固體物料大垂深投料運送系統(tǒng)設(shè)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(qū) 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(yè)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(jié)塊，影響混凝土墻的可靠性和墻體質(zhì)量。通過從地面開挖建設(shè)1個垂直鉆孔投料系統(tǒng)，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(qū)大巷附近，通過盤區(qū)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(huán)節(jié)，縮短了運料時間，保證混凝土墻的澆筑質(zhì)量。

1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)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(jīng)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(jù)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(tǒng)情況，確定投料管內(nèi)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(cè)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(nèi)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(zhì)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(jié)合投料，通過理論計算及廣泛調(diào)研，確定了投料管的外徑為377 mm，投料管由兩層材料構(gòu)成，內(nèi)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(xiàn)“卡管”現(xiàn)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(wěn)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(shè)計是否合理[3]。根據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)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(guān)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(shù)據(jù)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(shè)計值為205 MPa.

采用“荷載-結(jié)構(gòu)”設(shè)計方法，依據(jù)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(shè)計值，N/mm2，分別取30 MPa和205 MPa；v為荷載安全系數(shù)，取2.4；hc為充填層厚度設(shè)計值，mm.

將數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(xù)下料堵管時，根據(jù)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(shù)據(jù)可得：

根據(jù)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(zhì)量，為1 650 kg.

帶入數(shù)據(jù)可得：

沖擊力產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)可存36.1 m3料)發(fā)生在管底部，整管料沖擊力產(chǎn)生的最大壓強為：

式中：∑m為滿管干料的質(zhì)量。

基于彈性理論，投料管內(nèi)壓在投料管管壁產(chǎn)生徑向壓力和切向拉力，圖2所示投料管內(nèi)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(shù)據(jù)帶入，計算可得：

式中負號表示管壁受拉。

在GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中，Q235的抗拉強度設(shè)計值為205 MPa，堵管時干料產(chǎn)生的最大切向拉應力為54.75 MPa，安全系數(shù)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(jié)力分析

本節(jié)驗算水泥漿對投料管產(chǎn)生的粘結(jié)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(chǎn)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(jù)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(jié)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(nèi)徑，取0.171 5 m.

帶入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)帶入得：

f=G料=0.09×1 650×10=1.5 kN

最后驗算粘結(jié)力，計算如下：

F粘=P·S

(9)

式中：P為粘結(jié)強度，取7 MPa；S為管外壁表面積，取1.18 m2.

將數(shù)據(jù)帶入得:

F粘=P·S=7×106×1.18=8.26×103kN

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

3 結(jié) 語

1) 通過理論計算，在地面打設(shè)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(jié)省了人力、物力、財力，保證了沿空留巷用料質(zhì)量，提高了沿空留巷工程質(zhì)量，從而保證了礦井安全生產(chǎn)。

2) 固體物料大垂深快速投運系統(tǒng)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。