煤堆穩(wěn)定性及合理取煤方式研究

郭永峰

（中煤平朔集團(tuán)公司，山西朔州 036006）

隨著煤礦大規(guī)模、高強(qiáng)度的開采，煤堆堆放高度逐漸增加，穩(wěn)定度大大降低，易導(dǎo)致煤堆滑塌等安全事故。對煤堆穩(wěn)定性和合理取作業(yè)方式的研究，在消除煤堆安全隱患、保障公司財產(chǎn)和員工生命財產(chǎn)安全方面具有重要的意義。通過深入細(xì)致的研究工作，確定煤堆合理的堆放參數(shù)，有利于完善煤堆作業(yè)、操作規(guī)程，為礦山、運煤碼頭、煤場、電廠煤堆堆放及卡車裝運作業(yè)提供技術(shù)支撐，保障煤炭儲運系統(tǒng)的安全、高效運行。

1 煤堆穩(wěn)定性理論

1.1 煤堆散體上的作用力

1）質(zhì)量力。某種力場作用在散粒體全部顆粒（全部體積）上的力稱為質(zhì)量力，它和散體的體積成正比。例如在重力場中由地球?qū)ι⒘ｓw全部顆粒的引力作用所產(chǎn)生的重力；磁力場和電力場對磁性顆?；驇щ婎w粒所產(chǎn)生的磁力和電動力等[1]。

2）表面力。作用在物料所取分離表面上的力或作用在散粒體約束表面上的力，稱為表面力。散粒體的壓力σ 和切應(yīng)力τ，是研究散粒體平衡和滑移時經(jīng)常遇到的2 種表面力。如前所述，散粒體含有表面水時，顆粒表面的水膜具有表面張力，它是一種特殊類型的表面力，它不是接觸面以外的物質(zhì)作用的結(jié)果，面只是由表面層分子吸收所產(chǎn)生的[2]。

1.2 煤堆散粒體的極限平衡

在固體力學(xué)中，如切應(yīng)力超過某一定值，沿該平面就可能產(chǎn)生滑動。在散體力學(xué)中，最危險的滑移面并不是切應(yīng)力最大的平面，而是比值τ/σ 達(dá)到最大值的平面。因此，在散體力學(xué)中，其應(yīng)力狀態(tài)受下列條件所制約，即

散粒體任一平面上的應(yīng)力如滿足下列關(guān)系式，則散粒體處于平衡狀態(tài)。

1.3 非極限平衡狀態(tài)與極限平衡狀態(tài)

按照式（2）作曲線φ（σ），則最大應(yīng)力圓或者在曲線φ（σ）內(nèi)部（如圖1（a）），稱為非極限平衡狀態(tài)；或者與曲線φ（σ）相切（如圖1（b）），稱為極限平衡狀態(tài)。

分別以（σ，τ）為坐標(biāo)軸，建立直角平面坐標(biāo)系。非極限平衡狀態(tài)與極限平衡狀態(tài)圖如圖1。在圖1中，σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；σ2為中間主應(yīng)力。

圖1 非極限平衡狀態(tài)與極限平衡狀態(tài)圖

事實上這個關(guān)系存在于經(jīng)過煤堆散粒介質(zhì)中若干點所形成的平面內(nèi)。從幾何意義上講，曲線±φ（σ）是所有各點最大應(yīng)力圓的包絡(luò)線，故煤堆散粒介質(zhì)的極限平衡由下式確定。

式中：f 為散粒體內(nèi)摩擦系數(shù)[3]。

1.4 滑移表面

討論極限平衡時，只需要確定法線位于主平面（σ1-σ3）內(nèi)的平面上的應(yīng)力。這時，主應(yīng)力σ2可以在σ3到σ1的范圍內(nèi)變化而不破壞極限平衡。若σ3減小或σ1增大，從圖1 中可以看出，其應(yīng)力圓不再與φ（σ）線相切而是相交，這就破壞了極限平衡，散粒介質(zhì)處于流動狀態(tài)。在與最大主應(yīng)力σ1面成傾斜角平面上，散粒介質(zhì)內(nèi)部開始有質(zhì)點的相對滑動（圖1（b）），此平面稱為滑動平面。所研究的散粒體各個不同質(zhì)點的滑動平面的總和，稱為滑移表面[4]。

2 煤堆穩(wěn)定性數(shù)值模擬

根據(jù)煤質(zhì)不同，可將煤堆主要分為3 類：原煤堆、洗混煤堆、洗精煤堆。經(jīng)測定，原煤、洗混煤和洗精煤煤堆的安息角分別為38°、40°、42°，幾種類煤堆物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 幾種煤堆物理力學(xué)參數(shù)

2.1 煤堆開挖穩(wěn)定性計算。

采用Geoslope 軟件對不同條件下煤堆穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。42 m 洗混煤堆未開挖穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖2。42 m 洗混煤堆在3 m 處開挖穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖3。42 m 洗混煤煤堆在6 m 處開挖穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖4。

圖2 42 m 洗混煤堆未開挖穩(wěn)定性計算結(jié)果（F 為1.001）

圖3 42 m洗混煤堆在3 m 處開挖穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖4 42 m 洗混煤煤堆在6 m 處開挖穩(wěn)定性計算結(jié)果

從圖2 可以看出，42 m 洗混煤煤堆未開挖的安全系數(shù)F 為1.001，處于極限平衡狀態(tài)。從圖3 可以看出，42 m 的洗混煤煤堆在3 m 處開挖時，首先從煤堆頂部到煤堆底部發(fā)生了1 次大范圍的塌滑，又經(jīng)過1 次從煤堆頂部到煤堆中部的塌滑，最后是頂部的部分滑落。滑落3 次的安全系數(shù)分別為0.976、0.919、0.849，滑落的體積分別為259.57、82.246、14.394 m3。

從圖4 可以看出，從煤堆在6 m 處開挖，隨高度增加，煤堆整體穩(wěn)定性降低，發(fā)生大范圍滑動，然后頂部部分不穩(wěn)定，滑落后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。煤堆2 次滑動的安全系數(shù)分別為0.996、0.83。滑落體積分別為243.85、11.064 m3。穩(wěn)定后的安全系數(shù)F 為1.006。

2.2 煤堆開挖滑落過程數(shù)值模擬

42 m 洗混煤煤堆滑落過程如圖5。

圖5 42 m 洗混煤煤堆滑落過程

從圖5 可以看出，42 m 洗混煤煤堆處于極限平衡狀態(tài)，在3 m 處開挖后為區(qū)域1，煤堆不穩(wěn)定，發(fā)生大規(guī)模塌滑達(dá)到區(qū)域2，然后中上部不穩(wěn)定，發(fā)生塌滑達(dá)到區(qū)域3，最后上部有小部分煤滑落至線4后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。高度開挖到6 m 至線1′，煤堆發(fā)生大面積失穩(wěn)，達(dá)到線2′，然后煤堆上部小部分滑落后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，即線3′。

對高度為35、30、25、21、18、15、12、9 m 洗混煤煤堆邊緣底部開挖滑落過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。對原煤煤堆、洗精煤煤堆也采用以上數(shù)值模擬分析方法，得出的不同高度煤堆對應(yīng)的塌滑體體積見表2。

表2 不同高度煤堆對應(yīng)的塌滑體體積

2.3 數(shù)值模擬效果分析

對不同高度的原煤堆、洗混煤堆、洗精煤堆采用極限平衡法進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果表明，在煤堆坡腳開挖，將發(fā)生2～ 3 次的大規(guī)模塌滑和若干次小型滑動。煤堆越高，塌滑的最大體積越大。煤堆高度越高，安全系數(shù)越低，發(fā)生塌滑的可能性越高。經(jīng)過對比分析，確定煤堆的合理堆高為12 m。此時滑體的體積相對較小，并且不會對底部造成大的危害[5]。

3 煤堆穩(wěn)定性參數(shù)

3.1 堆 角

體堆角是控制煤堆穩(wěn)定性的一個重要的影響因素，煤堆的含水率較低，顆粒之間的黏聚力較小，主要通過顆粒之間的摩擦力來維持煤堆的穩(wěn)定性，屬于松散體。當(dāng)煤堆自然堆積時，由于顆粒之間的摩擦力會形成一個自然安息角。當(dāng)在煤堆底部開挖時，使得煤堆的整體堆角大于自然安息角，所以煤堆會下滑，直到整體堆角小于或等于自然安息角時才恢復(fù)為穩(wěn)定狀態(tài)。

由于煤堆含水率較低，顆粒之間的黏聚力較小可以作為松散體來考慮，理想松散體顆粒之間的黏聚力為0，煤堆顆粒之間黏聚力雖不為0，但卻很小，所以在開挖過程中隨著底部開挖，上部煤慢慢下滑，不會出現(xiàn)大范圍的整體下滑?，F(xiàn)場煤堆有時也會出現(xiàn)整體堆角大于自然安息角的時候，這可能是由于局部含水率比較大，增大了煤顆粒之間的黏取力而造成的。這主要是現(xiàn)場煤堆的不均勻性造成的。因此，在煤堆的整體開挖過程中，為了避免災(zāi)害的發(fā)生，應(yīng)該使開挖過程中的整體堆角小于或者等于自然安息角[6]。

3.2 堆 高

堆高是控制煤堆穩(wěn)定性最重要的參數(shù)，煤堆高度不同，滑體的體積不同，滑體下滑的速度不同，所形成的能量也不同。不同堆高下最大滑體的體積如圖6，不同堆高總滑體體積如圖7。

圖6 不同堆高最大滑體體積

圖7 不同堆高總滑體體積

從圖6 可以看出，不論是原煤、洗混煤還是洗精煤，隨著堆高的逐漸減小，最大滑體的體積都逐漸減小。從圖7 可以看出，隨著堆高的減小，煤堆滑落滑體的總體積也逐漸減小,由堆高42 m 時的700 m3降為9 m 堆高時的20 m3。堆高降低了4 倍左右，而滑體體積降低了30 多倍。堆高越大，開挖引起的滑體體積就越大，滑體下滑所造成的危害也越大。因此，需要確定合理的煤堆堆高。根據(jù)煤堆穩(wěn)定性分析，同時考慮一定的安全儲備，在選取小型裝載機(jī)作為取料設(shè)備時，建議煤堆的合理堆高為12 m。

4 煤堆合理作業(yè)方式

4.1 長臂挖掘機(jī)分段階梯取煤作業(yè)方式

當(dāng)煤堆堆高較高時，傳統(tǒng)的底部開挖、裝載的作業(yè)方式，使得煤堆的整體堆角隨著開挖而逐漸增大，當(dāng)在外界動力擾動等的影響下可能發(fā)生塌滑，給堆底工人和設(shè)備帶來很大的危險。因此，在煤堆的裝載過程中為保持整體堆角小于自然安息角，可以使用長臂挖掘機(jī)，從頂部開始采用分段階梯按順序取煤的作業(yè)方式，分段階梯取煤示意圖如圖8。以堆高10 m，堆角38 °為例，共分為5 層，每層高度為2 m，采用從上至下階梯取煤的作業(yè)方式。長臂挖掘機(jī)的臂長隨著煤堆高度不同而不同[7]。

圖8 分段階梯取煤示意圖

4.2 長臂挖掘機(jī)與裝載機(jī)混合式取煤作業(yè)方式

在煤堆、煤泥堆開挖、裝載的過程中，當(dāng)煤堆、煤泥堆堆高小于4 m 時，考慮小型裝載機(jī)的卸載高度，僅使用小型裝載機(jī)就可以滿足安全開挖的要求；當(dāng)煤堆堆高大于4 m 時，僅使用小型裝載機(jī)不能滿足安全要求，這時應(yīng)使用小型裝載機(jī)和大型長臂挖掘機(jī)配合使用，首先使用長臂挖掘機(jī)在堆頂卸載，然后再使用小型裝載機(jī)在底部裝載，使煤堆整體堆角始終小于自然安息角，保證安全作業(yè)。

長臂挖掘機(jī)和裝載機(jī)混合式取料作業(yè)方式，首先在底部采用裝載機(jī)進(jìn)行開挖轉(zhuǎn)載，其次采用長臂挖掘機(jī)在頂部卸載，使得整體堆角小于自然安息角，混合式取煤示意圖如圖9。

圖9 混合式取煤示意圖

以堆高10 m 為例，在圖9 中，首先在3 m 以下采用裝載機(jī)在底部裝載，如圖中1 區(qū)，然后使用長臂挖掘機(jī)在頂部卸載如圖中2 區(qū)、3 區(qū)，這樣保持整體堆角小于或者等于自然安息角。然后重復(fù)前面3步，逐步開挖，如圖中4 區(qū)、5 區(qū)、6 區(qū)[8]。

4.3 刮板取料作業(yè)方式

在儲煤場兩側(cè)各布置1 臺刮板取料機(jī)，取料機(jī)下（地面上）設(shè)帶式輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)機(jī)頭延伸至汽車裝車倉內(nèi)，倉下設(shè)裝車閘門，用于汽車裝車。刮板取料機(jī)逐層刮取示意圖如圖10。

圖10 刮板取料機(jī)逐層刮取示意圖

工藝流程為：需要汽車裝車時，刮板取料機(jī)逐層刮取煤堆表面物料并按一定的輸送量將被刮落的物料轉(zhuǎn)卸至地面帶式輸送機(jī)上，再經(jīng)帶式輸送機(jī)運至汽車裝車倉內(nèi)，通過裝車閘門控制完成裝車。

5 結(jié)語

1）采用極限平衡法進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，從分析結(jié)果可以看出，煤堆滑落過程為在煤堆坡腳開挖，發(fā)生2～ 3 次的大規(guī)模塌滑和若干次小型滑動。煤堆越高，塌滑的最大體積越大。煤堆高度越高，安全系數(shù)越低，發(fā)生塌滑的可能性越高。通過對比分析，確定煤堆的合理堆高為12 m。此時滑體的體積較小，并且不會對底部造成大的危害。

2）由于堆高是控制煤堆穩(wěn)定性非常重要的參數(shù)，因此，為減少災(zāi)害的發(fā)生，要盡量降低堆高，使得煤堆堆高不大于12 m。當(dāng)堆高小于12 m，煤堆的整體穩(wěn)定性較好，但并不是說此時煤堆不會帶來威脅，當(dāng)煤堆底部有人員時仍可能引發(fā)災(zāi)害，而對于下部的挖掘機(jī)械或者機(jī)械中的作業(yè)人危害會相對較小。

3）為了確保安全生產(chǎn)，須采用合理的取煤作業(yè)方式與程序使煤堆整體堆角始終保持小于自然安息角。可以采用長臂挖掘機(jī)分段階梯取煤的作業(yè)方式，也可使用裝載機(jī)和長臂挖掘機(jī)混合式取煤作業(yè)方式，或刮板取料作業(yè)方式，逐層刮取。上述3 種取料方式，當(dāng)能夠保證資金投入的情況下，首選刮板取料方式，當(dāng)考慮較小資金投入時，可選用裝載機(jī)和長臂挖掘機(jī)混合式取煤作業(yè)方式。