采区煤仓穿越交叉巷道延伸改造设计及工程实践

刘 成，刘 叶，邓东杰，张晓亮

(1.山西介休义棠城峰煤业有限公司，山西 晋中 030600；2.太原市建筑设计研究院，山西 太原 030024；3.太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024)

采区煤仓在采区煤炭生产时起到中转运输功能和临时存储功能[1，2]，对整个矿井煤炭运输系统起到缓冲作用，尽量避免因主运输系统故障而影响采区正常的煤炭生产工作。随着采区延伸或生产能力的增加，现有采区煤仓常常不能满足正常的生产需要，因此需对现有的煤仓进行改造[3，4]。国内采区煤仓的改造多以对煤仓扩修为主，且改造或初次施工时通常不会穿越巷道或硐室，山西介休义棠城峰煤业有限公司对上组煤二采区原有采区煤仓进行穿越交叉巷道向上延伸改造工程，既保障了煤仓的稳定又满足了安全高效生产的要求。

1 工程概况

城峰公司为整合矿井，上组煤二采区采区煤仓为整合前小煤窑施工的小煤仓，存在煤仓容量小，运煤路线复杂等问题。随着上组煤二采区延伸和矿井产能的增大，原先的煤仓将制约二采区正常的生产施工，因此须进行改造。

原二采区煤仓上口位于二采区运输巷和010201运输巷交叉处，二采区煤仓上方18m为二采区运输上山(巷道内铺设带式输送机用于二采区煤炭运输)，巷道布置情况如图1所示，围岩以砂质泥岩和砂岩为主，为减少煤炭运输环节，计划向上延伸二采区煤仓至二采区运输上山，使得二采区的煤炭通过二采区运输上山直接进入二采区煤仓。考虑到010201运输巷和二采区运输巷目前都有煤炭运输任务，因此要求煤仓延伸改造工期不能太长，且须在新煤仓上预留两个进煤口，待010201运输巷和二采区运输巷密闭后封闭进煤口。

图1 巷道布置情况

2 煤仓改造设计

2.1 煤仓延伸段支护设计

原二采区煤仓上口直径为3m，混凝土支护，因需在短时间内完成延伸工程，因此对原采区煤仓上口尺寸、煤仓支护等原有结构不进行改造。在原有煤仓的基础上向上进行煤仓延伸，以起到增加煤仓容量和连接二采区运输上山的目的。煤仓向上延伸段总长度18.6m，分为5段：上口部分(A)、上部过渡段(B)、中间仓体(C)、下部过渡段(D)、连接段(F)，煤仓支护方案如图2所示。为使煤仓向上延伸段容量较大，上口直径2m，中间仓体直径4m，连接段尺寸与原二采区煤仓上口直径保持3m不变[5]，煤仓支护情况见表1。延伸段上口部位将长期受煤炭的冲击，因此采用浇筑混凝土支护，而仓体和上下过渡段为保证安全快速施工采用锚网喷支护[6-8，12-14]。

图2 煤仓支护方案(mm)

表1 煤仓支护情况表

锚网参数：锚杆为长度2000mm的左旋螺纹钢锚杆，直径18mm，锚杆间排距700mm×700mm，锚固长度950mm，使用1卷K2335和1卷Z2360树脂药卷锚固；锚固力不低于80kN，螺母扭矩不低于120N·m。锚索长度4200mm，直径17.8mm，间排距1500mm×1500mm，锚固长度1550mm，使用1卷K2335和2卷Z2360树脂药卷锚固，锚索张拉预紧力不低于120 kN，锚索托板规格为250mm×250mm×10mm钢板，锚索托板下方增加一个锚杆托盘。

喷射混凝土参数：厚度200mm，混凝土强度等级为C20；铺设双层钢筋网，型号为6#钢筋[10]，长宽为1000mm×2000mm，喷射混凝土施工后钢筋网不得外露，且钢筋保护层厚度不小于20mm，钢筋网搭接不少于100mm，采用16#铁丝绑扎，绑扎间距为200mm。

2.2 关键位置连接

为使二采区运输上山传递下来的煤炭堆积于原二采区煤仓的上口不破坏煤仓完整性，煤仓延伸段与原二采区煤仓的连接段设置钢筋混凝土侧壁，并于侧壁下部设置钢筋混凝土基础。普通煤仓仓壁四周都为实体煤岩体，储存的煤炭产生的荷载对仓壁的水平压力直接通过锚索或锚杆传递给煤岩体，保证仓壁能够安全工作；但本仓连接段须穿过010201运输巷和二采区运输巷交叉点处，煤仓此时存在自由块段，无煤岩体支撑[9]，需通过钢筋混凝土结构保证该连接段仓壁的安全性。

图3 计算简图

采用SCCT软件对煤仓连接段进行计算，利用单向板地下室外墙模块进行简化计算，软件中的外墙参数均采用连接段煤仓的参数，土体(岩体)相关参数用煤炭相关参数进行代替。连接段(F)仓壁的上端与(D)煤仓的仓壁连接，并且钢筋与仓壁的钢筋网绑扎，取单位宽度的连接段仓壁进行计算，仓壁可看作底端固接，顶端铰接的混凝土梁(单位宽度)。原煤的粒径一般为5～50mm，内摩擦角α取39.5°，煤对仓壁的水平压力属于主动压力，安全考虑，按静止岩石压力计算。侧压力系数K按式(1)计算，仓壁顶端以上煤炭的最大堆载高度为h1为13.378m，仓壁顶端的水平压力F1按式(2)计算，仓壁底端煤炭的水平压力为F2按式(3)计算，计算简图如图3所示，基本组合弯矩如图4所示，计算结果见表2，其中混凝土强度等级为C30。

图4 基本组合弯矩图(kN·m)

(1)

F1=Kγh1

(2)

F2=Kγ(h1+h2)

(3)

式中，γ为煤的容重，取15kN/m3；将各参数代入式(1)—(3)，计算得：F1=73.0kPa；F2=101.41kPa。

表2 计算结果

鉴于该煤仓的使用年限不超过17.58a(矿井服务年限)，且无地下水，同时煤炭对渗透水分含量的要求不高，连接段煤仓仓壁的裂缝宽度按不超过0.3mm控制，可以满足使用要求。

因010201运输巷和二采区运输巷底板均为岩石，连接段的仓壁坐落其上，可认为在上部煤炭水平压力的作用下，仓壁基础不存在地基承载力不足的情况，即地基承载力很高。为满足基础对仓壁的固接边界条件，取基础厚度不小于600mm，同时条形基础的上坡度不宜大于1∶3，取基础长度为1m，根据最小配筋率进行配筋可满足使用要求。

图5 煤仓连接段配筋图(mm)

连接段仓壁的设计结果如图5所示；仓壁开洞作为进煤口，尺寸为1m×1m；为便于施工，洞口周边采用加强筋的方式进行加强支护[11]，配筋方式如图6所示。

图6 进煤口配筋图(mm)

3 工程实践

3.1 施工前准备

煤仓延伸前为避免煤仓施工对其穿越的交叉巷道产生影响，因此将010201运输巷和二采区运输巷在煤仓外10m范围使用U型钢(25U)棚架加强支护。

煤仓延伸工程首先使用反井钻机施工一个直径1.4m的反井作为溜矸通道[15]，使得煤仓扩大期间的矸石能直接进入到原二采区煤仓中，以解决施工期间矸石运输问题。煤仓仓体施工前在其上方安装绞车、吊桶等设备作为扩大反井的工器具、材料的起吊装置。延伸段上口安装栅栏和封口盘，延伸段下口安装护栏，防止施工期间人员通过受伤。

3.2 施工方法

从上向下的顺序进行煤仓刷大，按照设计的煤仓直径使用钻爆法结合风镐开挖的方式进行刷大施工，产生的矸石通过反井进入原二采区煤仓运至地面。煤仓仓体主要采用“锚杆+锚索+双层金属网+喷射混凝土”支护，当循环进度达到1.4m后立即施工锚杆，并及时施工锚索并进行喷射混凝土。连接段的施工为保证断面足够应先施工“锚杆+锚索”，然后对连接段进行整体浇筑。浇筑的混凝土不得出现蜂窝麻面等现象，且须进行浇水养护，预留出煤口的位置可以微调，但其宽和高严禁大于1m。

4 结 论

改造工程共用时约45d，改造后的煤仓经过近半年的运行，获得了理想的效果，满足了二采区生产的需要，取得了较好的经济效益。

1)通过利用SCCT软件进行的配筋计算能够获得钢筋混凝土穿过交叉巷道的参数，能够使煤仓延伸时安全通过交叉巷道影响区域。

2)改造采区煤仓时向上延伸煤仓不仅能增加煤仓容量也能优化煤炭运输系统，是快速改造煤仓的一种有效的方法。