1、立項背景
煤礦井下煤倉下部均建有專用給煤硐室，該硐室承擔(dān)著煤倉內(nèi)煤、混凝土倉體及給煤機(jī)的大部分重量。因此，給煤硐室的強(qiáng)度與穩(wěn)定性是煤倉能否正常安全使用的關(guān)鍵所在。現(xiàn)有技術(shù)通過人為提高給煤硐室支護(hù)強(qiáng)度及采取有效排水措施等方法，但均不能從根本上解決因給煤硐室圍巖受水、壓力等因素影響變形嚴(yán)重，導(dǎo)致煤倉不能安全、高效使用的難題。
在此情況下，為保證井下煤倉長期安全使用，需要根據(jù)煤倉的圍巖條件及其與周圍工作面的相對位置關(guān)系等地質(zhì)采礦條件，在分析煤倉給煤硐室失穩(wěn)破壞原因的基礎(chǔ)上，開發(fā)新型壁掛式煤倉，解決影響煤礦生產(chǎn)的實(shí)際問題，為類似地質(zhì)條件下煤倉設(shè)計與圍巖控制提供借鑒。
2、研究內(nèi)容
1.技術(shù)路線
采用現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，分析舊煤倉給煤硐室的失穩(wěn)破壞原因，并對壁掛式煤倉的關(guān)鍵技術(shù)展開研究，主要的技術(shù)路線如下：
2.研究思路
針對舊煤倉的失穩(wěn)破壞原因，新型煤倉取消煤倉下口的給煤硐室承載結(jié)構(gòu)，在采用高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)有效控制煤倉圍巖變形的基礎(chǔ)上，在煤倉圍巖中預(yù)埋工字鋼托梁、工字鋼倉體托架、設(shè)置工字鋼倉體托架固定錨索及煤倉下部的承重自鎖錨索等構(gòu)建煤倉自承載體系，然后配筋、支模及澆筑混凝土，將工字鋼托梁、工字鋼倉體托架及承重自鎖錨索全部澆筑在鋼筋混凝土內(nèi)，利用倉壁圍巖承擔(dān)煤倉的全部重量，從而形成壁掛式煤倉。
3.關(guān)鍵技術(shù)
壁掛式煤倉結(jié)構(gòu)圖
（1）高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)
開發(fā)壁掛式煤倉的前提條件是有效控制煤倉圍巖變形，包括控制煤倉附近上、下巷道的圍巖變形。只有控制住煤倉圍巖變形，才能將煤倉的各種承載結(jié)構(gòu)置于煤倉圍巖中，形成壁掛式煤倉自承載體系。
根據(jù)對煤倉圍巖穩(wěn)定性的分析結(jié)果，為了提高錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)如下：
1）采用剛性較大的剛性網(wǎng)，加大煤倉護(hù)表網(wǎng)的剛度；
2）加大錨桿長度，增大錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的厚度；
3）除采用一般高強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)外，在煤倉煤層段，增加結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索，提高錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，更好地發(fā)揮錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的承載能力，從而有效控制煤倉煤層段在高應(yīng)力作用下的圍巖變形；
4）根據(jù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償原理，對煤倉下口暗皮帶井采用二次高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)支護(hù)，提高新煤倉臨近巷道的穩(wěn)定性，保證煤倉整體穩(wěn)定。
在采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的變形特征和支護(hù)承載結(jié)構(gòu)各部分的穩(wěn)定性，對錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的薄弱部位，采用錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，不僅煤倉煤層段圍巖位移量大大減小，而且整個煤倉各段不均勻變形的程度得到有效控制，大大提高了煤倉的整體穩(wěn)定性。
（2）構(gòu)建煤倉自承載體系
1）煤倉主承載系統(tǒng)
針對煤倉上部圍巖為強(qiáng)度較高的砂巖，在煤倉倉體上部砂巖段均勻有規(guī)律的布置工字鋼托梁，由工字鋼托梁承擔(dān)倉體的全部重量，并保證一定的安全系數(shù)。
2）煤倉輔助承載系統(tǒng)
在煤倉下部漏斗部分沿煤倉周向有規(guī)律地布置自鎖承重錨索。通過自鎖承重錨索將煤倉下部漏斗固定到煤倉圍巖深部穩(wěn)定圍巖體中，以便承擔(dān)起煤倉的全部重量。該承載系統(tǒng)防止因煤倉下部圍巖承載能力低導(dǎo)致煤倉結(jié)構(gòu)破壞，是煤倉主承載系統(tǒng)的補(bǔ)充，進(jìn)一步保證了煤倉倉體的穩(wěn)定性。
（3）建立了煤倉安全評價體系
根據(jù)壁掛式煤倉的受力特點(diǎn)，假設(shè)煤倉倉體重量全部由工字鋼托梁承擔(dān)，需保證工字鋼托梁的承載能力大于煤倉的總重量，并滿足一定的安全系數(shù)。
（4）相關(guān)配套技術(shù)
1）電渣壓力焊技術(shù)
為保證鋼筋連接強(qiáng)度，煤倉倉壁豎向筋（主筋）連接采用電渣壓力焊技術(shù)，即將兩根鋼筋安放成豎向或斜向?qū)有问?，利用焊接電流通過兩根鋼筋間隙，在焊劑層下形成電弧過程和電渣過程，產(chǎn)生電弧熱和電阻熱，熔化鋼筋加壓完成的一種壓焊方法。
2）煤倉漏斗斜面鋪設(shè)抗沖擊耐磨材料
為增強(qiáng)煤倉漏斗斜面混凝土耐磨性和耐沖擊性，從而有效保護(hù)漏斗斜面承重工字鋼梁，實(shí)現(xiàn)煤倉長期正常安全使用，在漏斗斜面鋪設(shè)一層50mm厚M80型高強(qiáng)耐磨料。M80型高強(qiáng)耐磨料是一種新型無機(jī)復(fù)合型建筑材料，適用于有耐磨要求構(gòu)筑物的耐磨層。
3）煤倉上口封閉技術(shù)
沿煤倉上口巷道軸向，按煤倉中心線對稱鋪設(shè)6根40b熱軋輕型工字鋼梁，工字鋼梁上表面與煤倉上口底板齊平，每根梁兩端伸入倉壁深度不小于1000mm，同時在煤倉中心處將用11#礦用工字鋼焊接而成的封口篦子焊接在40b熱軋輕型工字鋼上表面，從而形成1870mm×1430mm的放煤口，其中箅子網(wǎng)口尺寸為400mm×300mm；其余地方采用10mm厚鋼板蓬嚴(yán)。煤倉投入使用后，在上口設(shè)置護(hù)欄，實(shí)行全封閉管理。
3、現(xiàn)場工業(yè)性實(shí)驗(yàn)
新型煤倉施工歷時四個多月，施工工藝過程如下：
煤倉中心定位→鉆中心孔和7個回風(fēng)孔→反井掘進(jìn)→由上向下刷大斷面、進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，同時安裝工字鋼托梁、鉆打工字鋼倉體托架梁窩和施工固定錨索→ 煤倉下口暗皮帶井?dāng)U巷加固→安裝工字鋼倉體托架和固定錨索→配筋、支模、澆筑混凝土→拆除模板→漏斗斜面鋪設(shè)抗沖擊耐磨混凝土→煤倉上口封閉→安裝給煤機(jī)→工程驗(yàn)收。
新型煤倉投入使用至今已一年半左右時間，長期觀測結(jié)果表明：在煤的長期沖刷下，煤倉倉壁完整，未出現(xiàn)倉壁混凝土開裂現(xiàn)象；同時，煤倉整體也沒發(fā)生下移?？梢姡滦兔簜}較好地解決了煤倉因給煤硐室圍巖易受水、壓力等因素影響，特別是給煤硐室強(qiáng)烈底鼓導(dǎo)致煤倉不能安全高效使用的技術(shù)難題。
4、應(yīng)用效果分析
1）直接經(jīng)濟(jì)效益
原來的煤倉，每班需要安排專人對其加固的單體支柱進(jìn)行補(bǔ)液維護(hù)， 一年累計投入：365×3×1×300=32.85萬元。每年投入的維護(hù)費(fèi)用（含材料費(fèi)）大約165萬元，累計每年投入197.85萬元，兩年時間內(nèi)原煤倉維護(hù)費(fèi)達(dá)到395.7萬元。
新煤倉建設(shè)成本為390.93萬元。
因此，盡管新煤倉一次性投入較高，但原煤倉兩年的維護(hù)費(fèi)用就超過了新煤倉總造價。兩年后每年節(jié)約維護(hù)費(fèi)用達(dá)197.85萬元左右。
2）間接經(jīng)濟(jì)效益
新型煤倉避免了因?qū)εf煤倉每半年進(jìn)行一次維修加固導(dǎo)致的工作面停產(chǎn)，以及給礦井正常安全生產(chǎn)帶來的影響，保證了正常生產(chǎn)秩序，提高了生產(chǎn)效率。
5、主要研究結(jié)論
1.舊煤倉給煤硐室圍巖體強(qiáng)度低、水對底板圍巖強(qiáng)度的弱化、兩側(cè)工作面強(qiáng)烈采動、煤柱內(nèi)高支承壓力影響及給煤硐室承載結(jié)構(gòu)承載能力難以發(fā)揮是舊煤倉給煤硐室失穩(wěn)破壞的主要原因。
2.舊煤倉給煤硐室底板炭質(zhì)泥巖及根土巖遇水后強(qiáng)烈膨脹及強(qiáng)度弱化，導(dǎo)致底板圍巖強(qiáng)烈鼓出，給煤硐室混凝土底梁隨著底板圍巖鼓出，處于拉伸破壞狀態(tài)，并且在底梁強(qiáng)烈鼓出與破壞的同時，立柱也因此受到擠壓而發(fā)生強(qiáng)烈剪脹，并完全處于拉伸破壞狀態(tài)，導(dǎo)致混凝土承載結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)破壞。
3.取消煤倉下口給煤硐室承載結(jié)構(gòu)，利用倉壁圍巖承擔(dān)煤倉重量；根據(jù)煤倉下部圍巖為煤層，且其底板遇水強(qiáng)烈膨脹的圍巖條件，構(gòu)建由工字鋼托梁、工字鋼倉體托架、工字鋼倉體托架固定錨索及承重自鎖錨索形成的煤倉倉壁圍巖自承載體系；
4.煤倉建設(shè)除采用了新型壁掛式煤倉技術(shù)外，還采用了電渣壓力焊、高強(qiáng)抗沖擊耐磨材料等先進(jìn)工藝和新材料，新煤倉整體技術(shù)水平較高。
5.現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)表明，新型煤倉取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、安全可靠、便于維護(hù)，在類似地質(zhì)條件下具有很好的推廣應(yīng)用價值。
小編評論
為保證井下煤倉長期安全使用，開發(fā)新型壁掛式煤倉是一件必要舉措。該技術(shù)運(yùn)用了高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)、構(gòu)建煤倉自承載體系、建立煤倉安全評價體系等多種相關(guān)配套技術(shù)，并通過了長期的現(xiàn)場工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，較好地解決了煤倉因給煤硐室圍巖易受水、壓力等因素影響，特別是給煤硐室強(qiáng)烈底鼓導(dǎo)致煤倉不能安全高效使用的技術(shù)難題。
該技術(shù)可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有極大的普及和推廣價值。希望有采用意向和合作需求的企業(yè)與我們聯(lián)系。
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