煤礦井底煤倉壁穩定性控制技術研究

劉明銀

(1.西安科技大學 能源學院， 陜西 西安 710054； 2.煤炭工業太原設計研究院集團有限公司， 山西 太原 030001)

井底煤倉為煤礦主運輸系統的咽喉工程，因其為隱蔽性工程，難以及時發現故障，一旦發現破損就非常嚴重，且具有易于復發，多次重復破壞的特性，威脅倉體安全，影響主運輸系統正常運行。故井底煤倉壁穩定性問題已經成為困擾部分煤炭生產企業的頑疾[1-2]. 井底煤倉布置于深部圍巖體中，倉壁及圍巖組成的支護系統處于深部高地應力環境下，并承受倉內散體貯料顆粒的反復加卸載作用，其力學響應較為復雜[3-4]. 合理的倉壁穩定性控制技術需要考慮設計、施工及運營期的綜合作用，還需要實時匹配防堵增滑技術裝備[5-7]. 充分考慮地下工程的全過程影響指標，采取綜合的控制技術手段是科學合理確定井底煤倉壁穩定性的基礎。

1 設計施工運營三期協調管控

1.1 設計階段保證設計強度

在設計階段由于井底煤倉服務年限長，其服務年限同礦井服務年限相同。在設計階段保證設計強度是井底煤倉壁穩定性控制的源頭，保證設計階段倉壁具有足夠的支護強度，在考慮各種載荷基礎上提供合理的設計方案及施工圖紙。主要技術措施：對重點區域設計加強支護、采用開卸壓槽等措施消除高應力區、設計合理的倉壁厚度及圍巖控制措施等。

在開拓開采階段設計時，將井底煤倉布置于穩定巖層中，對軟弱圍巖提前處理加固，確定合理倉壁支護形式及支護強度。為保證支護強度及倉壁內壁光滑完整，便于倉內煤或矸石流動，現階段普遍采用鋼筋混凝土圓筒倉砌碹支護，支護厚度300～1 000 mm，主要取決于圍巖巖性及開挖井底煤倉的凈斷面。如干河煤礦井底煤倉正常段倉壁支護斷面凈直徑為7 m，倉壁主體段厚度為450 mm，素混凝土結構；雙柳煤礦井底煤倉正常段倉壁支護斷面凈直徑為10 m，倉壁主體段厚度為500 mm，鋼筋混凝土結構。

1.2 施工階段保證工程質量

施工階段質量保證措施主要體現在倉壁施工材料合格、施工過程規范、混凝土養護合理等。在井底煤倉壁成型后保證足夠的混凝土養護時間及正確的養護方式，對于硅酸鹽水泥或普通水泥混凝土潮濕養護齡期不應小于7 d. 同時，養護期內必須保證混凝土的養護濕度及溫度，實際施工中要求養護溫度不應低于5 ℃.

1.3 運營階段加強質量管控

井底煤倉投入運營后需加強進入倉內散體顆粒質量管控，特別是注意粒徑及含水率的控制，如避免大塊直接入倉、避免雜物入倉、避免水煤入倉等；采用改善煤流狀態的上口裝置，避免煤流直接沖擊倉壁；合理控制下口流出煤炭顆粒流量；減少空倉運行時間等。綜合手段的合理實施是保證井底煤倉安全穩定的關鍵。

2 改善圍巖應力發揮圍巖自承作用

改善圍巖應力狀態可在設計階段選擇合理的煤倉位置，施工階段采取圍巖加固措施等。

井底煤倉壁直接作用于巖層中，對巖層起控制作用，但最終是依靠倉壁與圍巖共同組成的支護系統發揮作用。因此，改善圍巖應力狀態，避免圍巖應力集中，發揮混凝土倉壁與圍巖的共同承載作用是保證井底煤倉壁穩定的主要途徑。常用的方法：錨桿錨索支護、注漿加固破碎圍巖、對高應力圍巖開槽卸壓等。

在井底煤倉壁整體力學結構上變簡支為固支，提高倉壁整體的承載能力。避免井壁與圍巖之間由于各種原因形成不完全接觸，如壁后存在過大空洞等，易造成倉壁承載結構上的不合理。

3 加強防堵增滑裝備的研制

倉內散體顆粒運動造成井底煤倉壁承受內部載荷作用，隨著時間推移易造成倉壁損傷破壞。減少該力學作用的有效途徑是使用具有低摩擦阻力、高耐磨性、高抗沖擊性的倉壁內襯；加強防堵增滑裝備在井底煤倉的使用。

3.1 倉壁內側設置耐磨、助滑及防撞擊內襯

在井底煤倉壁內表面根據貯料的容重、粒徑、硬度、落料高度、進出料方式及對漏斗壁光滑度的要求，設置相應的耐磨、助滑及防撞擊層。隨著倉壁內襯材料進一步的發展，采用內襯體現出優勢，其形式主要表現為：由原先的軌枕、鋼板等型鋼到多晶材料、再到微晶陶瓷等，使材料的抗磨性、助滑、韌性均得到顯著提高，使用效果及服務年限均可達到滿意效果。現階段滑動接觸面多采用鐵鋼砂混凝土作為耐磨材料。如李家樓煤礦、干河煤礦、雙柳煤礦等均在井底煤倉對下部漏斗口采用鐵鋼砂混凝土作為耐磨材料。李家樓煤礦井底煤倉下漏斗口區域采用耐磨增滑材料情況見圖1.

圖1 井底煤倉漏斗口耐磨材料設置情況圖

3.2 防堵倉裝備應用

目前常用的防堵倉措施及裝備為：

1) 在井底煤倉內設置破拱裝置，如空氣炮，如圖1實例中空氣炮及預埋壓風鋼管布置情況。

2) 借助工具機械或人工處理堵倉事故。

3) 采用鉆機鉆孔破壞已堵塞煤倉內散體顆粒內部形成的承載結構。

4) 采用少量炸藥進行微震爆破。

5) 井底煤倉內設置緩沖裝置，如防墜梁。

6) 其它防堵倉設備的應用，如緩沖槽等。

防止井底煤倉發生堵倉的裝備在煤礦實際發展中具有重要的現實意義，特別是研發低能耗、高效率的防堵裝備可有效防止或解決堵倉問題，提高生產效率，保障礦井的正常運行。

4 保證倉壁強度及合理的倉壁結構

4.1 適應井底煤倉卸載超壓的合理倉壁結構

采用豎向可壓縮倉壁結構是切實可行的方法，即“讓”的方法。我國目前尚未正式出臺煤礦井底煤倉壁的設計規范，應引起學者們及現場工程技術人員的重視。

由于井底煤倉內散體顆粒在卸料過程中倉壁卸載超壓現象是客觀存在的，故在設計階段必須考慮適應卸載超壓力學行為的合理井壁結構。針對井底煤倉工程具有在縱向穿越多層巖層的工程特性，因此需要對不同圍巖性質分別采取相應的控制技術，確定合理的倉壁結構及形狀尺寸、合適的倉壁支護厚度、有利的斷面形狀，而且針對不同圍巖可以采用不同斷面，有針對性地發揮倉壁與圍巖共同承載作用，達到井底煤倉壁的穩定性控制目的。

4.2 減少倉壁側壓力的控制技術措施探討

減少倉壁側壓力技術手段主要體現在減少動載沖擊及降低倉壁的變形模量兩個方面。減少動載沖擊，主要通過合理控制煤炭顆粒流動速度，井底煤倉下口給煤機給煤量控制盡量保證均勻給料，避免頻繁波動，保證井底煤倉合理容量及設計尺寸等。降低倉壁變形模量，即提高倉壁與圍巖變形模量比可減少倉壁側壓力，主要控制技術有:采用砌碹支護優于錨噴支護；采用鋼筋混凝土支護優于素混凝土支護；增加井底煤倉壁的混凝土強度；合理采用耐磨助滑內襯材料；采用合理的破拱裝備；盡量減少運營階段堵倉次數對倉壁的影響。

4.3 預應力混凝土倉壁應用

圓形混凝土井底煤倉壁通過設置預應力筋增強其穩定性，預應力鋼筋可分為無粘結后張拉預應力，有粘結后張拉預應力及緩粘結預應力。預應力筋應采用無接頭鋼絲(鋼絲束)或鋼絞線。

預應力混凝土倉壁的發展為井底煤倉壁穩定性提供了新的發展方向，它通過對倉壁施加預應力，改變煤倉工作過程中的應力狀態，有效解決了普通混凝土倉壁強度不足的問題，為今后進一步提高井底煤倉壁強度提供了一種切實可行且十分有效的途徑。

5 結 論

1) 加強設計、施工、運營三期協調管控，是實現煤礦井底煤倉壁穩定性的基本保障。

2) 通過開拓開采階段的設計，將井底煤倉布置于穩定巖層中，對軟弱圍巖提前處理加固，合理設計倉壁支護形式及支護強度等綜合控制手段，可改善圍巖應力狀態，發揮支護系統與圍巖共同作用來保證承載能力。

3) 防堵倉及耐磨助滑材料及裝備的應用，可有效減少倉內散體貯料顆粒流動過程中的堵倉現象，同時降低倉壁承受動載沖擊的現象。

4) 提高井底煤倉壁自身承載強度及合理的倉壁結構為控制倉壁穩定性的有效途徑。