管帶機經過煤礦采空區的設計要點

藍武生

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 項目背景

1.1 項目信息

項目位于山西省臨汾市蒲縣太林鄉喬家灣鎮。本項目含3 條管帶機、4 條皮帶機及其他設備的改造，其中PC31、PC41 管帶機穿過現有煤礦采空區。本文主要針對PC31 管帶機的設計進行分析。

1.2 采空區簡介

《煤礦安全規程》將采空區定義為“回采以后不再維護的空間”[1]。采空區的存在給管帶機運行帶來巨大的不穩定性，主要是因為采空區具有隱蔽性、復雜性、突然性、長期性等特點。采空區的失穩破壞具有突然性，塌陷或出現沉降的時間難以估計[1]。隨著采空區的不斷發展，將引起地面沉降和水平位移變化，導致地面出現沉降、塌陷、水平移動、變形等表征[2]。

1.3 山西地區采空區管帶機應用情況

山西應用在采空區并已投運的管帶機項目主要有山西焦煤集團西山煤電興能發電公司的古交電廠二期擴建工程管帶機、山西陽泉燕龕有限責任公司輸煤系統管帶機、晉能控股裝備制造集團公司寺河煤礦管帶機以及宏源煤業集團一期自貢管帶機。以上管帶機在設計初期基本未考慮采空區沉降對管帶機后期運行的影響，給管帶機運行帶來巨大安全隱患[3]，項目現場只能采取臨時加固、臨時調整的措施，給現場的運維帶來極大風險。

2 設計注意事項及設計要點

2.1 采空區范圍的界定

按照目前國內對采空區邊界的界定及業主提供的煤層開采圖、開采范圍、煤層厚度等，初步劃分出采空區大致邊界線[4]。本項目管帶機經過的煤層中，最深煤層為11#煤層的一采區，埋深為188—198m，煤厚為3.1—3.5m，回采高度約為3.2m，采厚比約為61.87。最遲開采煤層為11#煤層的二采區，此煤層也是離管帶機最近的煤層，預計從 2037 年1 月開采，2037 年12 月回采完畢。根據以上信息，組織業主、專家等共同確認煤層最大回采高度為3.2m，整體區域按未充分采動區考慮，煤層傾角按3°考慮。

2.2 合理路由布置

通過前期大量的調研及現場踏勘，要找出最合理的管帶機路由及立柱布置點，特別是立柱的布置應盡量避開采空區，從路由布置上最大程度避免采空區對管帶機的影響。同時，要確認采空區立柱布置為沉降柱，非采空區按常規立柱布置，采空區與非采空區交界處布置兩個沉降柱作為沉降區與非沉降區的過渡段立柱布置。

2.3 管帶機土建方面的設計要點

通過借鑒山西地區采空區輸電線路桿塔的基礎設計及其他項目的運行經驗可知，管帶機沉降區立柱基礎設計應采用大閥板基礎，減少采空區立柱沉降不均勻、沉降傾斜的影響。大閥板基礎就是將立柱的四個基礎澆鑄在一起，使其相對位置固定（見圖1），從而實現無論地表如何沉降，立柱的四條腿始終處在一個平面上，即使整體傾斜也在同一個傾斜面上，而且基本不會變化，這樣就能大大降低采空塌陷對立柱的影響。

圖1 立柱大閥板基礎示意圖

2.4 管帶機本體方面的設計要點

2.4.1 沉降區立柱的設計要點

沉降區的立柱設計主要針對基礎沉降后，如何更加方便、快捷調整立柱，以便使管帶機快速回到相對平滑的過渡狀態。

沉降區立柱全部采用“大四柱+上部龍門懸吊（約4m）”設計。需要計算本項目采空區的最大下沉高度，根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB 51044—2014），本礦區范圍內的煤層傾角為3°，屬于水平煤層或近水平煤層開采，地表最大下沉值計算公式①如下：

其中：Wmax——充分采動條件下的地表最大下沉值，mm；q——下沉系數，本項目取0.7；α——煤層傾角，本煤層傾角為3°；M——煤層發現開采厚度，m，基于本礦區煤厚為3.1—3.5m，煤層回采厚度取3.2m；n——開采不充分條件下的采動系數，本項目取0.7，常規不超過1。

經計算，最大下沉值為1.56m。

根據該最大下沉值，取龍門懸吊高度為4m，實際調整高度約為1.28m（見圖2），加上地腳螺栓的調整高度0.35m，大致可以滿足最大沉降高度。同時，在立柱上設置沉降觀察點，以便及時觀察沉降情況，故龍門懸吊高度為4m 可滿足本項目最大沉降值要求。

圖2 沉降區立柱設計圖

最大水平移動值隨地表最大下沉值的增加而增加，本次計算水平煤層或傾斜煤層開采時沿走向方向的最大水平移動值，在充分或接近充分采動條件下，沿煤層走向方向上的最大水平移動值計算公式②為：

其中：Umax——沿煤層走向方向上的最大水平移動值，mm；b ——水平移動系數，由實測資料分析確定，國內外觀測資料表明，水平移動系數b 比較穩定，一般取0.3。

所以，地表最大水平移動值為0.468m。沉降區段四柱支撐上部除走道板外，兩側各預留500mm 水平調整空間以滿足要求（見圖2）。

2.4.2 桁架的設計要點

目前采空區的著重點基本都在立柱方面，對桁架的考慮比較少。本項目主要考慮基礎沉降后對桁架的影響，基礎沉降后桁架會出現傾斜，所以主要通過控制間隙來避免沉降后的桁架干涉問題。最終確認非沉降區段桁架與桁架間隙按常規50mm 設計,沉降區域桁架與桁架間隙按100mm 設計。

2.4.3 其他設計要點

加上地腳螺栓露頭長度，常規立柱地腳螺栓露頭為140mm，本項目按350mm 考慮（加上地腳螺栓可以調整小沉降的變形）。加大柱底板地腳螺栓開孔，常規M30 地腳螺栓柱底板開孔為40mm，本項目開孔45mm，加大柱底板開孔可以調節一定量的立柱傾斜角度。加長頭尾過渡段長度，常規ST 帶過渡段的長度按50D（D 為名義管徑）設計，本項目過渡段長度設計為70D。將驅動滾筒包膠改為陶瓷鑄膠來增大摩擦力，包膠的摩擦系數一般為0.3，陶瓷鑄膠可以達到0.45 以上[5]。為了方便后續跑偏的調整，本項目將托輥支架設計為分體式托輥支架，托輥支架安裝座開長條孔，以便在線調整管帶機跑偏。

2.5 制作方面的設計要求

本項目通過提高沉降柱的制作精度，從而加強沉降柱的調節能力、減少現場的安裝難度。具體相關要求見圖3。

圖3 沉降立柱制作精度

3 結語

本項目在沉降區管帶機立柱方面的設計及理念很多是行業內的首次嘗試，從目前本項目的管帶機立柱制作及現場安裝來看，設計是合理可靠的，精度也是可以通過提前制定相關措施、手段來保證的。本文針對采空區的管帶機設計理念，對后續管帶機在采空區沉降柱的設計具有一定的借鑒意義。