管帶機(jī)經(jīng)過(guò)煤礦采空區(qū)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

藍(lán)武生

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 項(xiàng)目背景

1.1 項(xiàng)目信息

項(xiàng)目位于山西省臨汾市蒲縣太林鄉(xiāng)喬家灣鎮(zhèn)。本項(xiàng)目含3 條管帶機(jī)、4 條皮帶機(jī)及其他設(shè)備的改造，其中PC31、PC41 管帶機(jī)穿過(guò)現(xiàn)有煤礦采空區(qū)。本文主要針對(duì)PC31 管帶機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1.2 采空區(qū)簡(jiǎn)介

《煤礦安全規(guī)程》將采空區(qū)定義為“回采以后不再維護(hù)的空間”[1]。采空區(qū)的存在給管帶機(jī)運(yùn)行帶來(lái)巨大的不穩(wěn)定性，主要是因?yàn)椴煽諈^(qū)具有隱蔽性、復(fù)雜性、突然性、長(zhǎng)期性等特點(diǎn)。采空區(qū)的失穩(wěn)破壞具有突然性，塌陷或出現(xiàn)沉降的時(shí)間難以估計(jì)[1]。隨著采空區(qū)的不斷發(fā)展，將引起地面沉降和水平位移變化，導(dǎo)致地面出現(xiàn)沉降、塌陷、水平移動(dòng)、變形等表征[2]。

1.3 山西地區(qū)采空區(qū)管帶機(jī)應(yīng)用情況

山西應(yīng)用在采空區(qū)并已投運(yùn)的管帶機(jī)項(xiàng)目主要有山西焦煤集團(tuán)西山煤電興能發(fā)電公司的古交電廠二期擴(kuò)建工程管帶機(jī)、山西陽(yáng)泉燕龕有限責(zé)任公司輸煤系統(tǒng)管帶機(jī)、晉能控股裝備制造集團(tuán)公司寺河煤礦管帶機(jī)以及宏源煤業(yè)集團(tuán)一期自貢管帶機(jī)。以上管帶機(jī)在設(shè)計(jì)初期基本未考慮采空區(qū)沉降對(duì)管帶機(jī)后期運(yùn)行的影響，給管帶機(jī)運(yùn)行帶來(lái)巨大安全隱患[3]，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)只能采取臨時(shí)加固、臨時(shí)調(diào)整的措施，給現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)維帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。

2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 采空區(qū)范圍的界定

按照目前國(guó)內(nèi)對(duì)采空區(qū)邊界的界定及業(yè)主提供的煤層開(kāi)采圖、開(kāi)采范圍、煤層厚度等，初步劃分出采空區(qū)大致邊界線(xiàn)[4]。本項(xiàng)目管帶機(jī)經(jīng)過(guò)的煤層中，最深煤層為11#煤層的一采區(qū)，埋深為188—198m，煤厚為3.1—3.5m，回采高度約為3.2m，采厚比約為61.87。最遲開(kāi)采煤層為11#煤層的二采區(qū)，此煤層也是離管帶機(jī)最近的煤層，預(yù)計(jì)從 2037 年1 月開(kāi)采，2037 年12 月回采完畢。根據(jù)以上信息，組織業(yè)主、專(zhuān)家等共同確認(rèn)煤層最大回采高度為3.2m，整體區(qū)域按未充分采動(dòng)區(qū)考慮，煤層傾角按3°考慮。

2.2 合理路由布置

通過(guò)前期大量的調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，要找出最合理的管帶機(jī)路由及立柱布置點(diǎn)，特別是立柱的布置應(yīng)盡量避開(kāi)采空區(qū)，從路由布置上最大程度避免采空區(qū)對(duì)管帶機(jī)的影響。同時(shí)，要確認(rèn)采空區(qū)立柱布置為沉降柱，非采空區(qū)按常規(guī)立柱布置，采空區(qū)與非采空區(qū)交界處布置兩個(gè)沉降柱作為沉降區(qū)與非沉降區(qū)的過(guò)渡段立柱布置。

2.3 管帶機(jī)土建方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過(guò)借鑒山西地區(qū)采空區(qū)輸電線(xiàn)路桿塔的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及其他項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，管帶機(jī)沉降區(qū)立柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)采用大閥板基礎(chǔ)，減少采空區(qū)立柱沉降不均勻、沉降傾斜的影響。大閥板基礎(chǔ)就是將立柱的四個(gè)基礎(chǔ)澆鑄在一起，使其相對(duì)位置固定（見(jiàn)圖1），從而實(shí)現(xiàn)無(wú)論地表如何沉降，立柱的四條腿始終處在一個(gè)平面上，即使整體傾斜也在同一個(gè)傾斜面上，而且基本不會(huì)變化，這樣就能大大降低采空塌陷對(duì)立柱的影響。

圖1 立柱大閥板基礎(chǔ)示意圖

2.4 管帶機(jī)本體方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.4.1 沉降區(qū)立柱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

沉降區(qū)的立柱設(shè)計(jì)主要針對(duì)基礎(chǔ)沉降后，如何更加方便、快捷調(diào)整立柱，以便使管帶機(jī)快速回到相對(duì)平滑的過(guò)渡狀態(tài)。

沉降區(qū)立柱全部采用“大四柱+上部龍門(mén)懸吊（約4m）”設(shè)計(jì)。需要計(jì)算本項(xiàng)目采空區(qū)的最大下沉高度，根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044—2014），本礦區(qū)范圍內(nèi)的煤層傾角為3°，屬于水平煤層或近水平煤層開(kāi)采，地表最大下沉值計(jì)算公式①如下：

其中：Wmax——充分采動(dòng)條件下的地表最大下沉值，mm；q——下沉系數(shù)，本項(xiàng)目取0.7；α——煤層傾角，本煤層傾角為3°；M——煤層發(fā)現(xiàn)開(kāi)采厚度，m，基于本礦區(qū)煤厚為3.1—3.5m，煤層回采厚度取3.2m；n——開(kāi)采不充分條件下的采動(dòng)系數(shù)，本項(xiàng)目取0.7，常規(guī)不超過(guò)1。

經(jīng)計(jì)算，最大下沉值為1.56m。

根據(jù)該最大下沉值，取龍門(mén)懸吊高度為4m，實(shí)際調(diào)整高度約為1.28m（見(jiàn)圖2），加上地腳螺栓的調(diào)整高度0.35m，大致可以滿(mǎn)足最大沉降高度。同時(shí)，在立柱上設(shè)置沉降觀察點(diǎn)，以便及時(shí)觀察沉降情況，故龍門(mén)懸吊高度為4m 可滿(mǎn)足本項(xiàng)目最大沉降值要求。

圖2 沉降區(qū)立柱設(shè)計(jì)圖

最大水平移動(dòng)值隨地表最大下沉值的增加而增加，本次計(jì)算水平煤層或傾斜煤層開(kāi)采時(shí)沿走向方向的最大水平移動(dòng)值，在充分或接近充分采動(dòng)條件下，沿煤層走向方向上的最大水平移動(dòng)值計(jì)算公式②為：

其中：Umax——沿煤層走向方向上的最大水平移動(dòng)值，mm；b ——水平移動(dòng)系數(shù)，由實(shí)測(cè)資料分析確定，國(guó)內(nèi)外觀測(cè)資料表明，水平移動(dòng)系數(shù)b 比較穩(wěn)定，一般取0.3。

所以，地表最大水平移動(dòng)值為0.468m。沉降區(qū)段四柱支撐上部除走道板外，兩側(cè)各預(yù)留500mm 水平調(diào)整空間以滿(mǎn)足要求（見(jiàn)圖2）。

2.4.2 桁架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

目前采空區(qū)的著重點(diǎn)基本都在立柱方面，對(duì)桁架的考慮比較少。本項(xiàng)目主要考慮基礎(chǔ)沉降后對(duì)桁架的影響，基礎(chǔ)沉降后桁架會(huì)出現(xiàn)傾斜，所以主要通過(guò)控制間隙來(lái)避免沉降后的桁架干涉問(wèn)題。最終確認(rèn)非沉降區(qū)段桁架與桁架間隙按常規(guī)50mm 設(shè)計(jì),沉降區(qū)域桁架與桁架間隙按100mm 設(shè)計(jì)。

2.4.3 其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

加上地腳螺栓露頭長(zhǎng)度，常規(guī)立柱地腳螺栓露頭為140mm，本項(xiàng)目按350mm 考慮（加上地腳螺栓可以調(diào)整小沉降的變形）。加大柱底板地腳螺栓開(kāi)孔，常規(guī)M30 地腳螺栓柱底板開(kāi)孔為40mm，本項(xiàng)目開(kāi)孔45mm，加大柱底板開(kāi)孔可以調(diào)節(jié)一定量的立柱傾斜角度。加長(zhǎng)頭尾過(guò)渡段長(zhǎng)度，常規(guī)ST 帶過(guò)渡段的長(zhǎng)度按50D（D 為名義管徑）設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目過(guò)渡段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為70D。將驅(qū)動(dòng)滾筒包膠改為陶瓷鑄膠來(lái)增大摩擦力，包膠的摩擦系數(shù)一般為0.3，陶瓷鑄膠可以達(dá)到0.45 以上[5]。為了方便后續(xù)跑偏的調(diào)整，本項(xiàng)目將托輥支架設(shè)計(jì)為分體式托輥支架，托輥支架安裝座開(kāi)長(zhǎng)條孔，以便在線(xiàn)調(diào)整管帶機(jī)跑偏。

2.5 制作方面的設(shè)計(jì)要求

本項(xiàng)目通過(guò)提高沉降柱的制作精度，從而加強(qiáng)沉降柱的調(diào)節(jié)能力、減少現(xiàn)場(chǎng)的安裝難度。具體相關(guān)要求見(jiàn)圖3。

圖3 沉降立柱制作精度

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目在沉降區(qū)管帶機(jī)立柱方面的設(shè)計(jì)及理念很多是行業(yè)內(nèi)的首次嘗試，從目前本項(xiàng)目的管帶機(jī)立柱制作及現(xiàn)場(chǎng)安裝來(lái)看，設(shè)計(jì)是合理可靠的，精度也是可以通過(guò)提前制定相關(guān)措施、手段來(lái)保證的。本文針對(duì)采空區(qū)的管帶機(jī)設(shè)計(jì)理念，對(duì)后續(xù)管帶機(jī)在采空區(qū)沉降柱的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。