全封闭煤棚施工技术研究

杨 威(山西煤炭运销集团长治有限公司, 山西 长治 046000)

1 前言

地面大型储煤场多是通过防风、防尘网、挡风板以及固定支架等连接形成挡风装置从而降低煤场表面风速，降低煤尘量，但是实际应用中环保效果并不显著[1-2]。随着国家对环境保护的重视不断增加，煤场由以往开放式、半开放式逐渐向全封闭式过渡[3]。全封闭煤棚可以从根本上消除煤尘对外界环境造成的不利影响，并降低风吹雨淋对煤炭造成的损伤，具有显著的应用价值[4]。现阶段全封闭煤棚施工技术主要有高空散装法、整体安装法、滑移拼装法以及折叠展开法等几种类型[5]。文中就对上述几种施工方法进行对比分析，以期能为矿井施工全封闭煤棚选择合适施工技术提供一定借鉴。

2 高空散装法

该方法是施工封闭式煤棚中最为常用技术方法，一般是在预先设定位置进行杆、件、单元块等拼接，通过利用空间网格杆体系拼装及拆分。根据支撑形式差异，高空散装法可细分为全支撑脚手架、无支架以及移动支架，在球面网壳全封闭煤棚施工过程中根据取料设备安装、网壳结构取料顺序差异，可以分为内扩法、外扩法[6-7]。

2.1 内扩法

当全封闭煤棚为球面网壳形式时需要在四周施工混凝土桩，随后依据人员配备以及材料进场情况确定输料机以及网壳结构施工顺序。球面网壳煤棚施工时需要根据实际情况确定选用内扩法或者外扩法。当需要先安装内部输料系统结构时采用内扩法进行施工，如福建某煤矿施工的干煤棚网壳施工采用内扩法，具体结构如图1所示。

图1 内扩法施工现场图

内扩法施工是按照由低向高、由外向内进行，具体施工工序：测量放线、外圈支撑支架安设→完成最下部第1圈网格施工→向内继续施工直至主体结构施工完成。内扩法具有施工工艺简单、费用低、使用大型设备少，对施工场地要求不高等优点，在球面网壳结构中应用较为广泛。但是采用内扩法施工时由于应力变化复杂会给施工质量造成一定的不利影响，文中就以某采用球面网壳的全封闭煤棚施工过程应力变化情况进行分析：采用内扩法施工时产生的应力来源于正在安装的一圈结构载荷，结构内力会随着施工逐渐积累，加之受到结构刚度影响，也会在已完成安装的结构内应力出现重新分布，因此造成整体结构施工完成后实际应力与设计时验算的应力存在较大差异，选用不同的施工方式应力分布也会有差异。

2.2 外扩法

外扩法施工与内扩法施工工序相反，其是由高到底、由中心向外围施工。当施工的全封闭煤棚需要先安装网壳结构时，通常施工方法选用外扩法，具体施工步骤：先在煤棚施工场地完成网壳结构最高部分安装→布置多跟把扒杆(布置数量根据实际需要确定)并通过缆风绳固定→提升至一定高度后再继续安装网壳→重复上述布置直至完成网壳施工。

内扩法改进后得到外扩法，通过比较内扩法、外扩法可以看出，外扩法结构拼接工作多是集中在地面，高空作业量明显降低，有助于提升施工主梁；外扩法中最后安装支座从而避免内扩法最先安装支座带来的安装误差。但是采用外扩法施工时对施工场地以及施工设备要求程度较高，网壳需要长时间吊装工作，对施工操作及施工设计有更严格要求。

3 整体安装法

该技术方法在地面施工场地完成拼装，依据采用的工程设备、移动方式差异可细分为整体提升、整体顶升以及整体吊装，根据现场情况不同的提升方式也会交叉使用，如山西某矿地面施工的煤棚为了便于施工便同时采用整体顶升、整体提升两种方式。采用整体安装法实现棚顶绝大数工作在地面完成，不仅可以降低支架搭设工程量而且可在确保工程质量前提下降低作业人员劳动强度及作业时间，但是整体安装法对作业场地、施工技术有更高要求，需要提前制定完善的施工作业方案，并实时监测网格提升移动过程。

3.1 整体提升法

整体提升法施工现场图如图2所示，该方法是先将网格在地面完成拼装，并通过升降螺杆、千斤顶等设备完成网格整体提升工作，具体如图3所示。随着自动化控制技术、计算机技术不断提升，先进的自动化控制液压提升系统在工业领域中应用逐渐增加，将其应用到网格整体提升中会显著增加提升精度及质量。具体整体提升法施工工艺流程：网格地面拼装→确定提升点并完成提升系统安装、调试→整体结构提升→拆除提升系统。

图2 整体提升法施工现场图

图3 整体提升法施工工艺示意图

整体提升法设备要求较整体顶升法、整体吊装法有所降低，多在施工场地受限制工程使用，对具有多点支撑的网格施工具有较好的应用效果。相对于采用高空散装法，整体提升法不需要搭设施工支架，高空作业工程量少，可以在一定程度上提升施工质量及施工效率。整体提升法施工过程中应注意对支架强度、稳定性监测、验算，并在后续支座安装过程中注意控制卸荷时应变影响。

3.2 整体顶升法

该技术方法是在指定位置布置顶升支架，通过千斤顶实现顶升工作，顶升施工中随着高度增加，施工难度逐渐加大，具体施工工艺如图4所示。整个顶升工作仅能在垂向方向进行，无法实现水平或者旋转移动，因此顶升点位置会影响整个顶升工程的施工质量及精度。具体采用顶升法施工技术流程：合理确定顶升点并完成拼装支架搭接→网格整体结构拼装→安装液压同步提升系统→结构顶升→顶升至预定位置后加装标准层→实时监测→升至设计高度后安装支座→拆除顶升系统及拼装支架。

图4 整体顶升法施工工艺示意图

在顶升过程中应特别注意以下环节：(1)在正常顶升前进行预顶升试验，顶升一定高度后悬停监测，将结构实际内力与设计验算时的结构力进行比对，确保无异常时方可进行正式定升。(2)顶升过程要注重质量控制，降低顶升过程中的误差，确保每个顶升点误差值在允许范围内，避免出现顶升点高度误差过大造成网格内附加应力过大[8]。

3.3 整体吊装法

整体吊装法使用到的工程设备包括有拔杆、起重机等，通过使用拔杆可以实现网格垂向以及水平位移，为后续的错位安装提供基础，该方法多用于场地受限无法进驻大型机械设备、施工工期紧张无法完成脚手架安装工程。在施工全封闭煤棚时由于施工场地受限制，往往不能实现原位垂直吊装，一般采用多根拔杆吊施工方式，如江西某电厂施工的全封闭煤棚网壳采用整体吊装法，将拨杆作为承重结构并将两混轮传动系统安装在网格结构上提供动力，随后进行整体吊装提升，具体施工工艺流程：确定吊点位置及拔杆规格→网格结构拼装→分次进行整体吊装并进行应力验算→空中位置调整并确保结构位置到位→吊装提升完成、拆除拔杆及辅助支架。通过使用多根拔杆可实现网络整体水平或者旋转移动，在吊装过程中为了确保拔杆稳定可采用缆风绳进行固定。

4 滑移拼装法

滑移拼装法现场施工如图5所示，该方法采用支架将部分地面拼装好的网格结构通过滑道运输至指定位置完成安装，逐条累积滑移拼装法是现阶段煤棚结构施工中常用技术方法，如北京华能电厂全封闭煤棚、山西焦化某全封闭煤棚、安全发电厂全封闭煤棚均是采用上述方法施工。具体滑移拼装法施工工艺流程：划分滑移块、确定滑移距离→按照要求布置滑移轨道(水平、侧向)→施工监测→调整网格结构位置并固定支撑支座→滑移轨道拆除。具体滑移拼装法网格施工工艺如图6所示。

图5 滑移拼装法现场施工图

图6 滑移拼装法网格施工工艺图

在滑动拼装法施工过程中应注意以下问题：(1)在布置滑移轨道时，水平轨道布置在下侧固定支架上、侧向轨道布置在侧向支架上。(2)对滑移距离实时测定，确保滑移单元移动距离在控制范围内。(3)对滑移阶段挠度、应力进行验算，特别是牵引力直接作用于网格结构部分，必要时进行加固。滑移拼装工作在高空中进行，因此网格结构可与土建过程平行进行，对于网格尺寸较大煤棚采用整体安装难度较大，可以采用滑移拼装法完成施工。

5 折叠展开法

对于净高、曲率较大网格结构，特别是煤棚中常用的球面网壳结构，采用传统的施工工艺存在结构应力超限、提升过程中容易出现偏心、安装精度及质量难以保证等问题，折叠展开法可有效解决上述问题，在新加坡国立体育馆等大跨度结构施工中均有成功应用。

折叠展开法首次应用是在2002年河南某干煤棚施工中应用，具体现场施工如图7所示，施工技术原理：在地面对顶棚拼装过程中去除杆件并添加铰结构连接，对顶棚部分块体折叠，不仅降低拼装难度而且使得网格结构变成可弯折结构，降低整体提升难度，提升到位后在拉伸并安装杆件使得顶棚转变成静定结构。整个施工工艺流程：顶棚结构划分→网格结构中采用铰结构连接→采用折叠机完成拼装→施工提升机及支架→网格结构整体提升→到位后增加安装杆件，完成体系转变。具体折叠展开法施工工艺如图8所示。

图7 折叠展开法现场施工图

图8 折叠展开法施工工艺

在折叠展开法施工过程中最为关键环节是铰节点确定以及提升过程动态监测，铰节点应仅能使得网格在水平方向位移而限制旋转，从而避免提升过程中出现转动而对施工造成不利影响，在实际施工过程中一般采用插销组成可动铰接。在施工过程中一般会在提升机两侧布置拉索，通过拉索应力控制提升结构自动度，从而避免出现瞬变或者水平移动显现。

6 结论

(1)高空散装法中的内扩法、外扩法在球面网壳结构全封闭煤棚施工中表现出明显优势，内扩法施工难度较小，对施工长度要求程度低、投资额度小；外扩法可显著缩短施工工期，并提升施工精度及安装质量。

(2)采用整体安装法可以降低支架搭设以及高空作业工程量，但是整体提升、整体顶升法仅可实现垂向移动，对采用的施工机械精度要求度高，在施工过程中应强化监测避免出现网格结构受力超限问题。

(3)在施工的煤棚网格跨度、尺寸较大时滑移拼装法具有较强的适应性，可显著降低工程施工难度，同时高空作业量及支架搭设量显著降低，土建与网格拼装可同步进行，降低工程施工耗时。

(4)在跨度、曲率大、矢量高等网格结构中采用折叠展开法施工可避免高空中整体安装中结构受力难以控制问题，通过布置合理的铰接点方可控制网格结构在提升过程中的自由度，整体的施工技术要求程度高。