唐德玉

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

井下煤倉是煤礦井下用于煤炭儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)運(yùn)輸環(huán)節(jié)矛盾的重要結(jié)構(gòu)物，處于煤礦連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵線路上，一旦破壞、堵塞，勢(shì)必影響礦井生產(chǎn)的連續(xù)性。多年來，圍繞煤倉破壞機(jī)理、倉底結(jié)構(gòu)、修復(fù)方案，相關(guān)專家和單位不斷地研究，對(duì)這些問題的解決方案雖日漸完善，但還未充分地體現(xiàn)到施工圖設(shè)計(jì)中。在主持過各種煤倉修復(fù)，又經(jīng)過多個(gè)煤倉設(shè)計(jì)后，筆者認(rèn)為，與主要受到摩擦破壞的粉末倉不同，煤倉的破壞主要是因?yàn)槊毫鲗?duì)煤倉的沖擊破壞[1]，即空倉和煤巖塊沖擊，是導(dǎo)致煤倉下口破壞的主要原因，同時(shí)對(duì)下口斜面上空氣炮出氣口的破壞也不可避免[2-6]。因此，在煤倉施工圖設(shè)計(jì)階段需要解決以下問題：一是尋求延長煤倉使用周期，在煤倉斜面受到破壞后，還能維持煤倉繼續(xù)使用，不影響煤礦連續(xù)生產(chǎn)；二是避免空氣炮出氣口的破壞，保持空氣炮長期有效等。近年來，筆者在煤倉設(shè)計(jì)中，在煤倉下口布置方式、倉底結(jié)構(gòu)、空氣炮設(shè)置位置及保護(hù)方式等方面，改進(jìn)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，延長了煤倉使用壽命，避免了安全威脅[7-15]。

1 煤倉下口布置方式的改進(jìn)

1.1 傳統(tǒng)布置方式

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)煤倉下口部分錐臺(tái)體暴露于裝載硐室中，倉底結(jié)構(gòu)一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面一般鋪設(shè)鋼軌、鋼板、鑄鐵塊、砌輝綠巖鑄石板、石英混凝土或鐵屑混凝土。在形式上還有錐臺(tái)式、雙曲線煤倉漏斗等，如圖1(a)所示。在空倉情況下，嵌入混凝土中的鋼軌易受沖擊而松動(dòng)脫落或沖擊磨蝕；鋼板經(jīng)磨蝕、沖擊后卷曲；鐵屑混凝土在沖擊作用下，易發(fā)生破裂、脫落。雙曲線漏斗雖可解決堵倉問題，但破壞后更難修理。現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際破壞情況是：下部收口部分被煤流擊穿后，即使使用木板從外部封堵，但仍有煤從縫隙中沖出，對(duì)裝載硐室中的設(shè)備和操作人員造成安全隱患；雖然在節(jié)日檢修期間使用槽鋼鑲嵌鋼軌的辦法進(jìn)行修復(fù)，但仍易被重復(fù)破壞。

1.2 改進(jìn)后布置方式

現(xiàn)場(chǎng)煤倉修復(fù)時(shí)，觀察煤倉收口的破壞部位，與煤流方向、煤流拋物線沖擊位置基本一致，即煤倉下口往往是空倉時(shí)受沖擊破壞，且破壞部位集中，形狀為小范圍的凹形，在倉壁擊穿前，不影響煤倉正常使用，可維持煤礦的連續(xù)生產(chǎn)，在煤礦節(jié)假日集中停產(chǎn)檢修期間，利用較短的時(shí)間集中力量進(jìn)行簡單修復(fù)。但若擊穿，修復(fù)過程復(fù)雜，在幾天內(nèi)很難徹底修復(fù)。

為解決擊穿問題，設(shè)計(jì)改進(jìn)了煤倉下口，如圖1(b)所示，煤倉下口均位于裝載硐室頂板之上，即使倉壁擊穿后，仍有充填混凝土作為硐室的保護(hù)，使煤流不會(huì)沖入裝載硐室，不會(huì)影響人員和設(shè)備安全，利于從容安排維修時(shí)間，避免礦井意外停產(chǎn)檢修。

2 煤倉倉口保護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

改進(jìn)前，處于裝載硐室內(nèi)的煤倉下口，其支護(hù)結(jié)構(gòu)與硐室上方部分相同，普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和內(nèi)表面的保護(hù)材料，防沖擊性能均較弱，在保護(hù)材料被沖擊剝離后，鋼筋混凝土受沖擊極易破壞。因此，即使在對(duì)煤倉下口的布置形式做了改進(jìn)，仍應(yīng)加強(qiáng)倉口的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)防沖擊性能，設(shè)計(jì)中采取了以下改進(jìn)措施。

2.1 收口段布置工字鋼框架

如上所述，即使煤倉下口內(nèi)部倉壁局部受沖擊破壞，只要倉壁不被穿透，煤流便不會(huì)沖出煤倉，避免影響到裝載硐室內(nèi)人員和設(shè)備安全，可繼續(xù)使用煤倉至節(jié)假日等例行檢修時(shí)間。為此，對(duì)暴露于裝載硐室的煤倉下口及其以上部分，使用能抗強(qiáng)沖擊的工字鋼框架進(jìn)行保護(hù)，如圖2所示。鋼梁框架結(jié)構(gòu)能延長煤倉使用壽命，硐室頂板起到煤倉倉壁破壞后的二次保護(hù)作用，保證了裝載硐室內(nèi)人員設(shè)備的安全。

設(shè)計(jì)鋼梁框架結(jié)構(gòu)一般采用32號(hào)工字鋼，螺栓連接。托梁布置應(yīng)易加工安裝，由煤倉下口標(biāo)高開始，沿硐室頂部穿橫梁，兩邊深入至硐室墻體內(nèi)；沿硐室方向的包圍倉口的梁用螺栓夾板固定于橫梁上。沿下口斜面向上可多層布置，形成倒臺(tái)形鋼梁框架結(jié)構(gòu)。而后綁筋澆注混凝土形成煤倉下口圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

其優(yōu)點(diǎn)是：①工字鋼框架整體性好，能夠整體受力；②工字鋼的抗煤流沖擊性較鋼筋混凝土強(qiáng)；③鋼梁框架與鋼筋混凝土為一整體，彌補(bǔ)了內(nèi)表面鑲嵌材料易被剝離的缺點(diǎn)；④超挖部分充填的混凝土，也比原巖體的抗沖擊性好。

2.2 加大裝載硐室頂板的支護(hù)厚度

為進(jìn)一步加強(qiáng)裝載硐室安全性，增加裝載硐室頂部支護(hù)厚度，一般為墻部支護(hù)厚度2倍，防止倉口結(jié)構(gòu)局部破壞后，造成硐室頂部破壞。

當(dāng)硐室斷面較大時(shí)，可在裝載硐室頂部穿工字鋼梁加強(qiáng)支護(hù)。一般情況下，采用與收口工字鋼框架相同型號(hào)的工字鋼，以便于備料加工。

2.3 與裝載硐室及設(shè)備的關(guān)系

煤倉下口結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，降低了裝載硐室的高度，硐室內(nèi)倉口周邊原能通過行人的通道、安裝空氣炮等設(shè)備的空間及檢修空間被封閉，使得工作空間變得狹窄，需要對(duì)原有的設(shè)備布置和人行通道作出合理安排。在設(shè)計(jì)中，采取了將空氣炮移位的措施，其它設(shè)備盡量不與煤倉下口發(fā)生連接關(guān)系。如果裝載硐室內(nèi)設(shè)備高度過低，需由其它專業(yè)配合對(duì)裝載設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)改造，保證硐室有足夠的檢修空間。

3 空氣炮的布置和保護(hù)

3.1 空氣炮的布置位置

煤倉內(nèi)的煤炭受重力影響向倉口運(yùn)動(dòng)，煤塊之間的摩擦力和煤塊與倉壁之間的摩擦力阻礙其向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)后者大于前者時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤塊的粘結(jié)、起拱，造成煤倉堵塞，影響煤礦連續(xù)生產(chǎn)。研究和經(jīng)驗(yàn)表明，結(jié)拱部位一般在煤倉下口上方約2m的地方[2]，這一部位位于垂直倉壁與錐形料斗結(jié)合部以下[3]，即位于變斷面下方，空氣炮大多布置在這個(gè)范圍內(nèi)。資料表明，空氣炮的爆破當(dāng)量為900J/L時(shí)，每個(gè)噴嘴的作用范圍大約為R=1～1.5m的球形[3]。

筆者觀察發(fā)現(xiàn)：在處理煤倉破壞、矸石倉堵塞等事故時(shí)，在直徑稍大的煤倉、矸石倉變斷面處，普遍存在三角區(qū)煤矸粘結(jié)問題，有的向內(nèi)擴(kuò)展較大，造成過流截面收窄，并極易在此范圍造成堵塞，有時(shí)由于大塊或長大材料流入煤倉，也會(huì)導(dǎo)致煤倉堵塞，這些堵塞部位更顯著高于上述部位。以往，空氣炮布置位置往往靠下，對(duì)結(jié)拱位置較高的堵塞不能發(fā)揮作用。同時(shí)，空氣炮出氣口在設(shè)計(jì)時(shí)即為扁形，僅用槽鋼或角鋼保護(hù)，修復(fù)煤倉時(shí)已經(jīng)觀察不到保護(hù)物，被煤矸沖擊的出氣口，有的幾近閉合，此種布置造成出氣口出氣量小，或者出不了氣，無法起到?jīng)_擊破拱作用。

現(xiàn)場(chǎng)觀察還發(fā)現(xiàn)，煤倉下口斜面的四條交面線處，是煤粉、矸石粉容易粘結(jié)在倉壁上的區(qū)域，堵塞體往往由此向中間發(fā)展，故將空氣炮出口設(shè)置在此位置，在日?？諅}時(shí)，經(jīng)常啟動(dòng)空氣炮消除這些粘結(jié)物，便可以擴(kuò)大過流截面避免堵倉。

因此，在煤倉設(shè)計(jì)時(shí)，將空氣炮出口設(shè)置在變斷面處或變斷面上方，如圖3所示，一方面使之位于可能的起拱體內(nèi)部，使能量不至于無效散失，另一方面空氣炮避開斜面防止出氣口被砸壞，同時(shí)也能避免出氣口被煤粉堵塞。

圖3 空氣炮布置位置

3.2 空氣炮出氣口的保護(hù)

即使改進(jìn)了出氣口的位置，由布置在易遭沖擊的斜面處移至直立部分，但為了避免砸壞、堵塞，在其上方仍應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)，如圖4所示。

圖4 空氣炮管口保護(hù)(mm)

空氣炮出氣口盡量靠近斜立交面線，常規(guī)將出氣口布置在斜面上時(shí)，其出氣方向與水平線的夾角一般為15°[3]，改進(jìn)后將出氣口布置在立面，這一角度能達(dá)到30°甚至更大，有利于壓縮空氣向下沖擊，加大噴射氣流的垂直動(dòng)量分量，使起拱部位的煤塊更易受沖擊向下部自由面處松動(dòng)。

為保護(hù)出氣口不被砸壞、堵塞，改傳統(tǒng)角鋼(或槽鋼)為工字鋼32C保護(hù)空氣炮出氣口。工字鋼抗沖擊性、抗摩擦性更好，深埋后也不易受沖擊脫落，能夠在很長時(shí)間內(nèi)起到保護(hù)作用。

4 應(yīng)用實(shí)例

自2009年前后，在煤倉設(shè)計(jì)中，由加固煤流沖擊方向倉底結(jié)構(gòu)，逐步向形成框架結(jié)構(gòu)改進(jìn)；由煤倉下口暴露于裝載硐室中，逐步向裝載硐室頂部轉(zhuǎn)移。對(duì)空氣炮布置方式、出口位置、出口保護(hù)方式等，逐步進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)主要過程如圖5所示。

圖5 煤倉下口改進(jìn)過程(mm)

據(jù)了解，象山礦井井底煤倉2010年投運(yùn)以來通過煤量2600萬t，黃玉川礦井井底煤倉2013年投運(yùn)以來通過煤量1500萬t，塔然高勒井底煤倉2014年投運(yùn)以來通過煤矸8萬t，其煤倉下口內(nèi)部均未修理過，只在例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有局部鋼筋裸露現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

煤倉是井下煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)間的緩沖器，其工程安全和正常運(yùn)行，決定著礦井生產(chǎn)的連續(xù)性，煤倉下口的結(jié)構(gòu)安全又是煤倉安全的關(guān)鍵。將煤倉下口提升到裝載硐室以上，能夠避免其損壞后危及裝載硐室內(nèi)人員和設(shè)備的安全；空氣炮是處理煤倉下口堵倉的通用措施，將空氣炮孔口置于煤倉立面并用工字鋼保護(hù)，使出氣口能始終保持有效狀態(tài)，能夠有效發(fā)揮空氣炮作用。從設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)煤倉下口的結(jié)構(gòu)安全，保證空氣炮長期有效，才能為煤倉高效使用鑄牢本質(zhì)安全的基礎(chǔ)，從而保證礦井連續(xù)生產(chǎn)。