劉 成，劉 葉，鄧東杰，張曉亮

(1.山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司，山西 晉中 030600；2.太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

采區(qū)煤倉(cāng)在采區(qū)煤炭生產(chǎn)時(shí)起到中轉(zhuǎn)運(yùn)輸功能和臨時(shí)存儲(chǔ)功能[1，2]，對(duì)整個(gè)礦井煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)起到緩沖作用，盡量避免因主運(yùn)輸系統(tǒng)故障而影響采區(qū)正常的煤炭生產(chǎn)工作。隨著采區(qū)延伸或生產(chǎn)能力的增加，現(xiàn)有采區(qū)煤倉(cāng)常常不能滿足正常的生產(chǎn)需要，因此需對(duì)現(xiàn)有的煤倉(cāng)進(jìn)行改造[3，4]。國(guó)內(nèi)采區(qū)煤倉(cāng)的改造多以對(duì)煤倉(cāng)擴(kuò)修為主，且改造或初次施工時(shí)通常不會(huì)穿越巷道或硐室，山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司對(duì)上組煤二采區(qū)原有采區(qū)煤倉(cāng)進(jìn)行穿越交叉巷道向上延伸改造工程，既保障了煤倉(cāng)的穩(wěn)定又滿足了安全高效生產(chǎn)的要求。

1 工程概況

城峰公司為整合礦井，上組煤二采區(qū)采區(qū)煤倉(cāng)為整合前小煤窯施工的小煤倉(cāng)，存在煤倉(cāng)容量小，運(yùn)煤路線復(fù)雜等問(wèn)題。隨著上組煤二采區(qū)延伸和礦井產(chǎn)能的增大，原先的煤倉(cāng)將制約二采區(qū)正常的生產(chǎn)施工，因此須進(jìn)行改造。

原二采區(qū)煤倉(cāng)上口位于二采區(qū)運(yùn)輸巷和010201運(yùn)輸巷交叉處，二采區(qū)煤倉(cāng)上方18m為二采區(qū)運(yùn)輸上山(巷道內(nèi)鋪設(shè)帶式輸送機(jī)用于二采區(qū)煤炭運(yùn)輸)，巷道布置情況如圖1所示，圍巖以砂質(zhì)泥巖和砂巖為主，為減少煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)，計(jì)劃向上延伸二采區(qū)煤倉(cāng)至二采區(qū)運(yùn)輸上山，使得二采區(qū)的煤炭通過(guò)二采區(qū)運(yùn)輸上山直接進(jìn)入二采區(qū)煤倉(cāng)。考慮到010201運(yùn)輸巷和二采區(qū)運(yùn)輸巷目前都有煤炭運(yùn)輸任務(wù)，因此要求煤倉(cāng)延伸改造工期不能太長(zhǎng)，且須在新煤倉(cāng)上預(yù)留兩個(gè)進(jìn)煤口，待010201運(yùn)輸巷和二采區(qū)運(yùn)輸巷密閉后封閉進(jìn)煤口。

圖1 巷道布置情況

2 煤倉(cāng)改造設(shè)計(jì)

2.1 煤倉(cāng)延伸段支護(hù)設(shè)計(jì)

原二采區(qū)煤倉(cāng)上口直徑為3m，混凝土支護(hù)，因需在短時(shí)間內(nèi)完成延伸工程，因此對(duì)原采區(qū)煤倉(cāng)上口尺寸、煤倉(cāng)支護(hù)等原有結(jié)構(gòu)不進(jìn)行改造。在原有煤倉(cāng)的基礎(chǔ)上向上進(jìn)行煤倉(cāng)延伸，以起到增加煤倉(cāng)容量和連接二采區(qū)運(yùn)輸上山的目的。煤倉(cāng)向上延伸段總長(zhǎng)度18.6m，分為5段：上口部分(A)、上部過(guò)渡段(B)、中間倉(cāng)體(C)、下部過(guò)渡段(D)、連接段(F)，煤倉(cāng)支護(hù)方案如圖2所示。為使煤倉(cāng)向上延伸段容量較大，上口直徑2m，中間倉(cāng)體直徑4m，連接段尺寸與原二采區(qū)煤倉(cāng)上口直徑保持3m不變[5]，煤倉(cāng)支護(hù)情況見(jiàn)表1。延伸段上口部位將長(zhǎng)期受煤炭的沖擊，因此采用澆筑混凝土支護(hù)，而倉(cāng)體和上下過(guò)渡段為保證安全快速施工采用錨網(wǎng)噴支護(hù)[6-8，12-14]。

圖2 煤倉(cāng)支護(hù)方案(mm)

表1 煤倉(cāng)支護(hù)情況表

錨網(wǎng)參數(shù)：錨桿為長(zhǎng)度2000mm的左旋螺紋鋼錨桿，直徑18mm，錨桿間排距700mm×700mm，錨固長(zhǎng)度950mm，使用1卷K2335和1卷Z2360樹(shù)脂藥卷錨固；錨固力不低于80kN，螺母扭矩不低于120N·m。錨索長(zhǎng)度4200mm，直徑17.8mm，間排距1500mm×1500mm，錨固長(zhǎng)度1550mm，使用1卷K2335和2卷Z2360樹(shù)脂藥卷錨固，錨索張拉預(yù)緊力不低于120 kN，錨索托板規(guī)格為250mm×250mm×10mm鋼板，錨索托板下方增加一個(gè)錨桿托盤。

噴射混凝土參數(shù)：厚度200mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20；鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，型號(hào)為6#鋼筋[10]，長(zhǎng)寬為1000mm×2000mm，噴射混凝土施工后鋼筋網(wǎng)不得外露，且鋼筋保護(hù)層厚度不小于20mm，鋼筋網(wǎng)搭接不少于100mm，采用16#鐵絲綁扎，綁扎間距為200mm。

2.2 關(guān)鍵位置連接

為使二采區(qū)運(yùn)輸上山傳遞下來(lái)的煤炭堆積于原二采區(qū)煤倉(cāng)的上口不破壞煤倉(cāng)完整性，煤倉(cāng)延伸段與原二采區(qū)煤倉(cāng)的連接段設(shè)置鋼筋混凝土側(cè)壁，并于側(cè)壁下部設(shè)置鋼筋混凝土基礎(chǔ)。普通煤倉(cāng)倉(cāng)壁四周都為實(shí)體煤巖體，儲(chǔ)存的煤炭產(chǎn)生的荷載對(duì)倉(cāng)壁的水平壓力直接通過(guò)錨索或錨桿傳遞給煤巖體，保證倉(cāng)壁能夠安全工作；但本倉(cāng)連接段須穿過(guò)010201運(yùn)輸巷和二采區(qū)運(yùn)輸巷交叉點(diǎn)處，煤倉(cāng)此時(shí)存在自由塊段，無(wú)煤巖體支撐[9]，需通過(guò)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保證該連接段倉(cāng)壁的安全性。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

采用SCCT軟件對(duì)煤倉(cāng)連接段進(jìn)行計(jì)算，利用單向板地下室外墻模塊進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，軟件中的外墻參數(shù)均采用連接段煤倉(cāng)的參數(shù)，土體(巖體)相關(guān)參數(shù)用煤炭相關(guān)參數(shù)進(jìn)行代替。連接段(F)倉(cāng)壁的上端與(D)煤倉(cāng)的倉(cāng)壁連接，并且鋼筋與倉(cāng)壁的鋼筋網(wǎng)綁扎，取單位寬度的連接段倉(cāng)壁進(jìn)行計(jì)算，倉(cāng)壁可看作底端固接，頂端鉸接的混凝土梁(單位寬度)。原煤的粒徑一般為5～50mm，內(nèi)摩擦角α取39.5°，煤對(duì)倉(cāng)壁的水平壓力屬于主動(dòng)壓力，安全考慮，按靜止巖石壓力計(jì)算。側(cè)壓力系數(shù)K按式(1)計(jì)算，倉(cāng)壁頂端以上煤炭的最大堆載高度為h1為13.378m，倉(cāng)壁頂端的水平壓力F1按式(2)計(jì)算，倉(cāng)壁底端煤炭的水平壓力為F2按式(3)計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示，基本組合彎矩如圖4所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

圖4 基本組合彎矩圖(kN·m)

(1)

F1=Kγh1

(2)

F2=Kγ(h1+h2)

(3)

式中，γ為煤的容重，取15kN/m3；將各參數(shù)代入式(1)—(3)，計(jì)算得：F1=73.0kPa；F2=101.41kPa。

表2 計(jì)算結(jié)果

鑒于該煤倉(cāng)的使用年限不超過(guò)17.58a(礦井服務(wù)年限)，且無(wú)地下水，同時(shí)煤炭對(duì)滲透水分含量的要求不高，連接段煤倉(cāng)倉(cāng)壁的裂縫寬度按不超過(guò)0.3mm控制，可以滿足使用要求。

因010201運(yùn)輸巷和二采區(qū)運(yùn)輸巷底板均為巖石，連接段的倉(cāng)壁坐落其上，可認(rèn)為在上部煤炭水平壓力的作用下，倉(cāng)壁基礎(chǔ)不存在地基承載力不足的情況，即地基承載力很高。為滿足基礎(chǔ)對(duì)倉(cāng)壁的固接邊界條件，取基礎(chǔ)厚度不小于600mm，同時(shí)條形基礎(chǔ)的上坡度不宜大于1∶3，取基礎(chǔ)長(zhǎng)度為1m，根據(jù)最小配筋率進(jìn)行配筋可滿足使用要求。

圖5 煤倉(cāng)連接段配筋圖(mm)

連接段倉(cāng)壁的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示；倉(cāng)壁開(kāi)洞作為進(jìn)煤口，尺寸為1m×1m；為便于施工，洞口周邊采用加強(qiáng)筋的方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)[11]，配筋方式如圖6所示。

圖6 進(jìn)煤口配筋圖(mm)

3 工程實(shí)踐

3.1 施工前準(zhǔn)備

煤倉(cāng)延伸前為避免煤倉(cāng)施工對(duì)其穿越的交叉巷道產(chǎn)生影響，因此將010201運(yùn)輸巷和二采區(qū)運(yùn)輸巷在煤倉(cāng)外10m范圍使用U型鋼(25U)棚架加強(qiáng)支護(hù)。

煤倉(cāng)延伸工程首先使用反井鉆機(jī)施工一個(gè)直徑1.4m的反井作為溜矸通道[15]，使得煤倉(cāng)擴(kuò)大期間的矸石能直接進(jìn)入到原二采區(qū)煤倉(cāng)中，以解決施工期間矸石運(yùn)輸問(wèn)題。煤倉(cāng)倉(cāng)體施工前在其上方安裝絞車、吊桶等設(shè)備作為擴(kuò)大反井的工器具、材料的起吊裝置。延伸段上口安裝柵欄和封口盤，延伸段下口安裝護(hù)欄，防止施工期間人員通過(guò)受傷。

3.2 施工方法

從上向下的順序進(jìn)行煤倉(cāng)刷大，按照設(shè)計(jì)的煤倉(cāng)直徑使用鉆爆法結(jié)合風(fēng)鎬開(kāi)挖的方式進(jìn)行刷大施工，產(chǎn)生的矸石通過(guò)反井進(jìn)入原二采區(qū)煤倉(cāng)運(yùn)至地面。煤倉(cāng)倉(cāng)體主要采用“錨桿+錨索+雙層金屬網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù)，當(dāng)循環(huán)進(jìn)度達(dá)到1.4m后立即施工錨桿，并及時(shí)施工錨索并進(jìn)行噴射混凝土。連接段的施工為保證斷面足夠應(yīng)先施工“錨桿+錨索”，然后對(duì)連接段進(jìn)行整體澆筑。澆筑的混凝土不得出現(xiàn)蜂窩麻面等現(xiàn)象，且須進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，預(yù)留出煤口的位置可以微調(diào)，但其寬和高嚴(yán)禁大于1m。

4 結(jié) 論

改造工程共用時(shí)約45d，改造后的煤倉(cāng)經(jīng)過(guò)近半年的運(yùn)行，獲得了理想的效果，滿足了二采區(qū)生產(chǎn)的需要，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1)通過(guò)利用SCCT軟件進(jìn)行的配筋計(jì)算能夠獲得鋼筋混凝土穿過(guò)交叉巷道的參數(shù)，能夠使煤倉(cāng)延伸時(shí)安全通過(guò)交叉巷道影響區(qū)域。

2)改造采區(qū)煤倉(cāng)時(shí)向上延伸煤倉(cāng)不僅能增加煤倉(cāng)容量也能優(yōu)化煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)，是快速改造煤倉(cāng)的一種有效的方法。