劉利波 曹艷軍
(神華準(zhǔn)格爾能源集團(tuán)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,010300)
筒倉(cāng)在煤炭、電力的港口等多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,主要用于短期貯存原料和產(chǎn)品等物料,具有環(huán)境污染小以及按質(zhì)分儲(chǔ)等特點(diǎn)。但由于地質(zhì)變化或者設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)仍?,?huì)引起筒倉(cāng)建筑變形問(wèn)題。針對(duì)存在的問(wèn)題,學(xué)術(shù)上有針對(duì)軟質(zhì)巖屑地基對(duì)建筑物的破壞機(jī)理及治理分析研究,也有針對(duì)貯煤筒倉(cāng)安全檢測(cè)系統(tǒng)的有關(guān)研究,這些研究對(duì)保障超大型筒倉(cāng)的安全至關(guān)重要。周留才對(duì)石景山熱電廠3萬(wàn)t貯煤筒倉(cāng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)防措施、檢測(cè)控制和處理手段進(jìn)行了研究分析;吳世佳通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,分析了邊坡的變形破壞機(jī)制,綜合評(píng)判了邊坡的整體性情況;王靜等人的研究表明,鋼支撐沒(méi)有預(yù)加軸力對(duì)圍護(hù)樁的受力和變形影響較大,樁體嵌固深度不足對(duì)位移影響不明顯,但對(duì)樁體應(yīng)力增大明顯,對(duì)樁體受力性能十分不利;曾二賢等人的研究表明,邊坡坡腳存在較大應(yīng)力集中,且開(kāi)挖坡腳是影響滑坡穩(wěn)定的重要因素;張利朋等人采用GNSS、傳感器和測(cè)斜儀聯(lián)合監(jiān)測(cè)邊坡,通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可知,在滑動(dòng)較大的地方采取改河道和削坡減載等綜合治理措施能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡災(zāi)害防范降災(zāi);蔡同祥等人研究表明,筒倉(cāng)卸料時(shí)增壓比與徑向位移比變化基本一致,增壓比與料倉(cāng)內(nèi)顆粒流動(dòng)速度存在一定的線性關(guān)系,靜、動(dòng)態(tài)時(shí)側(cè)壓峰值出現(xiàn)在直筒壁與漏斗壁過(guò)渡處靠近直筒壁一側(cè),側(cè)壓增壓比在筒倉(cāng)中上部達(dá)到最大值,必須強(qiáng)化過(guò)渡處和筒倉(cāng)上部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);盧坤林等人采用模型槽對(duì)素土和加筋土邊坡的破壞過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn),用數(shù)碼攝像機(jī)記錄了邊坡破壞的全過(guò)程,為邊坡的治理提高了依據(jù)。
由于神華準(zhǔn)能集團(tuán)選煤廠(以下簡(jiǎn)稱準(zhǔn)能選煤廠)的貯煤筒倉(cāng)處在特殊地質(zhì)條件的位置上,并受到露天礦爆破采煤擾動(dòng)以及周圍新建工程的影響,1993年以來(lái),針對(duì)選煤廠貯煤倉(cāng)邊坡因失穩(wěn)滑移和偏移現(xiàn)象進(jìn)行了多次工程治理。為了保證貯煤筒倉(cāng)安全可靠,建立了基于邊坡失穩(wěn)滑移地形下貯煤筒倉(cāng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并結(jié)合2015年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)倉(cāng)體荷載(半倉(cāng)、滿倉(cāng))變化、倉(cāng)體偏載季節(jié)性溫度的變化等因素與倉(cāng)體沉降和偏移的關(guān)系進(jìn)行了研究。
準(zhǔn)能選煤廠位于露天首采區(qū)北側(cè),高程為1205~1153 m,場(chǎng)地自然地形南高北低,坡度約為10%。場(chǎng)地為黃土地貌,由于地表徑流沖刷侵蝕作用,場(chǎng)地沖溝發(fā)育,溝壁陡峭,地形復(fù)雜。表土層為黃土且表土層較厚,其下為紫色亞粘土卵石、粗砂等。準(zhǔn)能選煤廠工業(yè)場(chǎng)地是以自然地形條件進(jìn)行設(shè)計(jì),呈豎向排列,采用臺(tái)階式平場(chǎng)方式分臺(tái)階布置。產(chǎn)品倉(cāng)均采用鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu),產(chǎn)品倉(cāng)零平面標(biāo)高為1172.3 m,倉(cāng)高為35 m,總倉(cāng)容為3.89萬(wàn)t。產(chǎn)品倉(cāng)一字排開(kāi),自西向東排列,與鐵路裝車站平行布置。位于準(zhǔn)能選煤廠場(chǎng)地內(nèi)的最低一個(gè)臺(tái)階,產(chǎn)品倉(cāng)平場(chǎng)標(biāo)高比鐵路裝車站下軌面標(biāo)高為18.8 m,高差較大,使產(chǎn)品倉(cāng)北側(cè)與裝車站鐵路之間形成了較大的邊坡。
為了準(zhǔn)確地檢測(cè)貯煤筒倉(cāng)實(shí)時(shí)危險(xiǎn)動(dòng)態(tài),及時(shí)掌握倉(cāng)體偏移和沉降情況,需對(duì)準(zhǔn)能選煤廠產(chǎn)品倉(cāng)進(jìn)行倉(cāng)體傾斜、基礎(chǔ)沉降及位移、地下水位變化、溫度對(duì)倉(cāng)體位移影響等項(xiàng)目的研究。通過(guò)選用合適的監(jiān)測(cè)儀器對(duì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),建立軟硬件系統(tǒng)對(duì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化采集,通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析處理,形成一套數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)反饋機(jī)制,及時(shí)關(guān)注報(bào)警信息,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控、遠(yuǎn)程在線查看、在線分析和預(yù)報(bào)警四大功能。
該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理分析及綜合預(yù)警,并具備在各種氣候條件下實(shí)現(xiàn)適時(shí)監(jiān)測(cè)的能力。另外,企業(yè)各級(jí)安全管理職能部門可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)筒倉(cāng)各項(xiàng)在線監(jiān)測(cè)參數(shù)的查看;安全監(jiān)測(cè)管理分析模塊還具備基礎(chǔ)資料管理、各項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容適時(shí)顯示發(fā)布、圖形報(bào)表制作、數(shù)據(jù)分析、綜合預(yù)警等功能,其中數(shù)據(jù)分析部分包括各項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容趨勢(shì)分析、綜合過(guò)程線分析等內(nèi)容。通過(guò)軟件對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線分析,一旦監(jiān)控參數(shù)超限,系統(tǒng)能夠進(jìn)行聲光報(bào)警、短信報(bào)警和郵件報(bào)警,提醒相關(guān)人員采取措施,預(yù)防事故發(fā)生。
貯煤筒倉(cāng)在線檢測(cè)包括傾斜監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)以及倉(cāng)貯煤量監(jiān)測(cè)5個(gè)方面。
(1)傾斜監(jiān)測(cè)。傾斜監(jiān)測(cè)采用雙軸傾斜儀,同時(shí)測(cè)定兩個(gè)正交方向上的傾斜量。可同時(shí)測(cè)定在平面xoz和yoz兩個(gè)垂直平面內(nèi)的傾角如圖1所示。筒倉(cāng)傾斜監(jiān)測(cè)的原理是將筒倉(cāng)最下面的一點(diǎn)作為參考點(diǎn),通過(guò)倉(cāng)體在xoz以及yoz平面直接偏移量的采集,在垂直偏移儀器上進(jìn)行顯示,從而監(jiān)測(cè)倉(cāng)筒的傾斜狀態(tài),通過(guò)在筒倉(cāng)側(cè)壁上安裝多只傾斜儀可以更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)倉(cāng)筒變形情況。位移采用的計(jì)算公式見(jiàn)式(1):
S=(X0-X)×G+K×(Z-H)
(1)
式中:S——位移變化量,mm;
X0——為初始儀器讀數(shù),mm;
X——當(dāng)前讀數(shù),mm;
G——設(shè)備提供的儀器系數(shù);
K——傳感器修正系數(shù);
Z——初始溫度, ℃;
H——當(dāng)前溫度, ℃。
(2)沉降監(jiān)測(cè)。沉降監(jiān)測(cè)采用靜力水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)由一系列含有液位傳感器的容器組成,容器之間由充液管互相連通。基準(zhǔn)容器位于一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn),其它容器位于與基準(zhǔn)容器大約相同標(biāo)高的不同位置上,任何一個(gè)容器與基準(zhǔn)容器之間的高程變化都將引起相應(yīng)容器內(nèi)的液位變化。靜力水準(zhǔn)組成示意圖如圖2所示。
圖1 在平面xoz和yoz兩個(gè)垂直平面內(nèi)測(cè)定傾角
圖2 靜力水準(zhǔn)組成示意圖
靜力水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用連通器原理,即連通管兩端口液面保持同一水平面,當(dāng)觀測(cè)人員在觀測(cè)房?jī)?nèi)測(cè)出測(cè)管端液面高程時(shí),便可知道另一端(測(cè)點(diǎn))的液面高程。前后兩次高程測(cè)量讀數(shù)之差即為該測(cè)點(diǎn)的沉降量,計(jì)算公式見(jiàn)式(2):
S1=H1-H0
(2)
式中:S1——測(cè)點(diǎn)的沉降量,mm;
H1——當(dāng)前測(cè)量讀數(shù),mm;
H0——初始測(cè)量讀數(shù),mm。
(3)地下水位監(jiān)測(cè)。采用振弦式滲壓計(jì)進(jìn)行地下水位監(jiān)測(cè),在鉆孔里放置滲壓計(jì)(與測(cè)壓管結(jié)合使用),通過(guò)測(cè)量滲壓計(jì)的壓力,再轉(zhuǎn)化為水頭高度,結(jié)合安裝深度以及孔口高程即可得到地下水位高度(地下水位高度為安裝儀器的安裝高度與滲壓計(jì)測(cè)量高度的差值)。地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置選擇在貯煤筒倉(cāng)附近,設(shè)計(jì)幾個(gè)監(jiān)測(cè)剖面,需要鉆孔深度一般為見(jiàn)水2~4 m以下。地下水位設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。
圖3 地下水位設(shè)計(jì)示意圖
(4)溫度監(jiān)測(cè)。采用半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器對(duì)筒倉(cāng)溫度進(jìn)行監(jiān)控。
(5)倉(cāng)儲(chǔ)煤量監(jiān)測(cè)。通過(guò)倉(cāng)下膠帶秤以及倉(cāng)內(nèi)料位計(jì)的配合使用,對(duì)倉(cāng)內(nèi)的物料進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解筒倉(cāng)在空倉(cāng)、半倉(cāng)、滿倉(cāng)不同狀態(tài)下的偏移和沉降變化。
(1)固定式傾角計(jì)。由于筒倉(cāng)直徑較大,煤倉(cāng)的傾斜屬于剛性的,因此采用雙軸傾斜儀,在產(chǎn)品倉(cāng)高度為35 m和10 m的位置處設(shè)置傳感器,從倉(cāng)體上的傾斜儀就可以直接得到倉(cāng)體的傾斜角和傾斜方向。
(2)沉降監(jiān)測(cè)。在產(chǎn)品倉(cāng)的每個(gè)倉(cāng)體側(cè)壁上設(shè)置1個(gè)靜力水準(zhǔn)儀,結(jié)合測(cè)斜儀測(cè)出的倉(cāng)體傾斜量,得出倉(cāng)體任意位置的沉降量。
(3)振弦式滲壓計(jì)。選擇型號(hào)為BGK-4500S的滲壓計(jì),透水石浸透完成后,將滲壓計(jì)提至水面位置,此時(shí)用采集軟件或讀數(shù)儀讀出滲壓計(jì)的初始頻率并做記錄。
(4)溫度監(jiān)測(cè)。產(chǎn)品倉(cāng)按照一個(gè)選用半導(dǎo)體熱敏電阻溫度傳感器,傳感器型號(hào)為BGK-3700。
(5)煤倉(cāng)物位測(cè)量。煤倉(cāng)物位監(jiān)測(cè)采用超聲波煤位監(jiān)測(cè)儀器,采用RS232和RS485等數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸。
軟件系統(tǒng)由采集軟件MDSS和煤倉(cāng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)NetMonitor組成。 MDSS是一套連接傳感器和采集器的上位機(jī)軟件,將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,結(jié)合環(huán)境參數(shù)解算出最終結(jié)果,并在MDSS界面上顯示,然后發(fā)送給其他顯示平臺(tái)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。NetMonitor為選煤廠煤倉(cāng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),是一款監(jiān)測(cè)煤倉(cāng)傾斜度、內(nèi)部料位、沉降、外部溫度的綜合管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)展示、報(bào)警、用戶管理、日志查詢、傳感器管理等功能。貯煤筒倉(cāng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由貯煤筒倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器系統(tǒng)、選煤廠監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)傳輸三大部分組成。貯煤筒倉(cāng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示。
圖4 貯煤筒倉(cāng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D
溫度在16℃~18℃之間,偏載在-2~2 m范圍內(nèi),控制自變量溫度和偏載不變,得到料位的變化對(duì)倉(cāng)體的沉降和傾斜的影響曲線如圖5和圖6所示。
從圖5和圖6可以看出,產(chǎn)品倉(cāng)實(shí)測(cè)點(diǎn)與中心點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)相較而言比較接近且相差較小;其總體走勢(shì)為:在料位介于0~12 m之間時(shí),沉降量有些許波動(dòng),但波動(dòng)范圍較??;料位為13 m時(shí),沉降量約為10 mm,隨后出現(xiàn)大幅沉降,最低在料位在16 m時(shí)達(dá)到-2 mm,隨后大幅上升,最高在料位18.5 m時(shí)接近16 mm,總體來(lái)看沉降曲線較為穩(wěn)定。二號(hào)北傾角計(jì)隨料位變化不大,一號(hào)北傾角計(jì)數(shù)據(jù)最大,并持續(xù)保持在-0.03°~-0.04°之間,一號(hào)東傾角計(jì)圍繞0°波動(dòng)較大,二號(hào)東傾角計(jì)與一號(hào)東傾角計(jì)基本保持同一波動(dòng)情況,傾斜范圍主要在-0.01°~-0.025°之間。
圖5 料位對(duì)倉(cāng)體沉降的影響曲線
圖6 料位對(duì)倉(cāng)體傾斜的影響曲線
6.2.1 半倉(cāng)
溫度在16℃~18℃之間,料位在8~12 m范圍內(nèi)(半倉(cāng)),控制自變量溫度和倉(cāng)體工作狀態(tài)不變,得到偏載對(duì)倉(cāng)體的沉降和傾斜的影響曲線如圖7和圖8所示。
從圖7和圖8可以看出,測(cè)試倉(cāng)體的實(shí)測(cè)點(diǎn)和中心點(diǎn)在偏載變化過(guò)程中,兩組數(shù)據(jù)相差較小,趨勢(shì)基本保持同步,偏載在-17~-5 m之間時(shí),沉降量較穩(wěn)定在-3~3 m之間波動(dòng),隨后急劇上升,在偏載為-4.7 m左右達(dá)到最大值15 m,此后在偏載為5.7~15 m時(shí)沉降量出現(xiàn)峰值,其他時(shí)間主要波動(dòng)于-1~3 m之間。二號(hào)北、東傾角計(jì)所測(cè)的傾斜角度與偏載的關(guān)系不大,但是一號(hào)北、東傾角計(jì)所測(cè)傾斜角在偏載逐漸增大的過(guò)程中,傾斜角度波動(dòng)較大,整體出現(xiàn)略微減小的趨勢(shì)。
圖8 偏載對(duì)倉(cāng)體傾斜的影響曲線
6.2.2 滿倉(cāng)
溫度在16℃~18℃之間,料位在16~20 m范圍內(nèi)(滿倉(cāng)),控制自變量溫度和倉(cāng)體工作狀態(tài)不變,得到偏載對(duì)倉(cāng)體的沉降和傾斜的影響曲線如圖9和圖10所示。
圖9 偏載對(duì)倉(cāng)體沉降的影響曲線
圖10 偏載對(duì)倉(cāng)體傾斜的影響曲線
從圖9和圖10可以看出,測(cè)試倉(cāng)體的實(shí)測(cè)點(diǎn)和中心點(diǎn)在偏載變化過(guò)程中,兩組數(shù)據(jù)相差較小,趨勢(shì)基本保持同步,偏載在-5~1.5 m之間時(shí),沉降量穩(wěn)定在0附近波動(dòng),隨后急劇上升,在偏載為2 m左右時(shí)達(dá)到最大值15,此后又迅速下降于偏載為2.5 m時(shí)達(dá)到0。隨后在偏載為3 m時(shí),沉降量又一次出現(xiàn)峰值,而后同樣迅速下降到0,之后穩(wěn)定在0附近。二號(hào)北傾角計(jì)所測(cè)的傾斜角度與偏載的關(guān)系不大,但是二號(hào)東和一號(hào)北、東傾角計(jì)所測(cè)傾斜角在偏載逐漸增大的過(guò)程中,傾斜角度波動(dòng)較大,整體出現(xiàn)略微減小的趨勢(shì)。
6.3.1 半倉(cāng)
偏載在-2~2 m之間,料位在8~12 m范圍內(nèi)(半倉(cāng)),控制自變量偏載和倉(cāng)體工作狀態(tài)不變,得到溫度對(duì)倉(cāng)體的沉降和傾斜的影響曲線如圖11和圖12所示。
圖11 溫度對(duì)倉(cāng)體沉降的影響曲線
圖12 溫度對(duì)倉(cāng)體傾斜的影響曲線
從圖11和圖12可以看出,測(cè)試倉(cāng)體的實(shí)測(cè)點(diǎn)和中心點(diǎn)在溫度的變化過(guò)程中,在6℃~10℃溫度區(qū)間,沉降值迅速增大,在溫度為10℃時(shí),沉降值迅速減小,在10℃~20℃溫度區(qū)間,沉降值穩(wěn)步上升,期間略有波動(dòng)。在20℃時(shí),沉降值有較大的下降,而后沉降值較為穩(wěn)定。一號(hào)傾角計(jì)所測(cè)北傾斜角度和東傾斜角度在整個(gè)溫度變化區(qū)間變化不大。二號(hào)傾角計(jì)所測(cè)北傾斜角度和東傾斜角度隨著溫度的增加,傾斜角度整體出現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì),其中由數(shù)據(jù)的誤差及其他各種因素使得曲線產(chǎn)生波動(dòng)。
6.3.2 滿倉(cāng)
偏載在-2~2 m之間,料位在16~20 m范圍內(nèi)(滿倉(cāng)),控制自變量偏載和倉(cāng)體工作狀態(tài)不變,得到溫度對(duì)倉(cāng)體的沉降和傾斜的影響曲線如圖13和圖14所示。
從圖13和圖14可以看出,測(cè)試倉(cāng)體的實(shí)測(cè)點(diǎn)和中心點(diǎn)在溫度的變化過(guò)程中,沉降值在初期穩(wěn)定,沉降值在-1 mm左右。在溫度為12℃時(shí),沉降值增大,在溫度為16℃時(shí),沉降值有著巨大的增大,然后迅速回落,之后維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。一號(hào)傾角計(jì)所測(cè)東傾斜角度和北傾斜角度隨著溫度的增加,傾斜角度整體穩(wěn)定,曲線變化不大。二號(hào)傾角計(jì)所測(cè)東傾斜角度和北傾斜角度出現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì),其中由于數(shù)據(jù)的誤差及其他各種因素使得曲線產(chǎn)生波動(dòng)。
圖13 溫度對(duì)倉(cāng)體沉降的影響曲線
圖14 溫度對(duì)倉(cāng)體傾斜的影響曲線
(1)針對(duì)準(zhǔn)能選煤廠建立的集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)控功能、遠(yuǎn)程在線查看功能、在線分析功能、預(yù)報(bào)警四大功能的貯煤筒倉(cāng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),整體上實(shí)現(xiàn)了總體功能的預(yù)期。
(2)隨著料位的增大,倉(cāng)體沉降逐漸增大,倉(cāng)體往東傾斜幅度會(huì)先增大后減小,而往北傾斜幅度變化較小。半倉(cāng)時(shí),隨著偏載的增大,倉(cāng)體沉降變化幅度較小,而倉(cāng)體往東傾斜變化較大,往北傾斜變化較??;滿倉(cāng)時(shí),隨著偏載的增大,倉(cāng)體沉降和傾斜變化幅度均較小。
(3)隨著溫度的增大,倉(cāng)體沉降變化較小,而傾斜幅度逐漸增大,在20℃以上時(shí)增量較小。在15℃~20℃范圍內(nèi)時(shí),倉(cāng)體沉降和傾斜變化幅度均較大。
(4)基于邊坡失穩(wěn)滑移地形下貯煤筒倉(cāng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)及應(yīng)用解決了對(duì)貯煤筒倉(cāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的技術(shù)安全難題,填補(bǔ)了筒倉(cāng)在線位移監(jiān)測(cè)技術(shù)空白,對(duì)周邊相同地質(zhì)條件下的建筑位移安全監(jiān)測(cè)具有借鑒和指導(dǎo)意義。