1、立項(xiàng)背景
煤礦井下煤倉(cāng)下部均建有專用給煤硐室，該硐室承擔(dān)著煤倉(cāng)內(nèi)煤、混凝土倉(cāng)體及給煤機(jī)的大部分重量。因此，給煤硐室的強(qiáng)度與穩(wěn)定性是煤倉(cāng)能否正常安全使用的關(guān)鍵所在?，F(xiàn)有技術(shù)通過(guò)人為提高給煤硐室支護(hù)強(qiáng)度及采取有效排水措施等方法，但均不能從根本上解決因給煤硐室圍巖受水、壓力等因素影響變形嚴(yán)重，導(dǎo)致煤倉(cāng)不能安全、高效使用的難題。
在此情況下，為保證井下煤倉(cāng)長(zhǎng)期安全使用，需要根據(jù)煤倉(cāng)的圍巖條件及其與周圍工作面的相對(duì)位置關(guān)系等地質(zhì)采礦條件，在分析煤倉(cāng)給煤硐室失穩(wěn)破壞原因的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)新型壁掛式煤倉(cāng)，解決影響煤礦生產(chǎn)的實(shí)際問(wèn)題，為類似地質(zhì)條件下煤倉(cāng)設(shè)計(jì)與圍巖控制提供借鑒。
2、研究?jī)?nèi)容
1.技術(shù)路線
采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，分析舊煤倉(cāng)給煤硐室的失穩(wěn)破壞原因，并對(duì)壁掛式煤倉(cāng)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，主要的技術(shù)路線如下：
2.研究思路
針對(duì)舊煤倉(cāng)的失穩(wěn)破壞原因，新型煤倉(cāng)取消煤倉(cāng)下口的給煤硐室承載結(jié)構(gòu)，在采用高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)有效控制煤倉(cāng)圍巖變形的基礎(chǔ)上，在煤倉(cāng)圍巖中預(yù)埋工字鋼托梁、工字鋼倉(cāng)體托架、設(shè)置工字鋼倉(cāng)體托架固定錨索及煤倉(cāng)下部的承重自鎖錨索等構(gòu)建煤倉(cāng)自承載體系，然后配筋、支模及澆筑混凝土，將工字鋼托梁、工字鋼倉(cāng)體托架及承重自鎖錨索全部澆筑在鋼筋混凝土內(nèi)，利用倉(cāng)壁圍巖承擔(dān)煤倉(cāng)的全部重量，從而形成壁掛式煤倉(cāng)。
3.關(guān)鍵技術(shù)
壁掛式煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖
（1）高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)
開(kāi)發(fā)壁掛式煤倉(cāng)的前提條件是有效控制煤倉(cāng)圍巖變形，包括控制煤倉(cāng)附近上、下巷道的圍巖變形。只有控制住煤倉(cāng)圍巖變形，才能將煤倉(cāng)的各種承載結(jié)構(gòu)置于煤倉(cāng)圍巖中，形成壁掛式煤倉(cāng)自承載體系。
根據(jù)對(duì)煤倉(cāng)圍巖穩(wěn)定性的分析結(jié)果，為了提高錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)如下：
1）采用剛性較大的剛性網(wǎng)，加大煤倉(cāng)護(hù)表網(wǎng)的剛度；
2）加大錨桿長(zhǎng)度，增大錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的厚度；
3）除采用一般高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)外，在煤倉(cāng)煤層段，增加結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索，提高錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，更好地發(fā)揮錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的承載能力，從而有效控制煤倉(cāng)煤層段在高應(yīng)力作用下的圍巖變形；
4）根據(jù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償原理，對(duì)煤倉(cāng)下口暗皮帶井采用二次高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)支護(hù)，提高新煤倉(cāng)臨近巷道的穩(wěn)定性，保證煤倉(cāng)整體穩(wěn)定。
在采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的變形特征和支護(hù)承載結(jié)構(gòu)各部分的穩(wěn)定性，對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的薄弱部位，采用錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，不僅煤倉(cāng)煤層段圍巖位移量大大減小，而且整個(gè)煤倉(cāng)各段不均勻變形的程度得到有效控制，大大提高了煤倉(cāng)的整體穩(wěn)定性。
（2）構(gòu)建煤倉(cāng)自承載體系
1）煤倉(cāng)主承載系統(tǒng)
針對(duì)煤倉(cāng)上部圍巖為強(qiáng)度較高的砂巖，在煤倉(cāng)倉(cāng)體上部砂巖段均勻有規(guī)律的布置工字鋼托梁，由工字鋼托梁承擔(dān)倉(cāng)體的全部重量，并保證一定的安全系數(shù)。
2）煤倉(cāng)輔助承載系統(tǒng)
在煤倉(cāng)下部漏斗部分沿煤倉(cāng)周向有規(guī)律地布置自鎖承重錨索。通過(guò)自鎖承重錨索將煤倉(cāng)下部漏斗固定到煤倉(cāng)圍巖深部穩(wěn)定圍巖體中，以便承擔(dān)起煤倉(cāng)的全部重量。該承載系統(tǒng)防止因煤倉(cāng)下部圍巖承載能力低導(dǎo)致煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)破壞，是煤倉(cāng)主承載系統(tǒng)的補(bǔ)充，進(jìn)一步保證了煤倉(cāng)倉(cāng)體的穩(wěn)定性。
（3）建立了煤倉(cāng)安全評(píng)價(jià)體系
根據(jù)壁掛式煤倉(cāng)的受力特點(diǎn)，假設(shè)煤倉(cāng)倉(cāng)體重量全部由工字鋼托梁承擔(dān)，需保證工字鋼托梁的承載能力大于煤倉(cāng)的總重量，并滿足一定的安全系數(shù)。
（4）相關(guān)配套技術(shù)
1）電渣壓力焊技術(shù)
為保證鋼筋連接強(qiáng)度，煤倉(cāng)倉(cāng)壁豎向筋（主筋）連接采用電渣壓力焊技術(shù)，即將兩根鋼筋安放成豎向或斜向?qū)有问?，利用焊接電流通過(guò)兩根鋼筋間隙，在焊劑層下形成電弧過(guò)程和電渣過(guò)程，產(chǎn)生電弧熱和電阻熱，熔化鋼筋加壓完成的一種壓焊方法。
2）煤倉(cāng)漏斗斜面鋪設(shè)抗沖擊耐磨材料
為增強(qiáng)煤倉(cāng)漏斗斜面混凝土耐磨性和耐沖擊性，從而有效保護(hù)漏斗斜面承重工字鋼梁，實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)長(zhǎng)期正常安全使用，在漏斗斜面鋪設(shè)一層50mm厚M80型高強(qiáng)耐磨料。M80型高強(qiáng)耐磨料是一種新型無(wú)機(jī)復(fù)合型建筑材料，適用于有耐磨要求構(gòu)筑物的耐磨層。
3）煤倉(cāng)上口封閉技術(shù)
沿煤倉(cāng)上口巷道軸向，按煤倉(cāng)中心線對(duì)稱鋪設(shè)6根40b熱軋輕型工字鋼梁，工字鋼梁上表面與煤倉(cāng)上口底板齊平，每根梁兩端伸入倉(cāng)壁深度不小于1000mm，同時(shí)在煤倉(cāng)中心處將用11#礦用工字鋼焊接而成的封口篦子焊接在40b熱軋輕型工字鋼上表面，從而形成1870mm×1430mm的放煤口，其中箅子網(wǎng)口尺寸為400mm×300mm；其余地方采用10mm厚鋼板蓬嚴(yán)。煤倉(cāng)投入使用后，在上口設(shè)置護(hù)欄，實(shí)行全封閉管理。
3、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)
新型煤倉(cāng)施工歷時(shí)四個(gè)多月，施工工藝過(guò)程如下：
煤倉(cāng)中心定位→鉆中心孔和7個(gè)回風(fēng)孔→反井掘進(jìn)→由上向下刷大斷面、進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，同時(shí)安裝工字鋼托梁、鉆打工字鋼倉(cāng)體托架梁窩和施工固定錨索→ 煤倉(cāng)下口暗皮帶井?dāng)U巷加固→安裝工字鋼倉(cāng)體托架和固定錨索→配筋、支模、澆筑混凝土→拆除模板→漏斗斜面鋪設(shè)抗沖擊耐磨混凝土→煤倉(cāng)上口封閉→安裝給煤機(jī)→工程驗(yàn)收。
新型煤倉(cāng)投入使用至今已一年半左右時(shí)間，長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果表明：在煤的長(zhǎng)期沖刷下，煤倉(cāng)倉(cāng)壁完整，未出現(xiàn)倉(cāng)壁混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象；同時(shí)，煤倉(cāng)整體也沒(méi)發(fā)生下移?？梢?jiàn)，新型煤倉(cāng)較好地解決了煤倉(cāng)因給煤硐室圍巖易受水、壓力等因素影響，特別是給煤硐室強(qiáng)烈底鼓導(dǎo)致煤倉(cāng)不能安全高效使用的技術(shù)難題。
4、應(yīng)用效果分析
1）直接經(jīng)濟(jì)效益
原來(lái)的煤倉(cāng)，每班需要安排專人對(duì)其加固的單體支柱進(jìn)行補(bǔ)液維護(hù)， 一年累計(jì)投入：365×3×1×300=32.85萬(wàn)元。每年投入的維護(hù)費(fèi)用（含材料費(fèi)）大約165萬(wàn)元，累計(jì)每年投入197.85萬(wàn)元，兩年時(shí)間內(nèi)原煤倉(cāng)維護(hù)費(fèi)達(dá)到395.7萬(wàn)元。
新煤倉(cāng)建設(shè)成本為390.93萬(wàn)元。
因此，盡管新煤倉(cāng)一次性投入較高，但原煤倉(cāng)兩年的維護(hù)費(fèi)用就超過(guò)了新煤倉(cāng)總造價(jià)。兩年后每年節(jié)約維護(hù)費(fèi)用達(dá)197.85萬(wàn)元左右。
2）間接經(jīng)濟(jì)效益
新型煤倉(cāng)避免了因?qū)εf煤倉(cāng)每半年進(jìn)行一次維修加固導(dǎo)致的工作面停產(chǎn)，以及給礦井正常安全生產(chǎn)帶來(lái)的影響，保證了正常生產(chǎn)秩序，提高了生產(chǎn)效率。
5、主要研究結(jié)論
1.舊煤倉(cāng)給煤硐室圍巖體強(qiáng)度低、水對(duì)底板圍巖強(qiáng)度的弱化、兩側(cè)工作面強(qiáng)烈采動(dòng)、煤柱內(nèi)高支承壓力影響及給煤硐室承載結(jié)構(gòu)承載能力難以發(fā)揮是舊煤倉(cāng)給煤硐室失穩(wěn)破壞的主要原因。
2.舊煤倉(cāng)給煤硐室底板炭質(zhì)泥巖及根土巖遇水后強(qiáng)烈膨脹及強(qiáng)度弱化，導(dǎo)致底板圍巖強(qiáng)烈鼓出，給煤硐室混凝土底梁隨著底板圍巖鼓出，處于拉伸破壞狀態(tài)，并且在底梁強(qiáng)烈鼓出與破壞的同時(shí)，立柱也因此受到擠壓而發(fā)生強(qiáng)烈剪脹，并完全處于拉伸破壞狀態(tài)，導(dǎo)致混凝土承載結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)破壞。
3.取消煤倉(cāng)下口給煤硐室承載結(jié)構(gòu)，利用倉(cāng)壁圍巖承擔(dān)煤倉(cāng)重量；根據(jù)煤倉(cāng)下部圍巖為煤層，且其底板遇水強(qiáng)烈膨脹的圍巖條件，構(gòu)建由工字鋼托梁、工字鋼倉(cāng)體托架、工字鋼倉(cāng)體托架固定錨索及承重自鎖錨索形成的煤倉(cāng)倉(cāng)壁圍巖自承載體系；
4.煤倉(cāng)建設(shè)除采用了新型壁掛式煤倉(cāng)技術(shù)外，還采用了電渣壓力焊、高強(qiáng)抗沖擊耐磨材料等先進(jìn)工藝和新材料，新煤倉(cāng)整體技術(shù)水平較高。
5.現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，新型煤倉(cāng)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、安全可靠、便于維護(hù)，在類似地質(zhì)條件下具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
小編評(píng)論
為保證井下煤倉(cāng)長(zhǎng)期安全使用，開(kāi)發(fā)新型壁掛式煤倉(cāng)是一件必要舉措。該技術(shù)運(yùn)用了高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)、構(gòu)建煤倉(cāng)自承載體系、建立煤倉(cāng)安全評(píng)價(jià)體系等多種相關(guān)配套技術(shù)，并通過(guò)了長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，較好地解決了煤倉(cāng)因給煤硐室圍巖易受水、壓力等因素影響，特別是給煤硐室強(qiáng)烈底鼓導(dǎo)致煤倉(cāng)不能安全高效使用的技術(shù)難題。
該技術(shù)可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有極大的普及和推廣價(jià)值。希望有采用意向和合作需求的企業(yè)與我們聯(lián)系。
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