煤矿井底煤仓壁稳定性控制技术研究

刘明银

(1.西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 710054； 2.煤炭工业太原设计研究院集团有限公司， 山西 太原 030001)

井底煤仓为煤矿主运输系统的咽喉工程，因其为隐蔽性工程，难以及时发现故障，一旦发现破损就非常严重，且具有易于复发，多次重复破坏的特性，威胁仓体安全，影响主运输系统正常运行。故井底煤仓壁稳定性问题已经成为困扰部分煤炭生产企业的顽疾[1-2]. 井底煤仓布置于深部围岩体中，仓壁及围岩组成的支护系统处于深部高地应力环境下，并承受仓内散体贮料颗粒的反复加卸载作用，其力学响应较为复杂[3-4]. 合理的仓壁稳定性控制技术需要考虑设计、施工及运营期的综合作用，还需要实时匹配防堵增滑技术装备[5-7]. 充分考虑地下工程的全过程影响指标，采取综合的控制技术手段是科学合理确定井底煤仓壁稳定性的基础。

1 设计施工运营三期协调管控

1.1 设计阶段保证设计强度

在设计阶段由于井底煤仓服务年限长，其服务年限同矿井服务年限相同。在设计阶段保证设计强度是井底煤仓壁稳定性控制的源头，保证设计阶段仓壁具有足够的支护强度，在考虑各种载荷基础上提供合理的设计方案及施工图纸。主要技术措施：对重点区域设计加强支护、采用开卸压槽等措施消除高应力区、设计合理的仓壁厚度及围岩控制措施等。

在开拓开采阶段设计时，将井底煤仓布置于稳定岩层中，对软弱围岩提前处理加固，确定合理仓壁支护形式及支护强度。为保证支护强度及仓壁内壁光滑完整，便于仓内煤或矸石流动，现阶段普遍采用钢筋混凝土圆筒仓砌碹支护，支护厚度300～1 000 mm，主要取决于围岩岩性及开挖井底煤仓的净断面。如干河煤矿井底煤仓正常段仓壁支护断面净直径为7 m，仓壁主体段厚度为450 mm，素混凝土结构；双柳煤矿井底煤仓正常段仓壁支护断面净直径为10 m，仓壁主体段厚度为500 mm，钢筋混凝土结构。

1.2 施工阶段保证工程质量

施工阶段质量保证措施主要体现在仓壁施工材料合格、施工过程规范、混凝土养护合理等。在井底煤仓壁成型后保证足够的混凝土养护时间及正确的养护方式，对于硅酸盐水泥或普通水泥混凝土潮湿养护龄期不应小于7 d. 同时，养护期内必须保证混凝土的养护湿度及温度，实际施工中要求养护温度不应低于5 ℃.

1.3 运营阶段加强质量管控

井底煤仓投入运营后需加强进入仓内散体颗粒质量管控，特别是注意粒径及含水率的控制，如避免大块直接入仓、避免杂物入仓、避免水煤入仓等；采用改善煤流状态的上口装置，避免煤流直接冲击仓壁；合理控制下口流出煤炭颗粒流量；减少空仓运行时间等。综合手段的合理实施是保证井底煤仓安全稳定的关键。

2 改善围岩应力发挥围岩自承作用

改善围岩应力状态可在设计阶段选择合理的煤仓位置，施工阶段采取围岩加固措施等。

井底煤仓壁直接作用于岩层中，对岩层起控制作用，但最终是依靠仓壁与围岩共同组成的支护系统发挥作用。因此，改善围岩应力状态，避免围岩应力集中，发挥混凝土仓壁与围岩的共同承载作用是保证井底煤仓壁稳定的主要途径。常用的方法：锚杆锚索支护、注浆加固破碎围岩、对高应力围岩开槽卸压等。

在井底煤仓壁整体力学结构上变简支为固支，提高仓壁整体的承载能力。避免井壁与围岩之间由于各种原因形成不完全接触，如壁后存在过大空洞等，易造成仓壁承载结构上的不合理。

3 加强防堵增滑装备的研制

仓内散体颗粒运动造成井底煤仓壁承受内部载荷作用，随着时间推移易造成仓壁损伤破坏。减少该力学作用的有效途径是使用具有低摩擦阻力、高耐磨性、高抗冲击性的仓壁内衬；加强防堵增滑装备在井底煤仓的使用。

3.1 仓壁内侧设置耐磨、助滑及防撞击内衬

在井底煤仓壁内表面根据贮料的容重、粒径、硬度、落料高度、进出料方式及对漏斗壁光滑度的要求，设置相应的耐磨、助滑及防撞击层。随着仓壁内衬材料进一步的发展，采用内衬体现出优势，其形式主要表现为：由原先的轨枕、钢板等型钢到多晶材料、再到微晶陶瓷等，使材料的抗磨性、助滑、韧性均得到显著提高，使用效果及服务年限均可达到满意效果。现阶段滑动接触面多采用铁钢砂混凝土作为耐磨材料。如李家楼煤矿、干河煤矿、双柳煤矿等均在井底煤仓对下部漏斗口采用铁钢砂混凝土作为耐磨材料。李家楼煤矿井底煤仓下漏斗口区域采用耐磨增滑材料情况见图1.

图1 井底煤仓漏斗口耐磨材料设置情况图

3.2 防堵仓装备应用

目前常用的防堵仓措施及装备为：

1) 在井底煤仓内设置破拱装置，如空气炮，如图1实例中空气炮及预埋压风钢管布置情况。

2) 借助工具机械或人工处理堵仓事故。

3) 采用钻机钻孔破坏已堵塞煤仓内散体颗粒内部形成的承载结构。

4) 采用少量炸药进行微震爆破。

5) 井底煤仓内设置缓冲装置，如防坠梁。

6) 其它防堵仓设备的应用，如缓冲槽等。

防止井底煤仓发生堵仓的装备在煤矿实际发展中具有重要的现实意义，特别是研发低能耗、高效率的防堵装备可有效防止或解决堵仓问题，提高生产效率，保障矿井的正常运行。

4 保证仓壁强度及合理的仓壁结构

4.1 适应井底煤仓卸载超压的合理仓壁结构

采用竖向可压缩仓壁结构是切实可行的方法，即“让”的方法。我国目前尚未正式出台煤矿井底煤仓壁的设计规范，应引起学者们及现场工程技术人员的重视。

由于井底煤仓内散体颗粒在卸料过程中仓壁卸载超压现象是客观存在的，故在设计阶段必须考虑适应卸载超压力学行为的合理井壁结构。针对井底煤仓工程具有在纵向穿越多层岩层的工程特性，因此需要对不同围岩性质分别采取相应的控制技术，确定合理的仓壁结构及形状尺寸、合适的仓壁支护厚度、有利的断面形状，而且针对不同围岩可以采用不同断面，有针对性地发挥仓壁与围岩共同承载作用，达到井底煤仓壁的稳定性控制目的。

4.2 减少仓壁侧压力的控制技术措施探讨

减少仓壁侧压力技术手段主要体现在减少动载冲击及降低仓壁的变形模量两个方面。减少动载冲击，主要通过合理控制煤炭颗粒流动速度，井底煤仓下口给煤机给煤量控制尽量保证均匀给料，避免频繁波动，保证井底煤仓合理容量及设计尺寸等。降低仓壁变形模量，即提高仓壁与围岩变形模量比可减少仓壁侧压力，主要控制技术有:采用砌碹支护优于锚喷支护；采用钢筋混凝土支护优于素混凝土支护；增加井底煤仓壁的混凝土强度；合理采用耐磨助滑内衬材料；采用合理的破拱装备；尽量减少运营阶段堵仓次数对仓壁的影响。

4.3 预应力混凝土仓壁应用

圆形混凝土井底煤仓壁通过设置预应力筋增强其稳定性，预应力钢筋可分为无粘结后张拉预应力，有粘结后张拉预应力及缓粘结预应力。预应力筋应采用无接头钢丝(钢丝束)或钢绞线。

预应力混凝土仓壁的发展为井底煤仓壁稳定性提供了新的发展方向，它通过对仓壁施加预应力，改变煤仓工作过程中的应力状态，有效解决了普通混凝土仓壁强度不足的问题，为今后进一步提高井底煤仓壁强度提供了一种切实可行且十分有效的途径。

5 结 论

1) 加强设计、施工、运营三期协调管控，是实现煤矿井底煤仓壁稳定性的基本保障。

2) 通过开拓开采阶段的设计，将井底煤仓布置于稳定岩层中，对软弱围岩提前处理加固，合理设计仓壁支护形式及支护强度等综合控制手段，可改善围岩应力状态，发挥支护系统与围岩共同作用来保证承载能力。

3) 防堵仓及耐磨助滑材料及装备的应用，可有效减少仓内散体贮料颗粒流动过程中的堵仓现象，同时降低仓壁承受动载冲击的现象。

4) 提高井底煤仓壁自身承载强度及合理的仓壁结构为控制仓壁稳定性的有效途径。