煤矿直立煤仓仓底防砸结构优化

屈子明

（开滦勘察设计有限公司，河北 唐山 063018）

国内立井井底煤仓主要有直立煤仓和倾斜煤仓2 种，直立煤仓容量大，受力条件好，施工、维修简便，适应性强，但仓帽及底部斗口施工较复杂；倾斜煤仓上口施工、安装简单，但煤仓容量小，缓冲能力及适应性均较差，煤仓的施工、维修较复杂。较大型矿井特别是围岩条件较差的矿井多采用直立煤仓。井底直立煤仓普遍采用原形断面，锚喷支护或素混凝土支护，当煤仓位于软岩或煤层中时，采用锚杆和钢筋混凝土联合支护。

开滦集团钱家营矿和范各庄矿主井煤仓落煤高度均较大，仓底常被煤矸砸坏，铺设在仓底的铁板、轨道等刚性防砸体顺放煤口支到皮带上或卡到放煤嘴上，严重影响了整个矿井运输“咽喉” 的正常和安全运行。本文针对开滦集团钱家营矿和范各庄矿井底煤仓仓底防砸结构进行改造。

1 钱家营矿概况

1.1 矿 井

该矿井位于河北省唐山市东南约15 km 处，开平煤田之开平向斜的东南翼，井田大部在唐山市丰南区境内，隶属于开滦（集团） 有限责任公司煤业分公司。井田东北部和北部分别与范各庄井田和吕家坨井田相邻。采矿登记矿井边界深部至各煤层的- 1 200 m 底板等高线，浅部为各煤层潜伏露头线，西部至27 号勘探线，东部边界为钱范、钱吕矿井边界，矿井走向长16.9 km，倾斜宽4.7～8.8 km，井田总面积88.320 1 km2。开拓方式为立井多水平阶段石门开拓方式，矿井通风方式为两翼对角式，通风方法为机械抽出式。煤层间开采顺序为自上而下，采区内同一煤层开采顺序为自上而下；各煤层采煤工作面均采用走向长壁一次采全高综合机械化采煤工艺；采煤工作面顶板管理为自然垮落法。5煤层为突出危险性煤层，矿井三水平及以浅7 煤、8 煤、9 煤和12 煤无突出危险性，为非突出煤层。

1.2 煤炭运输方式

钱家营矿煤炭运输全部为胶带输送机运输，胶带输送机分两翼布置，即- 450 水平东翼2003、2103、2203、2303 皮带以及采区皮带；- 600 水平西翼上一、上二、平运一部、二部、三部皮带以及采区皮带。东、西翼皮带均将煤运至主井煤仓，之后再由箕斗将煤炭运输至地面。

2 煤仓仓底结构

2.1 现 状

开滦集团各个矿井主要煤仓的仓底多为刚性材料防砸大斜面结构。其底面、侧壁、斜面均为钢筋混凝土或钢筋钢砂混凝土浇筑成形，斜面上安设轨道或钢板护面。为防止煤泥堵塞煤仓底部漏斗，在矿井检修班前井底煤仓多数情况下需放空，再次向煤仓内落煤时，下落的煤矸直接冲击砸射到该斜面上。

以钱家营矿煤仓为例，原钱家营矿主井煤仓的仓底为大斜面刚防砸结构，采用矿用12 号工字钢、47 kg/m 轨道及钢砂混凝土联合铺底。斜面倾角为60°，斜长5.9 m，宽5.96 m，整体面积24.6 m2。煤仓整体结构如图1 所示。

图1 煤仓整体结构示意Fig. 1 Overall structure of coal bunker

2.2 大斜面防砸结构分析

以钱家营矿主井煤仓为例，其落煤高度为62.7 m，按自由落体速度计算，下落的煤矸会以24.5 m/s （88.2 km/h） 的速度直接冲击仓底。刚性防砸斜面的仓底，斜面反弹力作用时间较短。

根据冲量守恒定理M·△V=F·T 可知，反弹力作用时间越短，煤矸对斜面的冲击力越大。按斜面反弹作用力碰撞时间0.1 s，瞬时下落煤矸体最大质量为100 kg，煤矸与斜面接触面积为0.04 m2。冲击力F=100×24.5/0.1/0.04=612.5 kN/m2。在巨大的冲击下，煤仓防砸斜面刚性体由于煤矸长期直接冲击，导致仓底防砸结构变形乃至脱落。根据两矿长期观测统计，刚性防砸斜面平均每2 个月加固维护1 次，每次均采用更换变形的工字钢、轨道，然后再焊接或螺栓加固配合浇筑混凝土的方式，1 次维护时间为4 d。每次仓底被砸坏均影响矿井正常生产时间，并且需要员工进入煤仓中作业，安全系数较低。

3 结构优化方案

3.1 结构设计

在原仓底防砸斜面的基础上进行优化改造，即将防砸斜面上部分去掉，改为一层平台结构，下部小斜面依旧按原结构设置。调整煤仓底部落煤点位置，使煤仓内最下部落煤点位于平台结构范围内，避免掉落的煤矸对井壁和井底斜面直接冲击。优化后的仓底结构在投入使用后，初始掉落的煤矸会堆存在该平台上，形成一柔性斜面。煤仓放空后，由于煤矸自然堆积，该柔性斜面仍然保留在平台结构上部，再次落煤时，煤矸直接冲击柔性斜面，起到保护平台结构的作用。仓底优化后结构如图2所示。

图2 优化后仓底结构示意Fig. 2 Warehouse floor structure after optimization

3.2 与原方案对比分析

优化后仓底小斜面免于受到煤矸的直接冲击，只需存煤27 m3。从受砸斜面面积来看，大斜面仓底受砸面积为24.6 m2，优化后煤仓下口小斜面受砸面积仅6.2 m2，优化后下口小斜面的受砸概率只有大斜面的25.2%。

优化后主要受砸斜面为煤自然堆积的柔性面，柔性面相比刚性面会增加煤体与接触面的作用时间。作用时间增加，煤体对斜面的冲击力则相对减小。煤体落下时冲击速度为V1，砸到斜面后末速度V2=0，与柔性面作用时间，按与刚性面作用时间的4 倍计算， 冲击力F 柔=1/4F 刚=153.125 kN/m2。原方案与优化后方案优缺点比较见表1。

表1 方案比较Table 1 Comparison of plans

通过与传统仓底防砸结构的对比分析，该项目直接降低了落煤冲击力，减少甚至免于对仓底的维护，还能增加煤仓的有效容积。新方案结构更为简单，建造更为方便，安全性更高。

4 结 论

（1） 对在用煤仓的大斜面仓底，可不必进行小斜面仓底改造，也不必保留煤仓煤量，仍可照常使用，但要经常观察仓底铁板的变化情况，若有钢轨翘动、钢筋露出，立即割除，防止封堵仓口，直至全部清除，待仓底形成小斜面形状时，再给予必要的加固。

（2） 充分利用煤炭自然堆积形成的坡面，将煤仓仓底的刚性防砸斜面改为了柔性防砸斜面，简化了煤仓仓底的设计结构，便于施工，防止了煤仓底部结构被砸坏。该设计已应用在钱家营矿和范各庄矿煤仓，应用效果好，可在今后的煤仓设计和煤仓改造工程中推行。