有關(guān)礦井井底煤倉(cāng)設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)的探討與分析

白 飛

(山西潞安集團(tuán)蒲縣隰東煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204)

井底煤倉(cāng)是煤礦生產(chǎn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，起到對(duì)煤流的調(diào)節(jié)作用，是主運(yùn)輸能力是否具有彈性的重要保證。而井底煤倉(cāng)容量的合理確定、技術(shù)裝備的選擇以及工程措施的制定，都是保證井底煤倉(cāng)正常運(yùn)行的必要條件。本文將針對(duì)井底煤倉(cāng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析和探討，以得出符合目前礦山井底煤倉(cāng)設(shè)計(jì)的必要經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 井底煤倉(cāng)幾何尺寸的確定

1.1 煤倉(cāng)容量

煤倉(cāng)容量的大小與礦井生產(chǎn)能力、井筒提升能力、提升設(shè)備布置形式及井下運(yùn)輸方式密切相關(guān)。

煤倉(cāng)容量可參照采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[1-2]中相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式：

Qmc=(0.15～0.25)Amc

(1)

式中：Qmc為井底煤倉(cāng)有效容量，t；Amc為礦井設(shè)計(jì)日產(chǎn)量，t；0.15～0.25為系數(shù)。

煤倉(cāng)容量的選取同時(shí)應(yīng)參考《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》[3-4]中有關(guān)要求，如煤倉(cāng)有效容量應(yīng)綜合考慮主運(yùn)輸和提升能力確定，但規(guī)范中未給出明確計(jì)算公式。根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及業(yè)主生產(chǎn)要求，井底煤倉(cāng)應(yīng)至少保證一個(gè)正常生產(chǎn)班的產(chǎn)能需求。目前國(guó)內(nèi)礦井井下工作制度多采用“四六制”，其中三班生產(chǎn)一班檢修，換句話說，保證一個(gè)正常生產(chǎn)班的產(chǎn)能需求即相當(dāng)于保證1/3的礦井日產(chǎn)量。此時(shí)應(yīng)滿足：Qmc≥(0.33)Amc。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，建議將上述公式前系數(shù)調(diào)整為0.15～0.33。

1.2 煤倉(cāng)尺寸

按照采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)中要求，井底煤倉(cāng)宜選用圓形立倉(cāng)，《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》中也有相同建議，所以此處僅以圓形立倉(cāng)為例進(jìn)行說明。

圓形直立煤倉(cāng)直徑與高之比宜為0.22～0.42，此處設(shè)此比值為k，煤倉(cāng)直徑可按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Vmc為井底煤倉(cāng)有效容量，t；Vml為煤倉(cāng)漏斗容量(注：漏斗容量的計(jì)算參見文中第2部分)，t；k為徑高比，取0.22～0.42。

根據(jù)圍巖條件及層位關(guān)系，通過調(diào)節(jié)k值，選擇合理的煤倉(cāng)直徑(計(jì)算結(jié)果參照上述范圍值，一般以0.5 m的進(jìn)級(jí)值進(jìn)行取整)。煤倉(cāng)直徑一般以6～9 m為宜，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，大直徑井底煤倉(cāng)對(duì)圍巖要求較高，當(dāng)圍巖類別為Ⅲ類及以下時(shí)，需要較高的臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)大直徑煤倉(cāng)荒斷面常在100 m2以上，爆破時(shí)斷面成型質(zhì)量低，對(duì)爆破參數(shù)選擇也非常高，因此不建議選擇12 m以上的直徑。按照最新的煤炭工程定額，井底煤倉(cāng)直徑最大參考值為9.0 m，如果超過9 m按插值法估計(jì)的立方米單價(jià)要比實(shí)際工程造價(jià)偏低，故大直徑井底煤倉(cāng)的造價(jià)超過9.0 m以上，會(huì)因施工難度的增加而大幅提高造價(jià)。

2 井底煤倉(cāng)漏斗設(shè)計(jì)

2.1 防堵倉(cāng)工程措施

造成煤倉(cāng)堵倉(cāng)的因素很多，如煤質(zhì)、含水率、煤粒級(jí)配、壓實(shí)度等煤堆本身內(nèi)在因素，也有煤倉(cāng)徑高比、漏斗形式、漏口數(shù)量、倉(cāng)內(nèi)表面材質(zhì)及光化程度等煤堆以外的外在因素。除此以外，存煤時(shí)間也有一定影響。

目前，面對(duì)堵倉(cāng)現(xiàn)象可采取人工疏通、放炮震動(dòng)疏通、空氣炮疏通、發(fā)射橡膠彈疏通、特種定制旋轉(zhuǎn)機(jī)械疏通等幾類措施。本文重點(diǎn)從工程設(shè)計(jì)的角度去考慮防堵倉(cāng)措施。

2.2 曲線漏斗設(shè)計(jì)

煤倉(cāng)漏斗按縱剖面形式分為直線型(錐形)、曲線型兩大種類，由于不同形式的漏斗橫截面收縮率[5-6]不同，對(duì)于錐形漏斗而言，其斷面收縮率隨漏斗高度的降低迅速增大，對(duì)煤流的擠壓和截流的趨勢(shì)也突然增大，因此常形成堵塞。

從該角度出發(fā)，可設(shè)計(jì)一種橫截面收縮率隨漏斗高度的變化保持定值的曲線型漏斗(見圖1)，可在一定程度上緩解該類型堵倉(cāng)。

圖1 曲線漏斗計(jì)算簡(jiǎn)圖

曲線煤倉(cāng)漏斗計(jì)算公式如下：

(3)

式中：D0為漏斗上口處直徑(同煤倉(cāng)直段)，m；H為距離漏斗上口某一高度處，m；D為高度H處對(duì)應(yīng)的漏斗橫截面直徑，m；α0為漏斗上口處起始角度，一般取50～55°。

曲線煤倉(cāng)漏斗容量[7]計(jì)算公式如下：

(4)

式中：d0為漏斗下口處直徑(同煤倉(cāng)直段)，m。

2.3 漏斗下口圓變方設(shè)計(jì)

煤倉(cāng)漏斗下口需連接給煤機(jī)設(shè)備，而給煤機(jī)接料口為方形，因此漏斗下口存在截面由圓變方的過程，見圖2。過渡段如果不設(shè)置或設(shè)置不合理常會(huì)形成堆煤死角，進(jìn)而在該處極容易發(fā)生阻塞。因此過渡段的設(shè)置是必須的，而根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)采取圓變方式的抹角處理，抹角的傾斜角度應(yīng)不小于60°。

圖2 漏斗下口圓變方示意

3 螺旋溜槽的設(shè)計(jì)

3.1 螺旋溜槽的分類

有的礦井為滿足塊煤的粒徑要求，防止煤塊在入倉(cāng)的過程中撞碎，常需要一些減速裝置來保證需求。通常選在煤倉(cāng)內(nèi)布置螺旋溜槽。螺旋溜槽同時(shí)還可以起到防止煤體擠軋板結(jié)而造成煤倉(cāng)堵塞。

按安裝位置的不同，分為內(nèi)螺旋溜槽和外螺旋溜槽。內(nèi)螺旋溜槽對(duì)煤流的阻礙作用較大，不利于煤倉(cāng)放煤。外螺旋溜槽設(shè)置與煤倉(cāng)內(nèi)壁，又分為凸形和凹形。以倉(cāng)壁為界，朝向煤倉(cāng)中心的為凸形，反之為凹形。設(shè)計(jì)中為便于倉(cāng)壁施工和溜槽的更換維修，常選擇凸形螺旋溜槽。

3.2 凸形螺旋溜槽的設(shè)計(jì)

按照采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)中的設(shè)計(jì)，螺旋溜槽設(shè)計(jì)為等距螺旋。及一個(gè)平面的圓周運(yùn)動(dòng)疊加一個(gè)豎直的運(yùn)輸直線運(yùn)動(dòng)。因此形成的是一個(gè)圓柱螺旋線。煤流螺旋線運(yùn)動(dòng)方程如下：

(5)

式中：R為煤流截面形心到煤倉(cāng)中心距離，m；ω為煤流角速度，rad/s；λ為螺旋溜槽導(dǎo)距，m；t為時(shí)間，s；x、y、z為螺旋溜槽坐標(biāo)，m。

通過式(5)可知，以上數(shù)學(xué)模型是以勻速圓周運(yùn)動(dòng)為假設(shè)前提的，實(shí)際煤流的下落在一定速度范圍內(nèi)是加速運(yùn)動(dòng)的，因此煤流存在一個(gè)角加速度。因此可對(duì)式(5)進(jìn)行優(yōu)化，如下：

(6)

式中：α為煤流角加速度(假設(shè)為定值)，rad/s2；λ′為螺旋溜槽導(dǎo)距，m。

因此，為使得豎直方向速度分量為定值，可令n=λ′t,即得式(7)：

(7)

式中：α為假設(shè)的一個(gè)常量，m·s。從式(7)可知，若溜槽導(dǎo)距λ′隨著時(shí)間的增加而減小，即溜槽的設(shè)計(jì)應(yīng)該上疏下密，這樣設(shè)計(jì)可使得煤塊沿溜槽滑動(dòng)時(shí)，豎直方向速度分量為定值。將豎向的加速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较虻臐L動(dòng)，既可減少煤塊的豎向沖擊，又有助于減輕煤堆壓實(shí)起拱造成的堵倉(cāng)。

4 倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 煤倉(cāng)的支護(hù)形式

煤倉(cāng)的位置，應(yīng)盡量選擇布置在穩(wěn)定巖層中，這樣可以減少圍巖對(duì)倉(cāng)壁的擠壓作用。根據(jù)圍巖情況，對(duì)于常選直徑的煤倉(cāng)，若圍巖堅(jiān)硬且較為完整，建議采用錨噴支護(hù)。若圍巖軟弱或較為破碎，建議采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不僅受力效果好，且鋼筋混凝土倉(cāng)壁的止水效果更好，有助于防止煤堆水分太高而造成堵倉(cāng)。

總體上，錨噴支護(hù)具有投資省，施工速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是倉(cāng)壁的耐久性和止水性較差。鋼筋混凝土支護(hù)優(yōu)缺點(diǎn)恰好與錨噴支護(hù)相反。對(duì)于一些較大直徑(一般9.0 m及以上)的煤倉(cāng)，應(yīng)選擇錨桿和鋼筋混凝土聯(lián)合支護(hù)形式。

4.2 鋼筋混凝土倉(cāng)壁受力模型選取

倉(cāng)壁的受力應(yīng)按滿載和空載兩種不同受力狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算，選擇最不利工況作為煤倉(cāng)倉(cāng)壁受力的荷載組合。其中，滿載時(shí)煤倉(cāng)的計(jì)算按外壁與圍巖是否貼合并相互作用分別考慮。當(dāng)外壁與圍巖留有間隙，不發(fā)生力的作用，此時(shí)可參照《貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[8]中深倉(cāng)(徑高比k≤2/3)的計(jì)算模型進(jìn)行受力計(jì)算，當(dāng)外壁與圍巖緊密貼合發(fā)生相互作用，則應(yīng)考慮除倉(cāng)內(nèi)煤體壓力外來自圍巖的壓力。圍壓壓力的計(jì)算較為復(fù)雜，所處地層的埋深，圍巖的巖性及完整程度都會(huì)產(chǎn)生不同的荷載，計(jì)算時(shí)應(yīng)結(jié)合計(jì)算結(jié)果和附近井巷工程所能實(shí)測(cè)的地應(yīng)力值綜合考慮?？蛰d時(shí)煤倉(cāng)受力狀態(tài)、內(nèi)力及配筋的計(jì)算可按照薄壁圓筒理論計(jì)算。

5 結(jié) 語

井底煤倉(cāng)作為礦井地下永久工程，斷面大，受力復(fù)雜(使用中實(shí)際處于一種長(zhǎng)周期的活載狀態(tài))，磨損嚴(yán)重。因此煤倉(cāng)是否設(shè)計(jì)合理，不僅關(guān)系礦井的高效作業(yè)，也關(guān)系到安全生產(chǎn)。隨著科學(xué)的進(jìn)步，有更多的新材料、新工藝、新技術(shù)應(yīng)用到礦建工程，文中提到的一些設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)考慮因素若有紕漏，望廣大讀者和同行指正，共同完善此類工程的設(shè)計(jì)理論與方法。