煤礦直立煤倉倉底防砸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

屈子明

（開灤勘察設(shè)計有限公司，河北 唐山 063018）

國內(nèi)立井井底煤倉主要有直立煤倉和傾斜煤倉2 種，直立煤倉容量大，受力條件好，施工、維修簡便，適應(yīng)性強，但倉帽及底部斗口施工較復(fù)雜；傾斜煤倉上口施工、安裝簡單，但煤倉容量小，緩沖能力及適應(yīng)性均較差，煤倉的施工、維修較復(fù)雜。較大型礦井特別是圍巖條件較差的礦井多采用直立煤倉。井底直立煤倉普遍采用原形斷面，錨噴支護(hù)或素混凝土支護(hù)，當(dāng)煤倉位于軟巖或煤層中時，采用錨桿和鋼筋混凝土聯(lián)合支護(hù)。

開灤集團(tuán)錢家營礦和范各莊礦主井煤倉落煤高度均較大，倉底常被煤矸砸壞，鋪設(shè)在倉底的鐵板、軌道等剛性防砸體順放煤口支到皮帶上或卡到放煤嘴上，嚴(yán)重影響了整個礦井運輸“咽喉” 的正常和安全運行。本文針對開灤集團(tuán)錢家營礦和范各莊礦井底煤倉倉底防砸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

1 錢家營礦概況

1.1 礦 井

該礦井位于河北省唐山市東南約15 km 處，開平煤田之開平向斜的東南翼，井田大部在唐山市豐南區(qū)境內(nèi)，隸屬于開灤（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司煤業(yè)分公司。井田東北部和北部分別與范各莊井田和呂家坨井田相鄰。采礦登記礦井邊界深部至各煤層的- 1 200 m 底板等高線，淺部為各煤層潛伏露頭線，西部至27 號勘探線，東部邊界為錢范、錢呂礦井邊界，礦井走向長16.9 km，傾斜寬4.7～8.8 km，井田總面積88.320 1 km2。開拓方式為立井多水平階段石門開拓方式，礦井通風(fēng)方式為兩翼對角式，通風(fēng)方法為機械抽出式。煤層間開采順序為自上而下，采區(qū)內(nèi)同一煤層開采順序為自上而下；各煤層采煤工作面均采用走向長壁一次采全高綜合機械化采煤工藝；采煤工作面頂板管理為自然垮落法。5煤層為突出危險性煤層，礦井三水平及以淺7 煤、8 煤、9 煤和12 煤無突出危險性，為非突出煤層。

1.2 煤炭運輸方式

錢家營礦煤炭運輸全部為膠帶輸送機運輸，膠帶輸送機分兩翼布置，即- 450 水平東翼2003、2103、2203、2303 皮帶以及采區(qū)皮帶；- 600 水平西翼上一、上二、平運一部、二部、三部皮帶以及采區(qū)皮帶。東、西翼皮帶均將煤運至主井煤倉，之后再由箕斗將煤炭運輸至地面。

2 煤倉倉底結(jié)構(gòu)

2.1 現(xiàn) 狀

開灤集團(tuán)各個礦井主要煤倉的倉底多為剛性材料防砸大斜面結(jié)構(gòu)。其底面、側(cè)壁、斜面均為鋼筋混凝土或鋼筋鋼砂混凝土澆筑成形，斜面上安設(shè)軌道或鋼板護(hù)面。為防止煤泥堵塞煤倉底部漏斗，在礦井檢修班前井底煤倉多數(shù)情況下需放空，再次向煤倉內(nèi)落煤時，下落的煤矸直接沖擊砸射到該斜面上。

以錢家營礦煤倉為例，原錢家營礦主井煤倉的倉底為大斜面剛防砸結(jié)構(gòu)，采用礦用12 號工字鋼、47 kg/m 軌道及鋼砂混凝土聯(lián)合鋪底。斜面傾角為60°，斜長5.9 m，寬5.96 m，整體面積24.6 m2。煤倉整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 煤倉整體結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Overall structure of coal bunker

2.2 大斜面防砸結(jié)構(gòu)分析

以錢家營礦主井煤倉為例，其落煤高度為62.7 m，按自由落體速度計算，下落的煤矸會以24.5 m/s （88.2 km/h） 的速度直接沖擊倉底。剛性防砸斜面的倉底，斜面反彈力作用時間較短。

根據(jù)沖量守恒定理M·△V=F·T 可知，反彈力作用時間越短，煤矸對斜面的沖擊力越大。按斜面反彈作用力碰撞時間0.1 s，瞬時下落煤矸體最大質(zhì)量為100 kg，煤矸與斜面接觸面積為0.04 m2。沖擊力F=100×24.5/0.1/0.04=612.5 kN/m2。在巨大的沖擊下，煤倉防砸斜面剛性體由于煤矸長期直接沖擊，導(dǎo)致倉底防砸結(jié)構(gòu)變形乃至脫落。根據(jù)兩礦長期觀測統(tǒng)計，剛性防砸斜面平均每2 個月加固維護(hù)1 次，每次均采用更換變形的工字鋼、軌道，然后再焊接或螺栓加固配合澆筑混凝土的方式，1 次維護(hù)時間為4 d。每次倉底被砸壞均影響礦井正常生產(chǎn)時間，并且需要員工進(jìn)入煤倉中作業(yè)，安全系數(shù)較低。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在原倉底防砸斜面的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改造，即將防砸斜面上部分去掉，改為一層平臺結(jié)構(gòu)，下部小斜面依舊按原結(jié)構(gòu)設(shè)置。調(diào)整煤倉底部落煤點位置，使煤倉內(nèi)最下部落煤點位于平臺結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，避免掉落的煤矸對井壁和井底斜面直接沖擊。優(yōu)化后的倉底結(jié)構(gòu)在投入使用后，初始掉落的煤矸會堆存在該平臺上，形成一柔性斜面。煤倉放空后，由于煤矸自然堆積，該柔性斜面仍然保留在平臺結(jié)構(gòu)上部，再次落煤時，煤矸直接沖擊柔性斜面，起到保護(hù)平臺結(jié)構(gòu)的作用。倉底優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后倉底結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Warehouse floor structure after optimization

3.2 與原方案對比分析

優(yōu)化后倉底小斜面免于受到煤矸的直接沖擊，只需存煤27 m3。從受砸斜面面積來看，大斜面?zhèn)}底受砸面積為24.6 m2，優(yōu)化后煤倉下口小斜面受砸面積僅6.2 m2，優(yōu)化后下口小斜面的受砸概率只有大斜面的25.2%。

優(yōu)化后主要受砸斜面為煤自然堆積的柔性面，柔性面相比剛性面會增加煤體與接觸面的作用時間。作用時間增加，煤體對斜面的沖擊力則相對減小。煤體落下時沖擊速度為V1，砸到斜面后末速度V2=0，與柔性面作用時間，按與剛性面作用時間的4 倍計算， 沖擊力F 柔=1/4F 剛=153.125 kN/m2。原方案與優(yōu)化后方案優(yōu)缺點比較見表1。

表1 方案比較Table 1 Comparison of plans

通過與傳統(tǒng)倉底防砸結(jié)構(gòu)的對比分析，該項目直接降低了落煤沖擊力，減少甚至免于對倉底的維護(hù)，還能增加煤倉的有效容積。新方案結(jié)構(gòu)更為簡單，建造更為方便，安全性更高。

4 結(jié) 論

（1） 對在用煤倉的大斜面?zhèn)}底，可不必進(jìn)行小斜面?zhèn)}底改造，也不必保留煤倉煤量，仍可照常使用，但要經(jīng)常觀察倉底鐵板的變化情況，若有鋼軌翹動、鋼筋露出，立即割除，防止封堵倉口，直至全部清除，待倉底形成小斜面形狀時，再給予必要的加固。

（2） 充分利用煤炭自然堆積形成的坡面，將煤倉倉底的剛性防砸斜面改為了柔性防砸斜面，簡化了煤倉倉底的設(shè)計結(jié)構(gòu)，便于施工，防止了煤倉底部結(jié)構(gòu)被砸壞。該設(shè)計已應(yīng)用在錢家營礦和范各莊礦煤倉，應(yīng)用效果好，可在今后的煤倉設(shè)計和煤倉改造工程中推行。