大型露天儲煤場全封閉改造設計選型分析

潘萬偉

(中赟國際工程股份有限公司，河南省鄭州市，450007)

目前，國內已運行的大型儲煤場較多采用防風抑塵網，其是由一定形狀的擋風板與固定支架聯接組合而成的一種擋風裝置，從而實現降低煤場表面風速、減少風能的功能。防風抑塵網雖然應用多年，但實際環保效果并不理想。

隨著國家對大氣環境污染治理標準的不斷提高，國家和地方環境治理的法規相繼出臺，環保監管日益嚴格。2016年1月實施的《中華人民共和國大氣污染防治法》第七十二條明確規定“貯存煤炭、煤矸石、煤灰、水泥、石灰、石膏、砂土等易產生揚塵的物料應當密閉，不能密閉的，應當設置不低于堆放物高度的嚴密圍擋，并采取有效覆蓋措施防治揚塵污染”。

2017年8月21日，多部委聯合印發的《京津冀及周邊地區2017-2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》(環大氣〔2017〕110號)，針對“揚塵等無組織排放”開展專項治理，實施范圍覆蓋京津冀大氣污染傳輸通道城市，包括北京市、天津市、河北省、山西省、山東省和河南省等城市(簡稱“2+26”城市)，攻堅行動方案涉及的省內地市分別制定了《行動方案》進一步落實實施揚塵治理工作。

從上述論述不難看出，我國大氣污染形勢日益嚴峻，環境治理相關法律法規越來越嚴格，現階段的文件已經明確對于煤炭物料應當密閉儲存。目前應用最多的防風抑塵網將逐步淘汰，各煤炭企業及發電公司已經紛紛積極響應，并大力推進已運行項目進行露天儲煤場全封閉改造工作。

1 大型儲煤場布置形式

目前國內煤炭、電力行業大型儲煤場主要有4種儲煤形式，一是傳統條形煤場(配備斗輪堆取料機)，這種煤場形式占90%以上，斗輪堆取料機作業范圍大，滿足高堆煤、大儲量要求，在大型電廠中應用廣泛；二是球形儲煤場，球形封閉式料場可用于物料的一次堆存和混勻堆料，通過料場四周設置擋墻，可以提高儲量，該料場的特點是環保、單位儲量大、節省占地，缺點是投資較大；三是方形儲煤場(配備刮板取料機)，這是近年來國內大型儲煤場逐步使用和推廣的新型煤場，環保效果好，在環保、防風要求高的地區均有采用；四是圓筒倉，這是將多個倉并列的群倉形式，此形式噸煤儲量造價高，適用于場地狹窄、環保要求高的場合。

根據儲煤設施布置形式，球形及圓筒倉布置方式均為全封閉儲煤倉，滿足環保要求，而對傳統的條形和方形煤場，大都是露天防風抑塵網布置形式，需要進行全封閉改造。

2 大型儲煤場全封閉結構形式

目前，小型封閉儲煤場采用門鋼結構或平板網架結構能滿足一般生產需求，對于跨度為80 m以上的大型儲煤場，封閉形式主要有鋼結構煤場與膜結構煤場，其中鋼結構煤場又可細分為拱形網架結構、管桁架結構、管桁架+輕型網架結構等，膜結構煤場又分為骨架膜與充氣膜等結構形式。

2.1 拱形網架結構儲煤場

拱形鋼網架結構封閉儲煤場用鋼結構網架作為主體骨架，外覆彩鋼板作為圍護，網架和網殼是常用的空間結構形式，空間網格結構采用大致相同的網格組成空間交匯的桿件體系，承重結構與支撐體系合二為一，從而有效地改變了桁架結構的受力狀態。

網架為正方四角錐螺栓球節點三心圓拱形網架，網架支撐形式為柱點支撐。采用四角錐螺栓球節點的形式，網架依靠長邊點支撐，兩端采用豎直山墻封閉，在兩端山墻可預留門洞以方便運煤車輛及推煤機的進出及通風防止煤發生自燃，網殼兩側山墻封閉主體結構均采用網架結構，山墻網架頂部與主結構邊跨拱形網殼弦桿連接，下部支撐于混凝土短柱頂部，網架支座處為鉸接點，支撐在混凝土立柱上。

桿件主要承受軸向力，能充分發揮材料的特性。采用空間網格結構的封閉煤棚的平均用鋼量為30～100 kg/m2。空間網架及網殼結構具有空間剛度大、制作安裝簡便以及節點連接采用螺栓球節點等特點，能夠避免大量的現場焊接工作量。

2.1.1 拱形網架結構的優點

(1)網架技術成熟。鋼網架技術通過多年的發展和應用，在設計、制造和安裝方面已形成較為成熟的技術理論，并得到眾多工程長時間的驗證。

(2)結構穩定性高。由于網架結構是桿件之間多向受力的空間結構，使得整個結構的剛度大、穩定性好、因風雪等原因引起的結構變形較小。

(3)鋼材可回收利用。在達到煤棚壽命或中途拆除時，拆解下的鋼材可回收利用。

2.1.2 拱形網架結構的缺點

(1)自重大、對基礎要求高。由于結構體系的原因，會傳給基礎較大的水平推力和豎向壓力，根據不同地質條件，可能需要采用樁基。由于柱點位置較多，基礎工程量較大，導致施工周期較長。

(2)施工安裝復雜。曲面外形增加了屋蓋表面積和建筑空間，構造處理、支撐結構和施工制作均較復雜。

2.2 管桁架結構儲煤場

目前大跨度空間結構(120 m以上跨距)常用管桁架結構形式，管桁架結構能夠滿足大跨度的要求，但現場需要提供大面積的拼裝及焊接場地，需要多種噸位吊車協同作業，且在安裝過程中需要大量非常精確的高空焊接作業，人工成本較高，總體來說來管桁架結構用鋼量指標和單位造價均較高。管桁架與拱形網架對比結果如下：

(1)用鋼量：大跨度(120 m左右)的管桁架用鋼量在100 kg/m2左右，同樣跨度的拱形網架用鋼量在75 kg/m2左右。

(2)生產工藝：管桁架工廠化程度不高，很多情況下需要現場制作安裝，即使工廠能夠加工，也不容易運輸，仍需要現場大量焊接；拱形網架制作工藝全部是在工廠完成，而且是螺栓連接，成品運輸至現場安裝。

(3)施工場地：管桁架安裝時需要整片的施工場地，每榀桁架吊裝都需要多臺吊車共同抬吊，如果主桁架用滑移安裝方案，需要地面做滑移軌道，但是次桁架吊裝的時候仍需要很大的工作面；拱形網架結構除了起步跨需要占用整垮場地外，起步之后網架均為空中散裝，只需要一臺吊車行走場地即可。

(4)工期：同樣面積的管桁架至少要比拱形網架多用一倍的時間才能完工，因為管桁架需要大量的現場焊接，況且現場焊接焊接質量也很難保證100%合格，而網架全部是在工廠焊接。

(5)安裝費用：管桁架每平方的安裝費用至少是網架的2倍。

2.3 管桁架+輕型網架結構

管桁架+輕型網架是在網架結構的基礎上發展起來的，與網架結構相比具有獨特的優越性和實用性，結構用鋼量也較經濟。煤場封閉上部采用拱形桁架加輕型網架結構，桁架結構采用三心圓柱面，山墻結構采用鋼桁架形式，山墻桁架頂部與主結構邊跨拱形弦桿連接，輕型網架則能夠顯著減少結構自重和用鋼量。輕型網架與鋼桁架連接容易，受力明確，自重輕，能夠最大限度節省用鋼量，且每榀桁架均可焊接拼接成形，施工速度快，節省施工周期。主桁架和輕型網架結構形式如圖1和圖2所示。

圖1 主桁架結構形式

圖2 輕型網架

2.3.1 管桁架+輕型結構的優點

(1)管桁架+輕型網架組合結構形式能夠發揮桁架大柱距的優勢，結構整體剛度大。現場施工時樁基承臺數量較少，土建施工周期短。

(2)輕型網架地面拼裝后整體吊裝，與桁架整體滑移不影響煤場使用，對改造煤場的條件更適用。

(3)結構受力明確。主結構承受主要荷載，輕型網架結構作為次要構件與主結構協同受力。

(4)結構重量較輕。由于采用了大面積的輕型網架，該網架除了可作為受力構件外，同時由于網格劃分較小，減低了檁條等附屬結構的設計重量，提高方案的經濟型。

(5)規范性好。輕型網架生產完全實現工廠預制，工廠化生產及安裝方法更為簡捷和高效，加工制作過程更為簡單，僅需進行桿件端頭壓扁成型即可完成全部工作，現場施工全程無焊接，也無需安裝大量的螺栓。相比這下，常規螺栓球網架組成部分多，加工工序多，產品出錯概率及次品率高。

2.3.2 管桁架+輕型結構的缺點

(1)施工技術要求高。組合桁架施工技術要求高，施工要求精度較高。

(2)施工安裝復雜。

(3)成本高。組合桁架結構，單位面積用鋼量及安裝成本均比相應網架結構要高。

2.4 骨架膜結構

骨架式膜結構是用鋼結構(拱形網架或管桁架)搭建整體結構骨架，表面覆蓋現代建筑膜材。目前國內應用的膜材主要為進口膜材，常用的5000～8000 N膜材剪成50 mm寬的長條，用它能夠垂直吊起500～800 kg的重量。進口膜材出廠質保為15 a，正常應用20～30 a，期間免維護。國內已經逐步在煤炭領域開始應用骨架膜結構的儲煤場，如山西榆次瑞光電廠104 m跨度骨架式膜結構儲煤棚、鄭州裕中能源有限責任公司120 m跨度骨架膜結構封閉煤場等。

2.4.1 骨架膜結構的優點

(1)造價低。因為膜材可以被加工成大面積單體(單片面積500～1000 m2)，四邊框固定即可，無需檁條等附屬結構件，所以鋼結構骨架的用鋼量是彩鋼板形式的50%甚至更少。骨架式料場綜合成本比鋼結構加彩鋼板結構形式的約低10%～30%，而且跨度越大越經濟。

(2)廠家標定服務年限為20～30 a，且免維護。膜材料本身出廠一般質保為15 a，正常使用可達30 a或更久，使用期內免維護。

(3)耐酸、耐堿、不腐蝕。膜材本身是高分子化工產品，對酸、堿等化學腐蝕不敏感，可廣泛應用在各個存儲領域，尤其適用于彩鋼板腐蝕嚴重的沿海地區、高鹽霧環境、大濕度環境以及特殊腐蝕性化工產品料場等。

(4)造型多變、現代、美觀。膜材顏色十分豐富，骨架的形式多變，結合斜拉鋼索的拉膜結構可實現很多的造型，能滿足某些改造項目場地復雜、建筑物擠占空間等傳統鋼結構無法實現的特殊要求。

2.4.2 骨架膜結構的缺點

(1)目前膜材原材料價格較高，建筑膜材國產化不到10 a，國產膜材的價格與進口的膜材價格差距很大，加上損耗、加工、安裝等費用，骨架膜結構的綜合造價比彩鋼板綜合造價要高。

(2)由于膜結構的儲煤場剛剛開始應用，工程案例比較少。骨架膜結構煤場諸多優點多為廠家保證值，具體穩定性需要時間檢驗。

2.5 充氣膜數字化智能煤棚

充氣膜結構形式又分為氣承式、氣肋式、氣枕式這3種結構形式，煤炭全封閉儲存上常用的形式為氣承式。氣膜建筑是用特殊的建筑膜材做建筑外殼，靠內外部壓力差把建筑主體支撐起來的一種建筑結構系統。

充氣膜結構在北美、歐洲和日本已有50多年的發展歷史，但是在國內還處于起步階段。單純的充氣膜結構抵抗風雪荷載的可靠性稍差，不適用于大跨度的永久性建筑。為了解決上述缺陷，可在充氣膜結構上加設加勁索。所謂加勁索就是在充氣膜外面布置一定數量的纖維或者鋼絲繩，用以傳遞部分膜面拉力。加勁索的布置有局部布置、縱橫網格布置和斜交網格布置等不同類型，斜向正交索網加勁結構因其優越的剛性特性和受力性能得到了廣泛的認可和使用，能適應風、霜、雨和雪等惡劣天氣，并得到了諸多實際工程的驗證，目前在國內已建成運行的有神華巴彥淖爾能源有限公司110 m跨氣膜結構原煤棚，神華寧夏煤業集團有限責任公司太西、大武口洗煤廠煤棚90 m跨氣膜結構原煤棚等。

充氣膜結構膜材的自重輕(僅1 kg/m2左右)，再加上高強鋼索的應用使得充氣膜結構的受力體系直接、簡潔、合理，非常適合于中部無支撐的大跨度結構體系。相對于鋼結構的大跨結構，有造價低、施工周期短等優點，適用于煤炭行業作封閉煤棚。

氣膜建筑的主要受力為上揚力，所以其基礎的作用體現為將氣膜建筑物向下拉住，而常規建筑物基礎的作用是要支撐住上部的結構主體，因此氣膜建筑對持力層的要求非常低，對于高原地區復雜的地質條件尤為適合；其次，它采用特殊建筑纖維膜作為建筑“外殼”，通過內外氣壓差，將外殼支撐起來，形成建筑物主體。室內無需任何框架或梁柱支撐，理論最大可實現180 m的跨度，解決了大型煤炭儲煤場對建筑的凈空和跨度要求高的問題。氣膜儲煤場現場圖如圖3所示。

圖3 氣膜儲煤場現場圖

2.5.1 充氣膜數字化智能煤棚的優點

氣膜封閉煤棚的重量僅為常規鋼網架的1/20左右，且其受力為上拔力，對錨固基礎要求較低，特別適合地基承載力較低地域的建設場地。整個封閉結構屬于相對的柔性體，對基礎沉降不均勻、地震等適應性有一定優勢。

(1)整體造型優美，新技術、新材料具有強度、阻燃、透光性好等特點。

(2)膜結構使用壽命為20～30 a，維護成本低。

(3)氣膜封閉煤棚送風、排風均為有組織進行，可有效防止由于煤棚內部機械作業導致揚塵的向外擴散，環保性能較好。

(4)自重輕、基礎要求低。

2.5.2 充氣膜數字化智能煤棚的缺點

(1)因密閉性好，車輛和行人進出需設雙門進出，不方便生產操作管理。

(2)需要設置汽車進出的密閉室，占用儲煤場的儲煤空間。

(3)建成后需充氣維護，增加人力和物力投入。

(4)施工過程中膜鋪設期間需采取膜保護措施，施工措施費用較高。

(5)設計使用年限短。相對于鋼網架煤棚設計使用年限50 a來講，氣膜煤棚設計年限為30 a，一般使用30 a后需進行膜材可靠性鑒定以便確定結構可靠性。

(6)整體剛度小，變形大。氣膜煤棚結構構件及支撐方式決定了氣膜煤棚在風雪荷載作用下，結構變形大(極端天氣控制在1～2 m)，屬于大變形結構體系。

(7)目前國內尚無相關的國家規范和標準，消防驗收無章可循，從現有已建成氣膜煤棚項目實施情況看，消防驗收均難以通過。

3 各結構煤場經濟技術比較

各種儲煤結構形式技術經濟比較見表1。

表1 各種儲煤結構形式技術經濟比較

由表1可以看出，充氣膜結構前期投資較低，但后期因運行過程中需要設備維護，運行費用較高；對于120 m以下跨度煤棚，拱形網架結構能滿足設計要求，當需要更大跨度煤棚，需采用管桁架或組合結構形式；從煤棚表面覆材看，膜結構相對于普通彩板維護具有一定的先進性，隨著科技進步國產膜材質性能將得到進一步提高，膜結構煤棚技術會有很大應用前景。

4 結論

隨著國民環保意識的逐步提高，各煤炭供需企業積極推進露天煤場全封閉建設。煤場全封閉建設能從根本上消除揚塵對環境的污染，同時能減少風吹雨淋日曬等造成的煤炭損失，具有較好的社會效益及經濟效益。儲煤場全封閉改造項目往往是在時間緊、任務中的情況下進行，企業在對煤場封閉形式的選用上應根據各自儲煤場實際場地大小、形狀，地質條件、儲量及工藝要求等因素綜合考慮，擇優確定。