管带机经过煤矿采空区的设计要点

蓝武生

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

1 项目背景

1.1 项目信息

项目位于山西省临汾市蒲县太林乡乔家湾镇。本项目含3 条管带机、4 条皮带机及其他设备的改造，其中PC31、PC41 管带机穿过现有煤矿采空区。本文主要针对PC31 管带机的设计进行分析。

1.2 采空区简介

《煤矿安全规程》将采空区定义为“回采以后不再维护的空间”[1]。采空区的存在给管带机运行带来巨大的不稳定性，主要是因为采空区具有隐蔽性、复杂性、突然性、长期性等特点。采空区的失稳破坏具有突然性，塌陷或出现沉降的时间难以估计[1]。随着采空区的不断发展，将引起地面沉降和水平位移变化，导致地面出现沉降、塌陷、水平移动、变形等表征[2]。

1.3 山西地区采空区管带机应用情况

山西应用在采空区并已投运的管带机项目主要有山西焦煤集团西山煤电兴能发电公司的古交电厂二期扩建工程管带机、山西阳泉燕龛有限责任公司输煤系统管带机、晋能控股装备制造集团公司寺河煤矿管带机以及宏源煤业集团一期自贡管带机。以上管带机在设计初期基本未考虑采空区沉降对管带机后期运行的影响，给管带机运行带来巨大安全隐患[3]，项目现场只能采取临时加固、临时调整的措施，给现场的运维带来极大风险。

2 设计注意事项及设计要点

2.1 采空区范围的界定

按照目前国内对采空区边界的界定及业主提供的煤层开采图、开采范围、煤层厚度等，初步划分出采空区大致边界线[4]。本项目管带机经过的煤层中，最深煤层为11#煤层的一采区，埋深为188—198m，煤厚为3.1—3.5m，回采高度约为3.2m，采厚比约为61.87。最迟开采煤层为11#煤层的二采区，此煤层也是离管带机最近的煤层，预计从 2037 年1 月开采，2037 年12 月回采完毕。根据以上信息，组织业主、专家等共同确认煤层最大回采高度为3.2m，整体区域按未充分采动区考虑，煤层倾角按3°考虑。

2.2 合理路由布置

通过前期大量的调研及现场踏勘，要找出最合理的管带机路由及立柱布置点，特别是立柱的布置应尽量避开采空区，从路由布置上最大程度避免采空区对管带机的影响。同时，要确认采空区立柱布置为沉降柱，非采空区按常规立柱布置，采空区与非采空区交界处布置两个沉降柱作为沉降区与非沉降区的过渡段立柱布置。

2.3 管带机土建方面的设计要点

通过借鉴山西地区采空区输电线路杆塔的基础设计及其他项目的运行经验可知，管带机沉降区立柱基础设计应采用大阀板基础，减少采空区立柱沉降不均匀、沉降倾斜的影响。大阀板基础就是将立柱的四个基础浇铸在一起，使其相对位置固定（见图1），从而实现无论地表如何沉降，立柱的四条腿始终处在一个平面上，即使整体倾斜也在同一个倾斜面上，而且基本不会变化，这样就能大大降低采空塌陷对立柱的影响。

图1 立柱大阀板基础示意图

2.4 管带机本体方面的设计要点

2.4.1 沉降区立柱的设计要点

沉降区的立柱设计主要针对基础沉降后，如何更加方便、快捷调整立柱，以便使管带机快速回到相对平滑的过渡状态。

沉降区立柱全部采用“大四柱+上部龙门悬吊（约4m）”设计。需要计算本项目采空区的最大下沉高度，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044—2014），本矿区范围内的煤层倾角为3°，属于水平煤层或近水平煤层开采，地表最大下沉值计算公式①如下：

其中：Wmax——充分采动条件下的地表最大下沉值，mm；q——下沉系数，本项目取0.7；α——煤层倾角，本煤层倾角为3°；M——煤层发现开采厚度，m，基于本矿区煤厚为3.1—3.5m，煤层回采厚度取3.2m；n——开采不充分条件下的采动系数，本项目取0.7，常规不超过1。

经计算，最大下沉值为1.56m。

根据该最大下沉值，取龙门悬吊高度为4m，实际调整高度约为1.28m（见图2），加上地脚螺栓的调整高度0.35m，大致可以满足最大沉降高度。同时，在立柱上设置沉降观察点，以便及时观察沉降情况，故龙门悬吊高度为4m 可满足本项目最大沉降值要求。

图2 沉降区立柱设计图

最大水平移动值随地表最大下沉值的增加而增加，本次计算水平煤层或倾斜煤层开采时沿走向方向的最大水平移动值，在充分或接近充分采动条件下，沿煤层走向方向上的最大水平移动值计算公式②为：

其中：Umax——沿煤层走向方向上的最大水平移动值，mm；b ——水平移动系数，由实测资料分析确定，国内外观测资料表明，水平移动系数b 比较稳定，一般取0.3。

所以，地表最大水平移动值为0.468m。沉降区段四柱支撑上部除走道板外，两侧各预留500mm 水平调整空间以满足要求（见图2）。

2.4.2 桁架的设计要点

目前采空区的着重点基本都在立柱方面，对桁架的考虑比较少。本项目主要考虑基础沉降后对桁架的影响，基础沉降后桁架会出现倾斜，所以主要通过控制间隙来避免沉降后的桁架干涉问题。最终确认非沉降区段桁架与桁架间隙按常规50mm 设计,沉降区域桁架与桁架间隙按100mm 设计。

2.4.3 其他设计要点

加上地脚螺栓露头长度，常规立柱地脚螺栓露头为140mm，本项目按350mm 考虑（加上地脚螺栓可以调整小沉降的变形）。加大柱底板地脚螺栓开孔，常规M30 地脚螺栓柱底板开孔为40mm，本项目开孔45mm，加大柱底板开孔可以调节一定量的立柱倾斜角度。加长头尾过渡段长度，常规ST 带过渡段的长度按50D（D 为名义管径）设计，本项目过渡段长度设计为70D。将驱动滚筒包胶改为陶瓷铸胶来增大摩擦力，包胶的摩擦系数一般为0.3，陶瓷铸胶可以达到0.45 以上[5]。为了方便后续跑偏的调整，本项目将托辊支架设计为分体式托辊支架，托辊支架安装座开长条孔，以便在线调整管带机跑偏。

2.5 制作方面的设计要求

本项目通过提高沉降柱的制作精度，从而加强沉降柱的调节能力、减少现场的安装难度。具体相关要求见图3。

图3 沉降立柱制作精度

3 结语

本项目在沉降区管带机立柱方面的设计及理念很多是行业内的首次尝试，从目前本项目的管带机立柱制作及现场安装来看，设计是合理可靠的，精度也是可以通过提前制定相关措施、手段来保证的。本文针对采空区的管带机设计理念，对后续管带机在采空区沉降柱的设计具有一定的借鉴意义。