煤礦井底煤倉裝卸煤過程中的微振特性研究

劉明銀 溫兆翠

【摘 要】 井底煤倉為煤礦生產系統中的咽喉工程，其破壞及穩定性影響礦井的正常安全生產。由于井底煤倉的工作過程實際上為上部煤流對倉內已成煤堆的沖擊作用，放煤過程為倉內散體下部放空后，是上部處于某一承載結構上的散體顆粒的突然運動造成的。在裝煤及卸煤的全過程中均使得井底煤倉及倉內散體具有微震特性。該振動對井底煤倉具有一定影響。論文結合具體礦井的井底煤倉下口內部結構，分析了卸料過程中微振動的原因，給出振動方程及加速度;給出了散體顆粒內部應力應變曲線分布特征;分析了循環荷載側壓力與時間的關系，振動頻率對井底煤倉的影響，為現場過程實際及井底煤倉的基礎研究提供依據。

【關鍵詞】 井底煤倉;微振特性;應力分布;振頻

【中圖分類號】 TD352 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）05-0017-03

隨著我國煤炭資源開采向深部發展，立井開拓應用于深井越來越多，當井底煤倉既要考慮倉壁又要考慮倉內煤炭顆粒作用的情況下，其力學行為將更復雜。為深部開采中研究井底煤倉穩定性起到補充作用，對前期的工程設計和現場具有指導意義。

西安科技大學伍永平教授等研究了煤礦井底煤倉的力學模型。閆浩等對散體顆粒充填壓實特性進行了研究。曹樹剛等從袋裝散體矸石顆粒的承載能力的角度開展了實驗研究。張亞雄對筒倉卸料流動特性進行研究。樓曉明等研究了散體材料對倉壁側壓力的計算方法。趙衍剛研究了地面筒倉的自振特性，認為筒倉結構中的散料基本上全部參加振動;賈一濤進行了筒倉壁煤流沖擊研究，Feng Y等進行了倉壁的數值模擬試驗。這些都為進一步研究井底煤倉裝卸煤過程中的微震特性奠定了基礎，而且煤礦現場時常發生“堵倉”事故，需要進一步分析其振動特性帶來的影響。

1井底煤倉壁下口對微振動特性影響

1.1 井底煤倉壁振動原因分析

井底煤倉為地下工程的筒狀結構，倉壁外側與不同巖層的圍巖相互作用，具備煤炭儲存和中轉功能，當煤礦的地面設施或主提升系統檢修時可保障井下采掘工作面不停產，提供安全保障。井底煤倉下口工程為了穩定，且由于放煤的需求，一般布置密集工字鋼梁板并澆筑成型，這既保證了下部硐室的支護強度，又使得施工后的井底煤倉整體由于與圍巖的接觸關系不同而具有一定的彈性性質，特別是當這種構筑結構跨度較大時，越發明顯性。故當井底煤倉壁位于彈性梁板基礎之上部時，易于形成振動特性。

1.2井底煤倉下口內部結構

井底煤倉內散體貯料（煤和矸石）在卸煤過程中散體貯料作用于倉壁，影響較大的為下部硐室頂板的結構。該結構多為密集工字鋼梁組成，在放煤口區域留設固定的卸料口，其余部分全部用型鋼密集布置出來后進行混凝土澆筑。該結構具有很好的承載特征，當受到上部來煤沖擊和放煤引起的倉壁卸載超壓時，均會使其產生振動作用。如山西汾西礦業雙柳煤礦井底煤倉下鎖口內部結構布置施工圖紙如圖1所示。

由圖1可見，井底煤倉下部結構內部的密集工字鋼梁間距達到300mm，有的為250mm，十分密集，也為混凝土澆筑成型后具有振動性提供了條件。

2 井底煤倉微振動方程及加速度

動力荷載可以是周期荷載、沖擊荷載或者隨機荷載。倉內“三維錐殼”結構動力荷載對結構產生的影響與靜力荷載有明顯區別，結構力學的特點是存在加速度，需要考慮慣性力，可用達朗貝爾原理列動靜法方程。

在裝煤過程中，假設承載結構在下落散體煤的沖擊下，由于“三維錐殼”結構的存在，即倉內煤堆具有一定的彈塑性，使得該結構具有一定的微振動特性，這在干河煤礦井底煤倉的現場修復后運營期被監測到。

在煤礦生產過程中由于采掘面生產的不均衡性，造成了主運輸系統煤流的不穩定，運抵井底煤倉時，對煤倉的力學作用是一個十分復雜的過程，很難精確表征，但采用微振動表征不失為一種有效的方法，上部來煤其對散體“三維錐殼”承載結構動力作用符合受迫振動的特性。設受簡諧荷載[Ft=Fsinθt+?G];該荷載主要由兩部分構成，一部分為煤流下落過程引起的沖擊荷載，一部分為新裝入煤炭顆粒滯留后使倉內增加的重量[?G]。力學分析如圖2所示。

結構質量為m，剛度為[κ]，自振圓頻率為[ω]，結構阻尼系數為[η]，阻尼比為[ξ]，則運動方程為：

[mz+ηz+κz=Fsinθt] （1）

該運動方程為一個微分方程，其中加速度[y]引起的慣性力為[mz]。

在循環載荷[Ft]作用下產生的動力位移為：

[zt=Ftmω21-θ2ω22+4ξ2θ2ω2-12sinθt-α ]

（2）

最大動力位移：

[zmax=Ftmω21-θ2ω22+4ξ2θ2ω2-12 ] （3）

如果將荷載中三角函數成分去掉，則變成靜力荷載[F]，則產生的靜位移為：

[zst=Ftmω2] （4）

動靜位移之比則稱之為動力系數[β]：

[β=zmaxzst=1-θ2ω22+4ξ2θ2ω2-12] （5）

當荷載頻率與自振頻率相同時，動力系數為最大值：

[βmax=12ξ] （6）

如果阻尼比[ξ=0.1]，那么動位移將是靜位移的5倍，即產生共振現象。

井底煤倉壁及內部散體顆粒在上部來煤的動力沖擊下，井底煤倉壁連同內部存儲的煤炭一起產生微振動，長期作用會對井底煤倉壁的穩定性產生較大影響，亦可帶來重大災害。設計階段應充分考慮，盡量避免這種情況出現。

3 井底煤倉壁荷載及加卸載路徑

井底煤倉壁內側壓力，用q（t）表示，在同一水平面內的倉壁載荷如圖3所示：

即：

[σ0，t=-q1t，q1t>0， dq1dt≥0，] （7）

[0≤t≤t0;]

[σ0，t=-q2t，q2t>0? ? ? ? ? ?] （8）

[dq2dt≤0，t≥t0;]

就是說，若q（t）>0，[dqdt≥0]，則倉壁處于加載狀態，q（t）>0，[dqdt≤0]，則處于卸載狀態。

圖4為從井底煤倉散體顆粒內部的應力σ的加卸載路徑角度分析其整體承載特征。

若q0≤σ0，則為彈性關系，σ0為拉伸屈服應力，若q0>σ0，則為塑性關系（見圖4）。

由圖4可知，應力卸載時，其應變并不完全沿著加載曲線而恢復。

4 振頻對井底煤倉的影響

顯然，振動頻率對結構影響是顯著的。“三維錐殼”結構微振動頻率與煤流散體載荷施加的頻率之間關系，決定了煤倉整體的微振狀態。結構固有頻率：

[ω=2πT] （9）

式中，表示2π個單位時間（秒）內振動的次數T，單位為弧度/秒。

[ω=km ] （10）

ω是結構體系的固有性質。當井底煤倉上口來煤對整體結構（倉壁和內部已有煤炭顆粒）的擾動頻率與結構本身的固有頻率趨近會產生共振引起倉壁損害。

5 結論

文章結合礦井具體工程及物理相似模擬試驗，對煤礦井底煤倉易于造成振動的原因進行了分析，發現地下工程中井底煤倉內部散體顆粒、下口布置形式、下部硐室跨度等為主要影響因素。

依據井底煤倉受力特征，給出了井底煤倉整體結構振動方程，并對加速度進行了分析。井底煤倉壁與內部貯料組成的整體結構具有微振特性。當倉內貯料的應力卸載時，其應變并不完全沿著加載曲線而恢復。

文章還分析了振頻影響作用，發現井底煤倉的整體結構自振頻率與來煤的擾動頻率趨近會產生共振引起倉壁損害。

【參考文獻】

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