功能性復(fù)合襯板在原煤倉中的應(yīng)用

王振林，宋金秀，賈云吉，岳彩坤，賈培祥，范忠杰

(1.山西金信建筑工程有限公司，山西 太原 030053；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限公司，陜西 西安 710054；3.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120；4.安徽鑫永晟微晶材料有限公司，安徽 滁州 239000)

近年來，煤礦產(chǎn)能不斷增高，原煤倉設(shè)計(jì)容積亦隨之大。倉體的增高，使倉頂卸料時(shí)物料勢(shì)能增大，接觸倉體時(shí)沖量增大，原煤倉結(jié)構(gòu)易受到嚴(yán)重的沖擊、磨損，這是常規(guī)的防護(hù)襯板損毀的主要原因；當(dāng)防護(hù)襯板損毀后，結(jié)構(gòu)層的混凝土暴露受損，在原煤含酸性水的作用下會(huì)加快結(jié)構(gòu)層損毀。若原煤中硫含量大于1%，在水和氧的作用下生成亞硫酸，對(duì)鋼筋混凝土易產(chǎn)生碳化作用[1]，混凝土碳化后表面凹凸不平，增加原煤流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力和含水粉煤的粘結(jié)力，這是煤倉“棚堵”的誘因，特別當(dāng)停產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，易形成“棚堵”。

1 原煤倉運(yùn)行時(shí)存在的問題

1.1 原煤倉的沖擊問題

在《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50077—2017)第6.6節(jié)[2]和《煤炭工業(yè)半地下儲(chǔ)倉建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50874—2013)第5.3節(jié)[3]中，對(duì)于倉壁、分煤梁和漏斗的防護(hù)襯板都有詳盡的設(shè)計(jì)規(guī)定，如敷設(shè)壓延微晶板、鑄石板、水泥基耐磨材料、耐磨鋼板或鋼軌等。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都有規(guī)定，物料不得直接沖擊倉壁，但由于使用不當(dāng)或設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的誤差還是會(huì)造成局部沖擊破壞。

大煤塊和矸石落煤點(diǎn)處的倉壁及漏斗壁上，硅酸鹽類型的材料基本上都已脫落損壞；金屬類材料如軌道鋼在焊接處銹蝕嚴(yán)重，甚至斷裂損毀。這些損壞的內(nèi)襯材料堵住漏斗口，或從漏斗口落下撕毀輸煤膠帶，造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至安全事故。

1.2 原煤倉“棚堵”

1)煤倉底部沖擊點(diǎn)部位是形成“棚堵”的因素。防護(hù)襯板沒有損毀脫落時(shí)，雖然防護(hù)襯板易粘連含水分的煤泥，但在沖擊力的作用下，粘性原煤不會(huì)滯留在襯板上；而當(dāng)防護(hù)襯板不能抵御強(qiáng)烈沖擊脫落時(shí)，逐漸沖擊損毀混凝土的結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)受損的混凝土在酸性水的作用下形成凹凸不平的接觸面，原煤流動(dòng)阻力增大，粘性煤泥和混凝土殼體粘結(jié)比較牢固，下道工序停止工作時(shí)(比如洗煤廠停產(chǎn)檢修)，煤倉中還有部分原煤，頂部的原煤繼續(xù)進(jìn)入煤倉，此時(shí)的煤倉就是一個(gè)儲(chǔ)煤容器，大塊的煤塊和矸石在勢(shì)能的作用下，對(duì)于滯留在煤倉底部原煤形成了夯實(shí)的效果，在倉壁混凝土損毀阻力增大的雙重作用下形成了“棚煤”和“堵煤”。所以在直接和二次沖擊落煤點(diǎn)，設(shè)計(jì)安裝高抗沖擊性能襯板是必要的。

2)煤倉非直接和二次沖擊落煤點(diǎn)形成煤倉“棚堵”的因素。原煤倉底部斜坡面雖然不是直接和二次沖擊點(diǎn)，但如果防護(hù)襯板的摩擦系數(shù)不夠小，粘性煤泥吸附在防護(hù)襯板上很難滑動(dòng)溜走，隨著煤倉儲(chǔ)煤量升高，粘性煤泥壓縮結(jié)板后與襯板粘結(jié)更加牢固，在清理煤倉時(shí)高壓水槍和風(fēng)鎬清理效果不佳，在貴州盤江煤電集團(tuán)老屋基洗煤廠，曾發(fā)生過清理原煤倉放炮造成三人傷亡的重大事故，其主要原因就是防護(hù)襯板摩擦阻力大。

1.3 井下煤倉圍巖塌陷

井下原煤倉沒有足夠抗沖擊強(qiáng)度的防護(hù)襯板，在大煤塊、矸石的直接和二次沖擊下，防護(hù)襯板損毀后，倉壁鋼筋混凝土暴露在沖擊面上，加之煤倉圍巖長(zhǎng)期受剪脹擴(kuò)容、沖擊和蠕變作用，圍巖中空隙或裂隙的酸性水溢出，加速倉壁混凝土強(qiáng)度的下降，從而造成煤倉圍巖的塌陷[4]。

實(shí)例一：陜西建新煤化有限公司井下原煤倉，直徑7m，高34m，采用38kg/m的軌道鋼在倉底鋪砌，運(yùn)行幾年來發(fā)生多次鋼軌脫落堵住漏斗口和撕毀膠帶1100m的安全生產(chǎn)施工，井筒內(nèi)圍巖塌陷高15m，寬2.5m，最深處1.5m。

實(shí)例二：中鋁寧夏銀洞溝煤礦1340井下煤倉直徑8m，高34.5m，運(yùn)行四年后井口運(yùn)輸膠帶電機(jī)基座和井口下沉，距離井口6.5m處是原煤入井煤塊的直接沖擊落煤點(diǎn)，塌陷深度1.5～1.8m，寬度2～2.5m，高26m，漏斗口棚煤堵煤，倉壁粘結(jié)原煤嚴(yán)重，儲(chǔ)煤容積減少30%之多。

實(shí)例三：納林河2號(hào)礦井下溜煤眼，直徑5m，高15m，由于該礦煤矸石主成分是變質(zhì)大理巖，矸石硬度高、比重大、致密狀構(gòu)造，顯現(xiàn)的矸石塊狀棱角分明，具有較強(qiáng)的沖擊破壞力，倉內(nèi)結(jié)構(gòu)層的鋼筋損毀嚴(yán)重，在斜坡與立壁的結(jié)合處，圍巖塌陷被損毀1m之多。

實(shí)例四：霍州煤電集團(tuán)干河煤礦井底煤凈直徑7m，高度47.39m，容量1700m3，運(yùn)行幾年后分別在直接沖擊和二次沖擊落煤點(diǎn)(由于直徑7m，高47m，二次落煤點(diǎn)都是在倉壁上)，破損垮塌段垂高18m，圍巖垮塌體積1100m3，最大垮塌縱深5m(原直徑7m)、高7～8m[4]。

2 功能性襯板設(shè)計(jì)與安裝

2.1 倉壁沖擊部位的確定

對(duì)于頂部給料的原煤倉，倉壁不同部位受到?jīng)_擊、磨損、腐蝕和“棚堵”的程度也不同。原煤倉維修時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)考察倉壁損毀情況，可以確定落煤沖擊點(diǎn)的部位。新建原煤倉可以通過原煤入倉方式、速度和煤倉結(jié)構(gòu)計(jì)算直接沖擊落煤點(diǎn)和二次沖擊落煤點(diǎn)。例如：某井下原煤倉直徑10m，煤倉高度35m，底部十字分煤梁分成四個(gè)漏斗口，假設(shè)原煤由西向東以4m/s的速度從原煤倉頂部中心位置落入煤倉，可知煤塊直接撞擊東面?zhèn)}壁時(shí)t=1.25s，直接沖擊點(diǎn)位置，由自由落體公式h=1/2gt2=7.66m。由于煤塊在直接落料點(diǎn)被反彈時(shí)，反彈向西的速度小于4m/s，由于直接落料點(diǎn)到二次落料的水平距離是10m(原煤倉的直徑)，煤倉垂直高度是35m，自由落體需要2.67s，減去直接沖擊倉壁下落時(shí)間1.25s，還有1.42s，仍以最大值4m/s計(jì)算得5.68m，可見二次落料點(diǎn)部位在分煤梁的部位，與實(shí)際損毀煤倉的部位是吻合的。

2.2 功能性襯板

2.2.1 預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板

預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板的功能是解決原煤倉落料點(diǎn)沖擊問題。利用金屬的韌性好、陶瓷耐磨耐腐蝕優(yōu)越性能，采用消失模鑄造工藝，設(shè)計(jì)一種“九宮格”的形狀，九宮格的框架是消失模材料EPC，宮格內(nèi)放置陶瓷板，當(dāng)1400℃左右鋼水澆鑄取代EPC后，鋼水冷卻成鋼板時(shí)有1%～1.2%的體積收縮，這將對(duì)陶瓷板產(chǎn)生壓應(yīng)力，稱之為預(yù)應(yīng)力，鋼板產(chǎn)生抗拉力，一般取鋼板的抗拉力的60%～70%作為對(duì)陶瓷板的預(yù)應(yīng)力，陶瓷獲得預(yù)應(yīng)力后沖擊強(qiáng)度可提高20～40倍[5]，新技術(shù)工藝生產(chǎn)的金屬與陶瓷復(fù)合襯板，取名為預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板，能夠抵御原煤倉矸石的直接和二次沖擊，預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷具有抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕的功能性復(fù)合襯板。預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。當(dāng)合金鋼鋼水冷卻收縮時(shí)對(duì)耐磨陶瓷產(chǎn)生20～30MPa壓應(yīng)力，即為預(yù)應(yīng)力。試驗(yàn)表明，在預(yù)應(yīng)力作用下，耐磨陶瓷的抗沖擊強(qiáng)度提高20～40倍[5，6]。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，建立的預(yù)應(yīng)力與陶瓷襯板的數(shù)學(xué)模型[7]：

y=8.52x2.5286×10-5

(1)

上述模型很好地把金屬材料的抗拉強(qiáng)度、鑄鋼板收縮率產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力、鑄鋼板的截面積和微晶陶瓷外形尺寸聯(lián)系起來，為生產(chǎn)各種性能指標(biāo)的預(yù)應(yīng)力金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板，為設(shè)計(jì)參數(shù)提供了一種計(jì)算方法。

通過實(shí)驗(yàn)室沖擊試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的散點(diǎn)圖可知，正方形的微晶陶瓷塊，獲得預(yù)應(yīng)力時(shí)抗沖擊強(qiáng)度(用落球法試驗(yàn))與預(yù)應(yīng)力的符合指數(shù)函數(shù)y=a×expbx。

當(dāng)x=0時(shí)，表示微晶陶瓷沒有獲得預(yù)應(yīng)力，此時(shí)的微晶陶瓷抗沖擊強(qiáng)度y=a×exp0=1.1g(g=9.8m/s2)得：a=1.1g。

當(dāng)x=8.4MPa時(shí)，y=4g，計(jì)算得：b=0.154。

y=1.1g×exp0.154x

(2)

當(dāng)x=23.6時(shí)代入(2)式，得y=41.67g，與驗(yàn)證試驗(yàn)43g(5kg鋼球，8.6m的落球試驗(yàn))相符。

2.2.2 金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板

金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板的功能是解決煤倉掛壁“棚堵”問題。微晶玻璃是采用玻璃的方法生產(chǎn)的陶瓷，故稱之為微晶陶瓷，微晶陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是耐磨、耐腐，由于基礎(chǔ)組成是硅酸鹽，在形成多晶相微晶陶瓷時(shí)，表面形成殘留二氧化硅共價(jià)鍵，對(duì)于極性水分子具有很強(qiáng)的化學(xué)吸附力，所以微晶陶瓷的表面在有水的環(huán)境中，能夠形成一層100～300μm“水膜”[7]，“水膜”層起到流動(dòng)物料和微晶陶瓷隔離的作用，含水煤泥不粘結(jié)襯板，解決了原煤倉“棚堵”問題，采用鋼板焊接成“九宮格”，微晶陶瓷采用有機(jī)膠泥粘結(jié)鑲嵌在宮格內(nèi)，微晶陶瓷板切割成120mm×120mm×16mm(微晶陶瓷不能采用預(yù)應(yīng)力鑄造工藝，是因?yàn)槲⒕沾蔁釠_擊性能沒有陶瓷好)，金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板具有抗沖擊和防粘性物料“棚堵”的功能，修復(fù)后的原煤倉和中轉(zhuǎn)倉解決了原煤掛壁問題[8-11]。

2.2.3 襯板性能指標(biāo)

各種襯板性能指標(biāo)見表2。預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板抗沖擊強(qiáng)度計(jì)算，通過國(guó)家建材檢測(cè)中心驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果[6]，試驗(yàn)用鋼球質(zhì)量5kg，直徑0.107m，鋼球從8.6m高處自由落體沖擊到預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板上，在預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯板沖擊處產(chǎn)生一凹坑，球冠直徑0.03m，計(jì)算得出球冠高s=0.00215m：

表2 復(fù)合襯板功能性指標(biāo)

1)鋼球沖擊襯板時(shí)的動(dòng)能：Ek=hmg=421.4J。

4)鋼球沖擊復(fù)合襯板的沖擊力：F=am=195907N。

5)襯板被沖擊凹形球冠面積：s=2πhR=0.0007.224m2=7.224cm2。

6)襯板受到鋼球的沖擊強(qiáng)度：P=F/S=195907/7.224=27119N/cm2=271MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，210kg煤塊，從62m高處自由落體沖擊襯板，沖擊襯板的強(qiáng)度是12.54MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)應(yīng)力金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板抗沖擊強(qiáng)度的270MPa。雖然也小于金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板27MPa，但不建議在直接和二次沖擊點(diǎn)采用金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板，這是因?yàn)榻?jīng)常性沖擊金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板，還是容易沖擊破壞復(fù)合襯板中的微晶陶瓷，所以在直接和二次沖擊落料點(diǎn)采用預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板是比較恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2.2.4 沖擊點(diǎn)襯板凹弧面設(shè)計(jì)安裝

預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板可以視為剛性材料，當(dāng)矸石沖擊復(fù)合襯板時(shí)產(chǎn)生彈性碰撞(假設(shè)矸石碰撞后沒有破碎，不失一般性)，碰撞受力過程是襯板把沖擊動(dòng)能釋放在背后倉壁混凝土中，混凝土受到的作用力是抗壓力，碰撞后期是混凝土受力面積給予復(fù)合襯板的反作用力，襯板的背面受到的是抗壓力，所以把復(fù)合襯板設(shè)計(jì)安裝成凹弧面，當(dāng)襯板背面的混凝土產(chǎn)生反作用力時(shí)，襯板形成了拱形頂面抗壓受力，受力襯板所承受的壓力釋放給相鄰連結(jié)的襯板中，襯板與襯板之間的連接螺栓不產(chǎn)生剪切破壞力[13，14]。

在表2中復(fù)合襯板規(guī)格一欄，預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板設(shè)計(jì)為等腰梯形，梯形的規(guī)格可以圍成下料漏斗圓臺(tái)，圓臺(tái)的傾斜角在60°～70°都可以圍成，如果把等腰梯形顛倒安裝，正好圍成直徑10m的圓筒倉的直段部分，這是襯板背面比正面寬4mm的計(jì)算依據(jù)，當(dāng)沖擊面寬為1600mm的平面時(shí)，可圍成的凹弧面的冠高是65mm，沖擊襯板在反作用力作用下由拱形受力釋放。

3 復(fù)合襯板的安裝方法

復(fù)合襯板設(shè)計(jì)理念包括：①整體性，每個(gè)單元的復(fù)合襯板必須相鄰襯板連接，復(fù)合襯板采用螺栓和焊接兩種方式連接，用直徑20～25mm螺紋鋼，一端焊接在襯板的連接板上，另一端焊接在殼體混凝土的鋼筋上，形成復(fù)合襯板的整體連接；②密實(shí)性，襯板與倉壁留有不小于50mm的間隙，每安裝一層用微晶陶瓷澆筑料澆注在襯板與倉壁的結(jié)合層中，搗鼓密實(shí)，襯板背后的澆筑料不得有空洞，倉壁處密實(shí)結(jié)合不得有圍巖水滲出；③凹弧面，在同一層襯板安裝時(shí)，襯板必須形成一個(gè)凹弧面，襯板設(shè)計(jì)背面比正面寬4mm，兩襯板間形成的角度控制在2°～4°為宜，襯板形成拱形受力；④直接和二次沖擊點(diǎn)采用預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板，主要是解決抗沖擊問題，非沖擊點(diǎn)采用金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板，主要是解決“棚堵”和沖擊問題。

3.1 搶修工程

根據(jù)倉壁損毀的情況，制定切實(shí)可行的施工方案，結(jié)構(gòu)層損毀的部位鋼筋補(bǔ)上焊接牢固，復(fù)合襯板與結(jié)構(gòu)層鋼筋焊接固定后澆筑微晶陶瓷澆注料，盡可能在損毀嚴(yán)重部位優(yōu)先施工，比如沖擊點(diǎn)和分煤梁都是損毀嚴(yán)重的部位，這些部位澆筑的澆注料均大于50mm，澆注料需要48h固化后才能投入使用，這樣安排可以做到施工驗(yàn)收結(jié)束即可投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

當(dāng)沖擊落料點(diǎn)是平面時(shí)，復(fù)合襯板安裝必須形成凹弧面，襯板后面的混凝土抵御抗壓強(qiáng)度，矸石與復(fù)合襯板屬于彈性碰撞，碰撞過程的動(dòng)能釋放后，復(fù)合襯板將產(chǎn)生一個(gè)彈性力，這個(gè)力釋放在凹弧面時(shí)相當(dāng)于拱形受力，襯板之間是抗壓作用力，襯板之間的連接螺栓沒有承受剪切力，所以這種安裝設(shè)計(jì)可延長(zhǎng)連接螺栓的使用壽命。

3.2 新建倉施工

利用復(fù)合襯板作為支護(hù)模板，倉壁混凝土鋼筋布筋結(jié)束后，安裝復(fù)合襯板，襯板與混凝土鋼筋的間距控制在混凝土保護(hù)層的范圍，原則上按設(shè)計(jì)圖紙要求，一般在40～60mm，用直徑20～25mm的螺紋鋼一端焊接在襯板的連接螺栓上，另一端焊接在混凝土受力鋼筋上(井下煤倉焊接在倉壁圍巖的錨桿上)。在平面沖擊落料點(diǎn)安裝襯板時(shí)必須形成一個(gè)凹弧面。新建倉利用復(fù)合襯板當(dāng)作預(yù)制模板，復(fù)合襯板與混凝土的結(jié)構(gòu)鋼筋連接強(qiáng)度更好，連接整體性更好，且其與筒倉混凝土密實(shí)性更好。

3.3 分煤梁施工

分煤梁頂部做成寬為500～600mm的平頂，梁的頂部安裝形成凹面向上的弧形，由于頂部曲面上能集留一些物料，形成料打料后緩沖矸石直接沖擊分煤梁襯板；分煤梁的兩邊為梯形平面，安裝時(shí)每層需要形成凹形弧面。

沖擊面安裝成凹形弧面，襯板受沖擊時(shí)以抗壓的方式是放在結(jié)合層的混凝土上，反作用力襯板承受的是拱形受力，反作用力是放在拱角上，保護(hù)了襯板之間連接螺栓不會(huì)受到剪切破壞力。

4 結(jié) 語

預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板具有良好的抗沖擊能力，抗拉強(qiáng)度不小于500MPa，金屬板寬15～20mm，延伸率10%～15%；微晶陶瓷急冷急熱性能好，落球沖擊強(qiáng)度大于1g，鑄石板和壓延微晶落球沖擊強(qiáng)度0.3～0.5g，微晶陶瓷的長(zhǎng)寬120～140mm時(shí)可獲得20～40MPa的預(yù)應(yīng)力；生產(chǎn)出來的預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷襯板可提高40～60g的落球沖擊強(qiáng)度。筆者總結(jié)近幾年相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出采用預(yù)應(yīng)力金屬陶瓷復(fù)合襯板、金屬微晶陶瓷復(fù)合襯板，可經(jīng)濟(jì)可靠地解決原煤倉沖擊、“棚堵”、磨損、腐蝕和井下圍巖塌陷等問題。