预应力混凝土储煤筒仓贮料物理参数分析

刘 旺 （华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

1 引言

煤的物理参数的试验，参考粮食、谷物类颗粒状物料的试验规范。通过煤的物理参数试验研究，以减少储煤过程偏心卸料的危害。本文主要针对煤的含水率对其休止角和内摩擦角的影响，分别做了煤的剪切试验、含水率的测定试验、休止角试验。

2 储煤煤样试验研究

2.1 研究目标

本研究的主要目标是通过测得不同含水率下，含水率与煤的内摩擦角和休止角的关系。通过此实验研究，为储煤筒仓煤侧压力的计算提供实际的参考价值。

2.2 研究过程

通过从某电厂取得煤样，在试验准备阶段，查阅文献找出煤样的重要物理参数内摩擦角与休止角。由于实际煤样含水分，参考谷物的物理参数的研究试验，确定煤的内摩擦角和休止角受到含水率影响。接下来分别做了煤含水率的试验、煤的内摩擦角试验、煤的休止角试验。

2.3 含水率、内摩擦角、休止角试验方法

2.3.1 含水率的试验方法

试验研究选自某电厂煤样，如图2所示。为获得其他含水率的试样，通过添加去离子水配置得到不同含水率的试验用煤。实验操作过程依照规范《粮食、油料检验水分测定法》（GB 5497-1985）测定其含水率，每种样品测试3次，每份煤样500g，取平均值。

式中：M为水的质量，g；m为未烘干托盘与煤的质量，g；m为烘干托盘与煤的质量，g。

以下是含水率试验所使用的仪器

电子分析天平，见图1所示。101型电热鼓风干燥箱，见图3所示。

图1 电子分析天平图

图2 实验用煤

图3 101型电热鼓风干燥箱

将所取煤样，分别将每组煤样放入预先准备的托盘中，依次编号1#-3#，分别记录。依据GB 5497-1985粮食、油料检验水分测定法测定其含水率w。

式中：m—烘干以前煤和托盘的总质量（g）；

m—烘干以后煤和托盘的总质量（g）；

w—试样含水率。

2.3.2 休止角的试验方法

煤的休止角是指煤通过装置从一定高度连续自由下落，并自然地堆积在平面上形成的锥体，其锥形母线与水平面之间的角度即为休止角，又称安息角。煤的休止角大小与煤样尺寸、形状和含水量有关。煤休止角反映了煤的滚动能力和煤的散落特性。休止角越大，颗粒滚动能力越差，散落性能越小。

实验采用注入法，通过自制的休止角测量装置，如图4所示。将每份15kg的煤试样放入漏斗中，使煤样连续下落，最后形成稳定状态的圆锥形体。测量高度H，通过公式（5）计算得到对应的休止角。

图4 安息角测量装置

式中φ为休止角（°）。H为煤堆积高度，mm；D为垫块底面直径，mm。每种试样进行四个坡面角度的测定，取平均值。

2.3.3 内摩擦角的试验方法

采用ZJ型应变控制式直剪仪，如图5所示。将所取煤样分四份做剪切试验，通过将煤样剪切破坏，计算得到每组煤样的剪切应力，以及剪切试验施加的垂直应力，计算公式如下（4）所示。

图5 ZJ型应变控制式直剪仪

3 研究结果分析

3.1 含水率与休止角试验分析

通过实验得到煤的含水率与煤的休止角的实验结果，如表1所示。

煤的含水率与休止角的实验结果 表1

拟合煤休止角与含水率的关系式为：

式中φ为煤的休止角，（°）。由上式可知：煤的休止角与含水率之间近似为线性函数关系，决定系数R=0.9928，基本上接近于1。因此，测得煤的含水率和休止角是可靠合理的，煤的休止角与含水率呈线性关系。图6为不同含水率下的休止角的大小。

图6 不同含水率下煤休止角的大小

3.2 含水率与内摩擦角试验分析

通过试验得到煤的含水率与煤的内摩擦角的试验结果，如表2所示。

煤的含水率与内摩擦角的实验结果 表2

拟合煤内摩擦角与含水率的关系式为：

式中φ为煤的休止角，（°）。由上式可知：煤的休止角与含水率之间近似为非线性函数关系，决定系数R=1。因此，测得煤的含水率和内摩擦角是可靠合理的，煤的内摩擦角与含水率呈非线性关系。图7为不同含水率下内摩擦角的大小。

图7 不同含水率下煤的内摩擦角的大小

4 小结

通过煤的含水率、休止角以及内摩擦角的实验可以得出：

①煤的休止角与含水率呈现出线性关系，拟合煤的休止角与含水率之间的数学表达式为φ=2.545w+33.265，相关系数R=0.9928，可以得出煤样中的含水率增大，煤的散落性能就会变差，从而煤的休止角就会增大；

②煤的内摩擦角与含水率呈现非线性关系，拟合煤的内摩擦角与含水率之间的数学表达式为φ=0.571w-1.2554w+26.16，相关系数R=1，可以得出，煤样中的水分增多，煤样颗粒间的粘附力越大，剪切应力也就越大，所得出的内摩擦角就越大；

③从试验结果可以看出，休止角一般是表明其物料的散落性能，散落性能差就会导致贮煤的偏心卸料，从而导致筒仓结构受到偏心荷载的影响。