固體物料大垂深投料運送系統設計研究

李文旭，仇晉宇，姬鳳祥，雷平博，張武濤

(1.山西長治縣雄山煤炭有限公司第五礦，山西 上黨區 047100；2.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054；3.潞安集團 余吾煤業有限責任公司，山西 屯留 046100)

某礦井下沿空留巷對混凝土的用量及運輸量相當大，物料運輸效率低、運輸距離長，且長時間運輸，水泥容易結塊，影響混凝土墻的可靠性和墻體質量。通過從地面開挖建設1個垂直鉆孔投料系統，在地面通過地面攪拌站將稱量、攪拌好之后的干混料直接投放到盤區大巷附近，通過盤區大巷運輸至井下濕料站，可以減少運輸距離4 000 m，縮減輔助運料環節，縮短了運料時間，保證混凝土墻的澆筑質量。

1 井身結構設計

1.1 投料鉆孔

投料鉆孔直徑的大小取決于兩個因素：①物料最大顆粒的直徑；②所需的物料量。

投料鉆孔直徑太小直接影響物料的輸送且容易堵管，過大則增加經濟成本，影響井底接料。一般取大于最大通過物料粒度的3倍作為投料鉆孔的直徑[1]。

根據物料的粒徑不大于50 mm的要求，并考慮物料中碎石硬度較大、對投料管磨損大，以及井筒較深、維修困難等問題，借鑒類似條件礦井的投料系統情況，確定投料管內徑為343 mm，投料鉆孔直徑為550 mm，通過能力大于20 m3/h或44 t/h.

1.2 投料管

在投料管安裝過程中，投料管除承受縱向拉力外，還需承受物料對管壁的沖擊、沖蝕摩擦及外側巖體對管體的圍壓作用[2]。因此，投料管需滿足抗拉和抗壓要求。

投料管承受的周圍巖體內原巖應力對其壓力的最大值處在投料管底端，承受外壓的長圓筒臨界壓力由勃萊斯公式確定。通過計算，材質為Q235、厚度為12 mm的鋼管能夠滿足投放深度為390.4 m的強度要求。

結合投料，通過理論計算及廣泛調研，確定了投料管的外徑為377 mm，投料管由兩層材料構成，內層為5 mm厚的陶瓷襯板耐磨材料，外層為12 mm厚的Q235鋼管，除去誤差，投料管的有效孔徑為343 mm.為了避免投料管在安裝過程中出現“卡管”現象，同時保證投料管的垂直度，確定550 mm為最佳鉆孔直徑，見圖1.

圖1 投料井井身平面圖

2 投料井穩定性驗算

2.1 鉆孔圍巖壓力計算

鉆孔圍巖壓力與埋深成正比，計算鉆孔孔底圍巖壓力，即為鉆孔最大圍巖壓力來校核水泥漿固井充填層的厚度設計是否合理[3]。根據圍巖分級方法，唐安煤礦鉆孔孔底圍巖級別屬于Ⅲ級，可知巖層重度25 kN/m3，內摩擦角φ為39°，圍巖計算摩擦角φc為60°，泊松比v為0.2，上覆巖層垂直應力計算如下：

σv=rh

(1)

式中：h=400 m，代入數據計算得：

σv=rh=25 kN/m3×400 m=10 MPa

通過垂直應力與水平應力的關系，計算鉆孔所受的水平應力，即為鉆孔所受圍巖壓力p，計算如下：

(2)

式中：σv為垂直地應力；σH為水平地應力；v為泊松比，取0.2.

將數據帶入公式可得：

2.2 投料井壁厚度驗算

投料井井壁由水泥漿充填層和鋼管復合而成，通過鉆孔孔徑和投料管的孔徑可知，水泥漿充填層厚度為86.5 mm，強度等級為C40，鋼管采用12 mm厚的Q235鋼管,強度設計值為205 MPa.

采用“荷載-結構”設計方法，依據厚壁圓筒理論[4]，分別計算水泥漿固井充填層厚度和鋼管厚度，計算公式為：

(3)

式中：Rd為圓半徑，分別取275 mm和188.5 mm；fc為充填層強度設計值，N/mm2，分別取30 MPa和205 MPa；v為荷載安全系數，取2.4；hc為充填層厚度設計值，mm.

將數據帶入上式得： 水泥漿充填厚度h1=82.5 mm；鋼管厚度h2=2.5 mm.設計充填層厚度為86.5 mm，計算為82.5 mm，鋼管厚度為12 mm，安全系數為4.8，表明由水泥漿充填層和鋼管復合而成的井壁在滿足井身結構的同時，能夠保證支護安全。

2.3 投料管強度驗算

考慮管壁受動壓荷載產生的沖擊力時，投料管強度能否滿足要求，考慮最不利情況，即在連續下料堵管時，根據自由落體計算1 m3干料到達底部的速度，計算公式如下：

v2=2gh

(4)

帶入數據可得：

根據動量公式計算物料到達底部的沖擊力，計算如下：

Ft=mv

(5)

式中：t為物料從運動到靜止所動的時間，取1.5 s；m為1 m3干料的質量，為1 650 kg.

帶入數據可得：

沖擊力產生的壓強計算如下：

式中：S為投料管橫截面積。

由公式(4)和(5)可知，1 m3料沖力產生的壓強與速度成正比，而速度與下落高度成正比。攪拌機為間隔下料，后下的1 m3料總比前1 m3料產生的沖力小，而受力面積一致，綜合考慮最不利情況，即堵管(管內可存36.1 m3料)發生在管底部，整管料沖擊力產生的最大壓強為：

式中：∑m為滿管干料的質量。

基于彈性理論，投料管內壓在投料管管壁產生徑向壓力和切向拉力，圖2所示投料管內壓引起的應力如下：

圖2 投料管受力示意

(6)

令式中R=r，計算管壁受到的最大切向拉應力，將數據帶入，計算可得：

式中負號表示管壁受拉。

在GB50017-2003《鋼結構設計規范》中，Q235的抗拉強度設計值為205 MPa，堵管時干料產生的最大切向拉應力為54.75 MPa，安全系數為3.7，試運行后投料管強度完全滿足施工要求。

2.4 水泥漿粘結力分析

本節驗算水泥漿對投料管產生的粘結力是否抵抗住投料管自身重力和物料在投料管下落過程中產生向下摩擦力，考慮最不利時，即摩擦力和干料自身重力相等時，根據混凝土手冊可知，水泥漿強度等級為40 MPa，鋼材和水泥漿的粘結強度為7 MPa.

首先計算每米鋼管重力，計算如下：

G=ρVg=ρπ(R2-r2)hg

(7)

式中：ρ為鋼管密度，取7 850 kg/m3；R為鋼管外徑，取0.188 5 m；r為鋼管內徑，取0.171 5 m.

帶入數據得：

G鋼=ρπ(R2-r2)hg

=7 850×3.14×(0.188 52-0.171 52)×10

=1.11 kN

其次計算干料對管壁的摩擦力，計算如下：

f=G料

(8)

將數據帶入得：

f=G料=0.09×1 650×10=1.5 kN

最后驗算粘結力，計算如下：

F粘=P·S

(9)

式中：P為粘結強度，取7 MPa；S為管外壁表面積，取1.18 m2.

將數據帶入得:

F粘=P·S=7×106×1.18=8.26×103kN

由此可知，F粘遠遠大于每米鋼管產生的重力和管內每米干料對管壁產生的摩擦力之和，因此水泥漿粘結力符合要求。

3 結 語

1) 通過理論計算，在地面打設垂直鉆孔至井底，可以快速地將固體充填物料運送至工作地點，緩解了礦井輔助運輸壓力，降低了工人工作強度。有效節省了人力、物力、財力，保證了沿空留巷用料質量，提高了沿空留巷工程質量，從而保證了礦井安全生產。

2) 固體物料大垂深快速投運系統不僅可以在礦山方面應用，還可以應用于更多的地下工程，如：隧道工程、地鐵工程等，為類似工程提供了借鑒。