白 飞

(山西潞安集团蒲县隰东煤业有限公司，山西 临汾 041204)

井底煤仓是煤矿生产过程中非常重要的环节，起到对煤流的调节作用，是主运输能力是否具有弹性的重要保证。而井底煤仓容量的合理确定、技术装备的选择以及工程措施的制定，都是保证井底煤仓正常运行的必要条件。本文将针对井底煤仓设计中关键的技术难点进行分析和探讨，以得出符合目前矿山井底煤仓设计的必要经验总结。

1 井底煤仓几何尺寸的确定

1.1 煤仓容量

煤仓容量的大小与矿井生产能力、井筒提升能力、提升设备布置形式及井下运输方式密切相关。

煤仓容量可参照采矿工程设计手册[1-2]中相关经验公式：

Qmc=(0.15～0.25)Amc

(1)

式中：Qmc为井底煤仓有效容量，t；Amc为矿井设计日产量，t；0.15～0.25为系数。

煤仓容量的选取同时应参考《煤矿立井井筒及硐室设计规范》[3-4]中有关要求，如煤仓有效容量应综合考虑主运输和提升能力确定，但规范中未给出明确计算公式。根据多年设计经验以及业主生产要求，井底煤仓应至少保证一个正常生产班的产能需求。目前国内矿井井下工作制度多采用“四六制”，其中三班生产一班检修，换句话说，保证一个正常生产班的产能需求即相当于保证1/3的矿井日产量。此时应满足：Qmc≥(0.33)Amc。因此，实际设计时，建议将上述公式前系数调整为0.15～0.33。

1.2 煤仓尺寸

按照采矿工程设计手册中要求，井底煤仓宜选用圆形立仓，《煤矿立井井筒及硐室设计规范》中也有相同建议，所以此处仅以圆形立仓为例进行说明。

圆形直立煤仓直径与高之比宜为0.22～0.42，此处设此比值为k，煤仓直径可按式(2)计算：

(2)

式中：Vmc为井底煤仓有效容量，t；Vml为煤仓漏斗容量(注：漏斗容量的计算参见文中第2部分)，t；k为径高比，取0.22～0.42。

根据围岩条件及层位关系，通过调节k值，选择合理的煤仓直径(计算结果参照上述范围值，一般以0.5 m的进级值进行取整)。煤仓直径一般以6～9 m为宜，根据工程经验，大直径井底煤仓对围岩要求较高，当围岩类别为Ⅲ类及以下时，需要较高的临时支护强度，同时大直径煤仓荒断面常在100 m2以上，爆破时断面成型质量低，对爆破参数选择也非常高，因此不建议选择12 m以上的直径。按照最新的煤炭工程定额，井底煤仓直径最大参考值为9.0 m，如果超过9 m按插值法估计的立方米单价要比实际工程造价偏低，故大直径井底煤仓的造价超过9.0 m以上，会因施工难度的增加而大幅提高造价。

2 井底煤仓漏斗设计

2.1 防堵仓工程措施

造成煤仓堵仓的因素很多，如煤质、含水率、煤粒级配、压实度等煤堆本身内在因素，也有煤仓径高比、漏斗形式、漏口数量、仓内表面材质及光化程度等煤堆以外的外在因素。除此以外，存煤时间也有一定影响。

目前，面对堵仓现象可采取人工疏通、放炮震动疏通、空气炮疏通、发射橡胶弹疏通、特种定制旋转机械疏通等几类措施。本文重点从工程设计的角度去考虑防堵仓措施。

2.2 曲线漏斗设计

煤仓漏斗按纵剖面形式分为直线型(锥形)、曲线型两大种类，由于不同形式的漏斗横截面收缩率[5-6]不同，对于锥形漏斗而言，其断面收缩率随漏斗高度的降低迅速增大，对煤流的挤压和截流的趋势也突然增大，因此常形成堵塞。

从该角度出发，可设计一种横截面收缩率随漏斗高度的变化保持定值的曲线型漏斗(见图1)，可在一定程度上缓解该类型堵仓。

图1 曲线漏斗计算简图

曲线煤仓漏斗计算公式如下：

(3)

式中：D0为漏斗上口处直径(同煤仓直段)，m；H为距离漏斗上口某一高度处，m；D为高度H处对应的漏斗横截面直径，m；α0为漏斗上口处起始角度，一般取50～55°。

曲线煤仓漏斗容量[7]计算公式如下：

(4)

式中：d0为漏斗下口处直径(同煤仓直段)，m。

2.3 漏斗下口圆变方设计

煤仓漏斗下口需连接给煤机设备，而给煤机接料口为方形，因此漏斗下口存在截面由圆变方的过程，见图2。过渡段如果不设置或设置不合理常会形成堆煤死角，进而在该处极容易发生阻塞。因此过渡段的设置是必须的，而根据工程经验，应采取圆变方式的抹角处理，抹角的倾斜角度应不小于60°。

图2 漏斗下口圆变方示意

3 螺旋溜槽的设计

3.1 螺旋溜槽的分类

有的矿井为满足块煤的粒径要求，防止煤块在入仓的过程中撞碎，常需要一些减速装置来保证需求。通常选在煤仓内布置螺旋溜槽。螺旋溜槽同时还可以起到防止煤体挤轧板结而造成煤仓堵塞。

按安装位置的不同，分为内螺旋溜槽和外螺旋溜槽。内螺旋溜槽对煤流的阻碍作用较大，不利于煤仓放煤。外螺旋溜槽设置与煤仓内壁，又分为凸形和凹形。以仓壁为界，朝向煤仓中心的为凸形，反之为凹形。设计中为便于仓壁施工和溜槽的更换维修，常选择凸形螺旋溜槽。

3.2 凸形螺旋溜槽的设计

按照采矿工程设计手册中的设计，螺旋溜槽设计为等距螺旋。及一个平面的圆周运动叠加一个竖直的运输直线运动。因此形成的是一个圆柱螺旋线。煤流螺旋线运动方程如下：

(5)

式中：R为煤流截面形心到煤仓中心距离，m；ω为煤流角速度，rad/s；λ为螺旋溜槽导距，m；t为时间，s；x、y、z为螺旋溜槽坐标，m。

通过式(5)可知，以上数学模型是以匀速圆周运动为假设前提的，实际煤流的下落在一定速度范围内是加速运动的，因此煤流存在一个角加速度。因此可对式(5)进行优化，如下：

(6)

式中：α为煤流角加速度(假设为定值)，rad/s2；λ′为螺旋溜槽导距，m。

因此，为使得竖直方向速度分量为定值，可令n=λ′t,即得式(7)：

(7)

式中：α为假设的一个常量，m·s。从式(7)可知，若溜槽导距λ′随着时间的增加而减小，即溜槽的设计应该上疏下密，这样设计可使得煤块沿溜槽滑动时，竖直方向速度分量为定值。将竖向的加速运动转变为水平方向的滚动，既可减少煤块的竖向冲击，又有助于减轻煤堆压实起拱造成的堵仓。

4 仓壁结构设计

4.1 煤仓的支护形式

煤仓的位置，应尽量选择布置在稳定岩层中，这样可以减少围岩对仓壁的挤压作用。根据围岩情况，对于常选直径的煤仓，若围岩坚硬且较为完整，建议采用锚喷支护。若围岩软弱或较为破碎，建议采用钢筋混凝土结构，不仅受力效果好，且钢筋混凝土仓壁的止水效果更好，有助于防止煤堆水分太高而造成堵仓。

总体上，锚喷支护具有投资省，施工速度快的优点，但是仓壁的耐久性和止水性较差。钢筋混凝土支护优缺点恰好与锚喷支护相反。对于一些较大直径(一般9.0 m及以上)的煤仓，应选择锚杆和钢筋混凝土联合支护形式。

4.2 钢筋混凝土仓壁受力模型选取

仓壁的受力应按满载和空载两种不同受力状态分别进行计算，选择最不利工况作为煤仓仓壁受力的荷载组合。其中，满载时煤仓的计算按外壁与围岩是否贴合并相互作用分别考虑。当外壁与围岩留有间隙，不发生力的作用，此时可参照《贮仓结构设计手册》[8]中深仓(径高比k≤2/3)的计算模型进行受力计算，当外壁与围岩紧密贴合发生相互作用，则应考虑除仓内煤体压力外来自围岩的压力。围压压力的计算较为复杂，所处地层的埋深，围岩的岩性及完整程度都会产生不同的荷载，计算时应结合计算结果和附近井巷工程所能实测的地应力值综合考虑。空载时煤仓受力状态、内力及配筋的计算可按照薄壁圆筒理论计算。

5 结 语

井底煤仓作为矿井地下永久工程，断面大，受力复杂(使用中实际处于一种长周期的活载状态)，磨损严重。因此煤仓是否设计合理，不仅关系矿井的高效作业，也关系到安全生产。随着科学的进步，有更多的新材料、新工艺、新技术应用到矿建工程，文中提到的一些设计难点和重点考虑因素若有纰漏，望广大读者和同行指正，共同完善此类工程的设计理论与方法。