼筋混凝土穿過交叉巷道的參數(shù)，能夠使煤倉延伸時安全通過交叉巷道影響區(qū)域。

2)改造采區(qū)煤倉時向上延伸煤倉不僅能增加煤倉容量也能優(yōu)化煤炭運輸系統(tǒng)，是快速改造煤倉的一種有效的方法。