煤礦井底煤倉(cāng)壁穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

劉明銀

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030001)

井底煤倉(cāng)為煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)的咽喉工程，因其為隱蔽性工程，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，一旦發(fā)現(xiàn)破損就非常嚴(yán)重，且具有易于復(fù)發(fā)，多次重復(fù)破壞的特性，威脅倉(cāng)體安全，影響主運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)行。故井底煤倉(cāng)壁穩(wěn)定性問(wèn)題已經(jīng)成為困擾部分煤炭生產(chǎn)企業(yè)的頑疾[1-2]. 井底煤倉(cāng)布置于深部圍巖體中，倉(cāng)壁及圍巖組成的支護(hù)系統(tǒng)處于深部高地應(yīng)力環(huán)境下，并承受倉(cāng)內(nèi)散體貯料顆粒的反復(fù)加卸載作用，其力學(xué)響應(yīng)較為復(fù)雜[3-4]. 合理的倉(cāng)壁穩(wěn)定性控制技術(shù)需要考慮設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)期的綜合作用，還需要實(shí)時(shí)匹配防堵增滑技術(shù)裝備[5-7]. 充分考慮地下工程的全過(guò)程影響指標(biāo)，采取綜合的控制技術(shù)手段是科學(xué)合理確定井底煤倉(cāng)壁穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)施工運(yùn)營(yíng)三期協(xié)調(diào)管控

1.1 設(shè)計(jì)階段保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度

在設(shè)計(jì)階段由于井底煤倉(cāng)服務(wù)年限長(zhǎng)，其服務(wù)年限同礦井服務(wù)年限相同。在設(shè)計(jì)階段保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度是井底煤倉(cāng)壁穩(wěn)定性控制的源頭，保證設(shè)計(jì)階段倉(cāng)壁具有足夠的支護(hù)強(qiáng)度，在考慮各種載荷基礎(chǔ)上提供合理的設(shè)計(jì)方案及施工圖紙。主要技術(shù)措施：對(duì)重點(diǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)加強(qiáng)支護(hù)、采用開(kāi)卸壓槽等措施消除高應(yīng)力區(qū)、設(shè)計(jì)合理的倉(cāng)壁厚度及圍巖控制措施等。

在開(kāi)拓開(kāi)采階段設(shè)計(jì)時(shí)，將井底煤倉(cāng)布置于穩(wěn)定巖層中，對(duì)軟弱圍巖提前處理加固，確定合理倉(cāng)壁支護(hù)形式及支護(hù)強(qiáng)度。為保證支護(hù)強(qiáng)度及倉(cāng)壁內(nèi)壁光滑完整，便于倉(cāng)內(nèi)煤或矸石流動(dòng)，現(xiàn)階段普遍采用鋼筋混凝土圓筒倉(cāng)砌碹支護(hù)，支護(hù)厚度300～1 000 mm，主要取決于圍巖巖性及開(kāi)挖井底煤倉(cāng)的凈斷面。如干河煤礦井底煤倉(cāng)正常段倉(cāng)壁支護(hù)斷面凈直徑為7 m，倉(cāng)壁主體段厚度為450 mm，素混凝土結(jié)構(gòu)；雙柳煤礦井底煤倉(cāng)正常段倉(cāng)壁支護(hù)斷面凈直徑為10 m，倉(cāng)壁主體段厚度為500 mm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.2 施工階段保證工程質(zhì)量

施工階段質(zhì)量保證措施主要體現(xiàn)在倉(cāng)壁施工材料合格、施工過(guò)程規(guī)范、混凝土養(yǎng)護(hù)合理等。在井底煤倉(cāng)壁成型后保證足夠的混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間及正確的養(yǎng)護(hù)方式，對(duì)于硅酸鹽水泥或普通水泥混凝土潮濕養(yǎng)護(hù)齡期不應(yīng)小于7 d. 同時(shí)，養(yǎng)護(hù)期內(nèi)必須保證混凝土的養(yǎng)護(hù)濕度及溫度，實(shí)際施工中要求養(yǎng)護(hù)溫度不應(yīng)低于5 ℃.

1.3 運(yùn)營(yíng)階段加強(qiáng)質(zhì)量管控

井底煤倉(cāng)投入運(yùn)營(yíng)后需加強(qiáng)進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)散體顆粒質(zhì)量管控，特別是注意粒徑及含水率的控制，如避免大塊直接入倉(cāng)、避免雜物入倉(cāng)、避免水煤入倉(cāng)等；采用改善煤流狀態(tài)的上口裝置，避免煤流直接沖擊倉(cāng)壁；合理控制下口流出煤炭顆粒流量；減少空倉(cāng)運(yùn)行時(shí)間等。綜合手段的合理實(shí)施是保證井底煤倉(cāng)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2 改善圍巖應(yīng)力發(fā)揮圍巖自承作用

改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)可在設(shè)計(jì)階段選擇合理的煤倉(cāng)位置，施工階段采取圍巖加固措施等。

井底煤倉(cāng)壁直接作用于巖層中，對(duì)巖層起控制作用，但最終是依靠倉(cāng)壁與圍巖共同組成的支護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮作用。因此，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，避免圍巖應(yīng)力集中，發(fā)揮混凝土倉(cāng)壁與圍巖的共同承載作用是保證井底煤倉(cāng)壁穩(wěn)定的主要途徑。常用的方法：錨桿錨索支護(hù)、注漿加固破碎圍巖、對(duì)高應(yīng)力圍巖開(kāi)槽卸壓等。

在井底煤倉(cāng)壁整體力學(xué)結(jié)構(gòu)上變簡(jiǎn)支為固支，提高倉(cāng)壁整體的承載能力。避免井壁與圍巖之間由于各種原因形成不完全接觸，如壁后存在過(guò)大空洞等，易造成倉(cāng)壁承載結(jié)構(gòu)上的不合理。

3 加強(qiáng)防堵增滑裝備的研制

倉(cāng)內(nèi)散體顆粒運(yùn)動(dòng)造成井底煤倉(cāng)壁承受內(nèi)部載荷作用，隨著時(shí)間推移易造成倉(cāng)壁損傷破壞。減少該力學(xué)作用的有效途徑是使用具有低摩擦阻力、高耐磨性、高抗沖擊性的倉(cāng)壁內(nèi)襯；加強(qiáng)防堵增滑裝備在井底煤倉(cāng)的使用。

3.1 倉(cāng)壁內(nèi)側(cè)設(shè)置耐磨、助滑及防撞擊內(nèi)襯

在井底煤倉(cāng)壁內(nèi)表面根據(jù)貯料的容重、粒徑、硬度、落料高度、進(jìn)出料方式及對(duì)漏斗壁光滑度的要求，設(shè)置相應(yīng)的耐磨、助滑及防撞擊層。隨著倉(cāng)壁內(nèi)襯材料進(jìn)一步的發(fā)展，采用內(nèi)襯體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，其形式主要表現(xiàn)為：由原先的軌枕、鋼板等型鋼到多晶材料、再到微晶陶瓷等，使材料的抗磨性、助滑、韌性均得到顯著提高，使用效果及服務(wù)年限均可達(dá)到滿意效果?，F(xiàn)階段滑動(dòng)接觸面多采用鐵鋼砂混凝土作為耐磨材料。如李家樓煤礦、干河煤礦、雙柳煤礦等均在井底煤倉(cāng)對(duì)下部漏斗口采用鐵鋼砂混凝土作為耐磨材料。李家樓煤礦井底煤倉(cāng)下漏斗口區(qū)域采用耐磨增滑材料情況見(jiàn)圖1.

圖1 井底煤倉(cāng)漏斗口耐磨材料設(shè)置情況圖

3.2 防堵倉(cāng)裝備應(yīng)用

目前常用的防堵倉(cāng)措施及裝備為：

1) 在井底煤倉(cāng)內(nèi)設(shè)置破拱裝置，如空氣炮，如圖1實(shí)例中空氣炮及預(yù)埋壓風(fēng)鋼管布置情況。

2) 借助工具機(jī)械或人工處理堵倉(cāng)事故。

3) 采用鉆機(jī)鉆孔破壞已堵塞煤倉(cāng)內(nèi)散體顆粒內(nèi)部形成的承載結(jié)構(gòu)。

4) 采用少量炸藥進(jìn)行微震爆破。

5) 井底煤倉(cāng)內(nèi)設(shè)置緩沖裝置，如防墜梁。

6) 其它防堵倉(cāng)設(shè)備的應(yīng)用，如緩沖槽等。

防止井底煤倉(cāng)發(fā)生堵倉(cāng)的裝備在煤礦實(shí)際發(fā)展中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，特別是研發(fā)低能耗、高效率的防堵裝備可有效防止或解決堵倉(cāng)問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率，保障礦井的正常運(yùn)行。

4 保證倉(cāng)壁強(qiáng)度及合理的倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)

4.1 適應(yīng)井底煤倉(cāng)卸載超壓的合理倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)

采用豎向可壓縮倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)是切實(shí)可行的方法，即“讓”的方法。我國(guó)目前尚未正式出臺(tái)煤礦井底煤倉(cāng)壁的設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)引起學(xué)者們及現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的重視。

由于井底煤倉(cāng)內(nèi)散體顆粒在卸料過(guò)程中倉(cāng)壁卸載超壓現(xiàn)象是客觀存在的，故在設(shè)計(jì)階段必須考慮適應(yīng)卸載超壓力學(xué)行為的合理井壁結(jié)構(gòu)。針對(duì)井底煤倉(cāng)工程具有在縱向穿越多層巖層的工程特性，因此需要對(duì)不同圍巖性質(zhì)分別采取相應(yīng)的控制技術(shù)，確定合理的倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)及形狀尺寸、合適的倉(cāng)壁支護(hù)厚度、有利的斷面形狀，而且針對(duì)不同圍巖可以采用不同斷面，有針對(duì)性地發(fā)揮倉(cāng)壁與圍巖共同承載作用，達(dá)到井底煤倉(cāng)壁的穩(wěn)定性控制目的。

4.2 減少倉(cāng)壁側(cè)壓力的控制技術(shù)措施探討

減少倉(cāng)壁側(cè)壓力技術(shù)手段主要體現(xiàn)在減少動(dòng)載沖擊及降低倉(cāng)壁的變形模量?jī)蓚€(gè)方面。減少動(dòng)載沖擊，主要通過(guò)合理控制煤炭顆粒流動(dòng)速度，井底煤倉(cāng)下口給煤機(jī)給煤量控制盡量保證均勻給料，避免頻繁波動(dòng)，保證井底煤倉(cāng)合理容量及設(shè)計(jì)尺寸等。降低倉(cāng)壁變形模量，即提高倉(cāng)壁與圍巖變形模量比可減少倉(cāng)壁側(cè)壓力，主要控制技術(shù)有:采用砌碹支護(hù)優(yōu)于錨噴支護(hù)；采用鋼筋混凝土支護(hù)優(yōu)于素混凝土支護(hù)；增加井底煤倉(cāng)壁的混凝土強(qiáng)度；合理采用耐磨助滑內(nèi)襯材料；采用合理的破拱裝備；盡量減少運(yùn)營(yíng)階段堵倉(cāng)次數(shù)對(duì)倉(cāng)壁的影響。

4.3 預(yù)應(yīng)力混凝土倉(cāng)壁應(yīng)用

圓形混凝土井底煤倉(cāng)壁通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋增強(qiáng)其穩(wěn)定性，預(yù)應(yīng)力鋼筋可分為無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力，有粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力及緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)采用無(wú)接頭鋼絲(鋼絲束)或鋼絞線。

預(yù)應(yīng)力混凝土倉(cāng)壁的發(fā)展為井底煤倉(cāng)壁穩(wěn)定性提供了新的發(fā)展方向，它通過(guò)對(duì)倉(cāng)壁施加預(yù)應(yīng)力，改變煤倉(cāng)工作過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)，有效解決了普通混凝土倉(cāng)壁強(qiáng)度不足的問(wèn)題，為今后進(jìn)一步提高井底煤倉(cāng)壁強(qiáng)度提供了一種切實(shí)可行且十分有效的途徑。

5 結(jié) 論

1) 加強(qiáng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)三期協(xié)調(diào)管控，是實(shí)現(xiàn)煤礦井底煤倉(cāng)壁穩(wěn)定性的基本保障。

2) 通過(guò)開(kāi)拓開(kāi)采階段的設(shè)計(jì)，將井底煤倉(cāng)布置于穩(wěn)定巖層中，對(duì)軟弱圍巖提前處理加固，合理設(shè)計(jì)倉(cāng)壁支護(hù)形式及支護(hù)強(qiáng)度等綜合控制手段，可改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)揮支護(hù)系統(tǒng)與圍巖共同作用來(lái)保證承載能力。

3) 防堵倉(cāng)及耐磨助滑材料及裝備的應(yīng)用，可有效減少倉(cāng)內(nèi)散體貯料顆粒流動(dòng)過(guò)程中的堵倉(cāng)現(xiàn)象，同時(shí)降低倉(cāng)壁承受動(dòng)載沖擊的現(xiàn)象。

4) 提高井底煤倉(cāng)壁自身承載強(qiáng)度及合理的倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)為控制倉(cāng)壁穩(wěn)定性的有效途徑。