煤礦直立煤倉倉底防砸結構優化

屈子明

（開灤勘察設計有限公司，河北 唐山 063018）

國內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，適應性強，但倉帽及底部斗口施工較復雜；傾斜煤倉上口施工、安裝簡單，但煤倉容量小，緩沖能力及適應性均較差，煤倉的施工、維修較復雜。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，錨噴支護或素混凝土支護，當煤倉位于軟巖或煤層中時，采用錨桿和鋼筋混凝土聯合支護。

開灤集團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。本文針對開灤集團錢家營礦和范各莊礦井底煤倉倉底防砸結構進行改造。

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境內，隸屬于開灤（集團） 有限責任公司煤業分公司。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，礦井通風方式為兩翼對角式，通風方法為機械抽出式。煤層間開采順序為自上而下，采區內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 煤倉倉底結構

2.1 現 狀

開灤集團各個礦井主要煤倉的倉底多為剛性材料防砸大斜面結構。其底面、側壁、斜面均為鋼筋混凝土或鋼筋鋼砂混凝土澆筑成形，斜面上安設軌道或鋼板護面。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情況下需放空，再次向煤倉內落煤時，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構，采用礦用12 號工字鋼、47 kg/m 軌道及鋼砂混凝土聯合鋪底。斜面傾角為60°，斜長5.9 m，寬5.96 m，整體面積24.6 m2。煤倉整體結構如圖1 所示。

圖1 煤倉整體結構示意Fig. 1 Overall structure of coal bunker

2.2 大斜面防砸結構分析

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，導致倉底防砸結構變形乃至脫落。根據兩礦長期觀測統計，剛性防砸斜面平均每2 個月加固維護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 次維護時間為4 d。每次倉底被砸壞均影響礦井正常生產時間，并且需要員工進入煤倉中作業，安全系數較低。

3 結構優化方案

3.1 結構設計

在原倉底防砸斜面的基礎上進行優化改造，即將防砸斜面上部分去掉，改為一層平臺結構，下部小斜面依舊按原結構設置。調整煤倉底部落煤點位置，使煤倉內最下部落煤點位于平臺結構范圍內，避免掉落的煤矸對井壁和井底斜面直接沖擊。優化后的倉底結構在投入使用后，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構上部，再次落煤時，煤矸直接沖擊柔性斜面，起到保護平臺結構的作用。倉底優化后結構如圖2所示。

圖2 優化后倉底結構示意Fig. 2 Warehouse floor structure after optimization

3.2 與原方案對比分析

優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，大斜面倉底受砸面積為24.6 m2，優化后煤倉下口小斜面受砸面積僅6.2 m2，優化后下口小斜面的受砸概率只有大斜面的25.2%。

優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。原方案與優化后方案優缺點比較見表1。

表1 方案比較Table 1 Comparison of plans

通過與傳統倉底防砸結構的對比分析，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，還能增加煤倉的有效容積。新方案結構更為簡單，建造更為方便，安全性更高。

4 結 論

（1） 對在用煤倉的大斜面倉底，可不必進行小斜面倉底改造，也不必保留煤倉煤量，仍可照常使用，但要經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計結構，便于施工，防止了煤倉底部結構被砸壞。該設計已應用在錢家營礦和范各莊礦煤倉，應用效果好，可在今后的煤倉設計和煤倉改造工程中推行。