有關礦井井底煤倉設計技術難點的探討與分析

白 飛

(山西潞安集團蒲縣隰東煤業有限公司，山西 臨汾 041204)

井底煤倉是煤礦生產過程中非常重要的環節，起到對煤流的調節作用，是主運輸能力是否具有彈性的重要保證。而井底煤倉容量的合理確定、技術裝備的選擇以及工程措施的制定，都是保證井底煤倉正常運行的必要條件。本文將針對井底煤倉設計中關鍵的技術難點進行分析和探討，以得出符合目前礦山井底煤倉設計的必要經驗總結。

1 井底煤倉幾何尺寸的確定

1.1 煤倉容量

煤倉容量的大小與礦井生產能力、井筒提升能力、提升設備布置形式及井下運輸方式密切相關。

煤倉容量可參照采礦工程設計手冊[1-2]中相關經驗公式：

Qmc=(0.15～0.25)Amc

(1)

式中：Qmc為井底煤倉有效容量，t；Amc為礦井設計日產量，t；0.15～0.25為系數。

煤倉容量的選取同時應參考《煤礦立井井筒及硐室設計規范》[3-4]中有關要求，如煤倉有效容量應綜合考慮主運輸和提升能力確定，但規范中未給出明確計算公式。根據多年設計經驗以及業主生產要求，井底煤倉應至少保證一個正常生產班的產能需求。目前國內礦井井下工作制度多采用“四六制”，其中三班生產一班檢修，換句話說，保證一個正常生產班的產能需求即相當于保證1/3的礦井日產量。此時應滿足：Qmc≥(0.33)Amc。因此，實際設計時，建議將上述公式前系數調整為0.15～0.33。

1.2 煤倉尺寸

按照采礦工程設計手冊中要求，井底煤倉宜選用圓形立倉，《煤礦立井井筒及硐室設計規范》中也有相同建議，所以此處僅以圓形立倉為例進行說明。

圓形直立煤倉直徑與高之比宜為0.22～0.42，此處設此比值為k，煤倉直徑可按式(2)計算：

(2)

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

根據圍巖條件及層位關系，通過調節k值，選擇合理的煤倉直徑(計算結果參照上述范圍值，一般以0.5 m的進級值進行取整)。煤倉直徑一般以6～9 m為宜，根據工程經驗，大直徑井底煤倉對圍巖要求較高，當圍巖類別為Ⅲ類及以下時，需要較高的臨時支護強度，同時大直徑煤倉荒斷面常在100 m2以上，爆破時斷面成型質量低，對爆破參數選擇也非常高，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，井底煤倉直徑最大參考值為9.0 m，如果超過9 m按插值法估計的立方米單價要比實際工程造價偏低，故大直徑井底煤倉的造價超過9.0 m以上，會因施工難度的增加而大幅提高造價。

2 井底煤倉漏斗設計

2.1 防堵倉工程措施

造成煤倉堵倉的因素很多，如煤質、含水率、煤粒級配、壓實度等煤堆本身內在因素，也有煤倉徑高比、漏斗形式、漏口數量、倉內表面材質及光化程度等煤堆以外的外在因素。除此以外，存煤時間也有一定影響。

目前，面對堵倉現象可采取人工疏通、放炮震動疏通、空氣炮疏通、發射橡膠彈疏通、特種定制旋轉機械疏通等幾類措施。本文重點從工程設計的角度去考慮防堵倉措施。

2.2 曲線漏斗設計

煤倉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，對煤流的擠壓和截流的趨勢也突然增大，因此常形成堵塞。

從該角度出發，可設計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。

圖1 曲線漏斗計算簡圖

曲線煤倉漏斗計算公式如下：

(3)

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

曲線煤倉漏斗容量[7]計算公式如下：

(4)

式中：d0為漏斗下口處直徑(同煤倉直段)，m。

2.3 漏斗下口圓變方設計

煤倉漏斗下口需連接給煤機設備，而給煤機接料口為方形，因此漏斗下口存在截面由圓變方的過程，見圖2。過渡段如果不設置或設置不合理常會形成堆煤死角，進而在該處極容易發生阻塞。因此過渡段的設置是必須的，而根據工程經驗，應采取圓變方式的抹角處理，抹角的傾斜角度應不小于60°。

圖2 漏斗下口圓變方示意

3 螺旋溜槽的設計

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。通常選在煤倉內布置螺旋溜槽。螺旋溜槽同時還可以起到防止煤體擠軋板結而造成煤倉堵塞。

按安裝位置的不同，分為內螺旋溜槽和外螺旋溜槽。內螺旋溜槽對煤流的阻礙作用較大，不利于煤倉放煤。外螺旋溜槽設置與煤倉內壁，又分為凸形和凹形。以倉壁為界，朝向煤倉中心的為凸形，反之為凹形。設計中為便于倉壁施工和溜槽的更換維修，常選擇凸形螺旋溜槽。

3.2 凸形螺旋溜槽的設計

按照采礦工程設計手冊中的設計，螺旋溜槽設計為等距螺旋。及一個平面的圓周運動疊加一個豎直的運輸直線運動。因此形成的是一個圓柱螺旋線。煤流螺旋線運動方程如下：

(5)

式中：R為煤流截面形心到煤倉中心距離，m；ω為煤流角速度，rad/s；λ為螺旋溜槽導距，m；t為時間，s；x、y、z為螺旋溜槽坐標，m。

通過式(5)可知，以上數學模型是以勻速圓周運動為假設前提的，實際煤流的下落在一定速度范圍內是加速運動的，因此煤流存在一個角加速度。因此可對式(5)進行優化，如下：

(6)

式中：α為煤流角加速度(假設為定值)，rad/s2；λ′為螺旋溜槽導距，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為假設的一個常量，m·s。從式(7)可知，若溜槽導距λ′隨著時間的增加而減小，即溜槽的設計應該上疏下密，這樣設計可使得煤塊沿溜槽滑動時，豎直方向速度分量為定值。將豎向的加速運動轉變為水平方向的滾動，既可減少煤塊的豎向沖擊，又有助于減輕煤堆壓實起拱造成的堵倉。

4 倉壁結構設計

4.1 煤倉的支護形式

煤倉的位置，應盡量選擇布置在穩定巖層中，這樣可以減少圍巖對倉壁的擠壓作用。根據圍巖情況，對于常選直徑的煤倉，若圍巖堅硬且較為完整，建議采用錨噴支護。若圍巖軟弱或較為破碎，建議采用鋼筋混凝土結構，不僅受力效果好，且鋼筋混凝土倉壁的止水效果更好，有助于防止煤堆水分太高而造成堵倉。

總體上，錨噴支護具有投資省，施工速度快的優點，但是倉壁的耐久性和止水性較差。鋼筋混凝土支護優缺點恰好與錨噴支護相反。對于一些較大直徑(一般9.0 m及以上)的煤倉，應選擇錨桿和鋼筋混凝土聯合支護形式。

4.2 鋼筋混凝土倉壁受力模型選取

倉壁的受力應按滿載和空載兩種不同受力狀態分別進行計算，選擇最不利工況作為煤倉倉壁受力的荷載組合。其中，滿載時煤倉的計算按外壁與圍巖是否貼合并相互作用分別考慮。當外壁與圍巖留有間隙，不發生力的作用，此時可參照《貯倉結構設計手冊》[8]中深倉(徑高比k≤2/3)的計算模型進行受力計算，當外壁與圍巖緊密貼合發生相互作用，則應考慮除倉內煤體壓力外來自圍巖的壓力。圍壓壓力的計算較為復雜，所處地層的埋深，圍巖的巖性及完整程度都會產生不同的荷載，計算時應結合計算結果和附近井巷工程所能實測的地應力值綜合考慮。空載時煤倉受力狀態、內力及配筋的計算可按照薄壁圓筒理論計算。

5 結 語

井底煤倉作為礦井地下永久工程，斷面大，受力復雜(使用中實際處于一種長周期的活載狀態)，磨損嚴重。因此煤倉是否設計合理，不僅關系礦井的高效作業，也關系到安全生產。隨著科學的進步，有更多的新材料、新工藝、新技術應用到礦建工程，文中提到的一些設計難點和重點考慮因素若有紕漏，望廣大讀者和同行指正，共同完善此類工程的設計理論與方法。