井下煤仓下口结构设计改进

唐德玉

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

井下煤仓是煤矿井下用于煤炭储存、调节运输环节矛盾的重要结构物，处于煤矿连续生产的关键线路上，一旦破坏、堵塞，势必影响矿井生产的连续性。多年来，围绕煤仓破坏机理、仓底结构、修复方案，相关专家和单位不断地研究，对这些问题的解决方案虽日渐完善，但还未充分地体现到施工图设计中。在主持过各种煤仓修复，又经过多个煤仓设计后，笔者认为，与主要受到摩擦破坏的粉末仓不同，煤仓的破坏主要是因为煤流对煤仓的冲击破坏[1]，即空仓和煤岩块冲击，是导致煤仓下口破坏的主要原因，同时对下口斜面上空气炮出气口的破坏也不可避免[2-6]。因此，在煤仓施工图设计阶段需要解决以下问题：一是寻求延长煤仓使用周期，在煤仓斜面受到破坏后，还能维持煤仓继续使用，不影响煤矿连续生产；二是避免空气炮出气口的破坏，保持空气炮长期有效等。近年来，笔者在煤仓设计中，在煤仓下口布置方式、仓底结构、空气炮设置位置及保护方式等方面，改进了传统设计方案，延长了煤仓使用寿命，避免了安全威胁[7-15]。

1 煤仓下口布置方式的改进

1.1 传统布置方式

传统设计煤仓下口部分锥台体暴露于装载硐室中，仓底结构一般为钢筋混凝土结构，内表面一般铺设钢轨、钢板、铸铁块、砌辉绿岩铸石板、石英混凝土或铁屑混凝土。在形式上还有锥台式、双曲线煤仓漏斗等，如图1(a)所示。在空仓情况下，嵌入混凝土中的钢轨易受冲击而松动脱落或冲击磨蚀；钢板经磨蚀、冲击后卷曲；铁屑混凝土在冲击作用下，易发生破裂、脱落。双曲线漏斗虽可解决堵仓问题，但破坏后更难修理。现场的实际破坏情况是：下部收口部分被煤流击穿后，即使使用木板从外部封堵，但仍有煤从缝隙中冲出，对装载硐室中的设备和操作人员造成安全隐患；虽然在节日检修期间使用槽钢镶嵌钢轨的办法进行修复，但仍易被重复破坏。

1.2 改进后布置方式

现场煤仓修复时，观察煤仓收口的破坏部位，与煤流方向、煤流抛物线冲击位置基本一致，即煤仓下口往往是空仓时受冲击破坏，且破坏部位集中，形状为小范围的凹形，在仓壁击穿前，不影响煤仓正常使用，可维持煤矿的连续生产，在煤矿节假日集中停产检修期间，利用较短的时间集中力量进行简单修复。但若击穿，修复过程复杂，在几天内很难彻底修复。

为解决击穿问题，设计改进了煤仓下口，如图1(b)所示，煤仓下口均位于装载硐室顶板之上，即使仓壁击穿后，仍有充填混凝土作为硐室的保护，使煤流不会冲入装载硐室，不会影响人员和设备安全，利于从容安排维修时间，避免矿井意外停产检修。

2 煤仓仓口保护结构的改进

改进前，处于装载硐室内的煤仓下口，其支护结构与硐室上方部分相同，普通的钢筋混凝土结构和内表面的保护材料，防冲击性能均较弱，在保护材料被冲击剥离后，钢筋混凝土受冲击极易破坏。因此，即使在对煤仓下口的布置形式做了改进，仍应加强仓口的结构，增强防冲击性能，设计中采取了以下改进措施。

2.1 收口段布置工字钢框架

如上所述，即使煤仓下口内部仓壁局部受冲击破坏，只要仓壁不被穿透，煤流便不会冲出煤仓，避免影响到装载硐室内人员和设备安全，可继续使用煤仓至节假日等例行检修时间。为此，对暴露于装载硐室的煤仓下口及其以上部分，使用能抗强冲击的工字钢框架进行保护，如图2所示。钢梁框架结构能延长煤仓使用寿命，硐室顶板起到煤仓仓壁破坏后的二次保护作用，保证了装载硐室内人员设备的安全。

设计钢梁框架结构一般采用32号工字钢，螺栓连接。托梁布置应易加工安装，由煤仓下口标高开始，沿硐室顶部穿横梁，两边深入至硐室墙体内；沿硐室方向的包围仓口的梁用螺栓夹板固定于横梁上。沿下口斜面向上可多层布置，形成倒台形钢梁框架结构。而后绑筋浇注混凝土形成煤仓下口围护结构。

其优点是：①工字钢框架整体性好，能够整体受力；②工字钢的抗煤流冲击性较钢筋混凝土强；③钢梁框架与钢筋混凝土为一整体，弥补了内表面镶嵌材料易被剥离的缺点；④超挖部分充填的混凝土，也比原岩体的抗冲击性好。

2.2 加大装载硐室顶板的支护厚度

为进一步加强装载硐室安全性，增加装载硐室顶部支护厚度，一般为墙部支护厚度2倍，防止仓口结构局部破坏后，造成硐室顶部破坏。

当硐室断面较大时，可在装载硐室顶部穿工字钢梁加强支护。一般情况下，采用与收口工字钢框架相同型号的工字钢，以便于备料加工。

2.3 与装载硐室及设备的关系

煤仓下口结构改进后，降低了装载硐室的高度，硐室内仓口周边原能通过行人的通道、安装空气炮等设备的空间及检修空间被封闭，使得工作空间变得狭窄，需要对原有的设备布置和人行通道作出合理安排。在设计中，采取了将空气炮移位的措施，其它设备尽量不与煤仓下口发生连接关系。如果装载硐室内设备高度过低，需由其它专业配合对装载设备进行适当改造，保证硐室有足够的检修空间。

3 空气炮的布置和保护

3.1 空气炮的布置位置

煤仓内的煤炭受重力影响向仓口运动，煤块之间的摩擦力和煤块与仓壁之间的摩擦力阻碍其向下运动，当后者大于前者时，会导致煤块的粘结、起拱，造成煤仓堵塞，影响煤矿连续生产。研究和经验表明，结拱部位一般在煤仓下口上方约2m的地方[2]，这一部位位于垂直仓壁与锥形料斗结合部以下[3]，即位于变断面下方，空气炮大多布置在这个范围内。资料表明，空气炮的爆破当量为900J/L时，每个喷嘴的作用范围大约为R=1～1.5m的球形[3]。

笔者观察发现：在处理煤仓破坏、矸石仓堵塞等事故时，在直径稍大的煤仓、矸石仓变断面处，普遍存在三角区煤矸粘结问题，有的向内扩展较大，造成过流截面收窄，并极易在此范围造成堵塞，有时由于大块或长大材料流入煤仓，也会导致煤仓堵塞，这些堵塞部位更显著高于上述部位。以往，空气炮布置位置往往靠下，对结拱位置较高的堵塞不能发挥作用。同时，空气炮出气口在设计时即为扁形，仅用槽钢或角钢保护，修复煤仓时已经观察不到保护物，被煤矸冲击的出气口，有的几近闭合，此种布置造成出气口出气量小，或者出不了气，无法起到冲击破拱作用。

现场观察还发现，煤仓下口斜面的四条交面线处，是煤粉、矸石粉容易粘结在仓壁上的区域，堵塞体往往由此向中间发展，故将空气炮出口设置在此位置，在日常空仓时，经常启动空气炮消除这些粘结物，便可以扩大过流截面避免堵仓。

因此，在煤仓设计时，将空气炮出口设置在变断面处或变断面上方，如图3所示，一方面使之位于可能的起拱体内部，使能量不至于无效散失，另一方面空气炮避开斜面防止出气口被砸坏，同时也能避免出气口被煤粉堵塞。

图3 空气炮布置位置

3.2 空气炮出气口的保护

即使改进了出气口的位置，由布置在易遭冲击的斜面处移至直立部分，但为了避免砸坏、堵塞，在其上方仍应加强保护，如图4所示。

图4 空气炮管口保护(mm)

空气炮出气口尽量靠近斜立交面线，常规将出气口布置在斜面上时，其出气方向与水平线的夹角一般为15°[3]，改进后将出气口布置在立面，这一角度能达到30°甚至更大，有利于压缩空气向下冲击，加大喷射气流的垂直动量分量，使起拱部位的煤块更易受冲击向下部自由面处松动。

为保护出气口不被砸坏、堵塞，改传统角钢(或槽钢)为工字钢32C保护空气炮出气口。工字钢抗冲击性、抗摩擦性更好，深埋后也不易受冲击脱落，能够在很长时间内起到保护作用。

4 应用实例

自2009年前后，在煤仓设计中，由加固煤流冲击方向仓底结构，逐步向形成框架结构改进；由煤仓下口暴露于装载硐室中，逐步向装载硐室顶部转移。对空气炮布置方式、出口位置、出口保护方式等，逐步进行改进。改进主要过程如图5所示。

图5 煤仓下口改进过程(mm)

据了解，象山矿井井底煤仓2010年投运以来通过煤量2600万t，黄玉川矿井井底煤仓2013年投运以来通过煤量1500万t，塔然高勒井底煤仓2014年投运以来通过煤矸8万t，其煤仓下口内部均未修理过，只在例行检查时发现有局部钢筋裸露现象。

5 结 语

煤仓是井下煤炭运输系统间的缓冲器，其工程安全和正常运行，决定着矿井生产的连续性，煤仓下口的结构安全又是煤仓安全的关键。将煤仓下口提升到装载硐室以上，能够避免其损坏后危及装载硐室内人员和设备的安全；空气炮是处理煤仓下口堵仓的通用措施，将空气炮孔口置于煤仓立面并用工字钢保护，使出气口能始终保持有效状态，能够有效发挥空气炮作用。从设计上实现煤仓下口的结构安全，保证空气炮长期有效，才能为煤仓高效使用铸牢本质安全的基础，从而保证矿井连续生产。