乌审旗蒙大矿业原煤仓损毁机理分析和解决实践

乌审旗蒙大矿业原煤仓损毁机理分析和解决实践

宁石杰

乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017307

1. 摘要：

通过原煤仓损毁的机理分析，损毁煤仓的主要因素是较大矸石，在高势能的冲击下撞击损坏了防护衬板和仓壁混凝土的开裂，原煤在含水的作用下由腐蚀损毁混凝土，降低了混凝土的强度而失去了结构材料的性能，应用了新材料-预应力金属微晶陶瓷复合衬板，安装工艺实现了复合衬板的整体性和密实性，解决了矸石的撞击衬板和仓壁混凝土开裂腐蚀的损毁问题；

2. 关键词：

煤仓损毁、矸石撞击、围岩剪胀扩容、预应力金属陶瓷、复合衬板、整体性、密实性；

三、引言：众所周知原煤仓作为煤炭行业的重要构筑物，在设计规划时保证原煤仓能够持续、安全、可靠的正常运行是主要目的，所以原煤仓的损毁机理研究是设计者的重要设计参数。在这里我们主要分析原煤仓运行时损毁的机理，主要是大块矸石高落差撞击、煤中酸性液体的腐蚀和煤块冲击磨损，尤其是井下煤仓同时还受到仓壁外侧围岩的剪胀扩容作用，损毁的程度更是加快了原煤仓不能作为永久性构筑物的正常使用。为此我们应用了新型预应力金属陶瓷复合材料，有效地解决了矸石的撞击、腐蚀、磨损和围岩的剪胀扩容的问题。

1、目前国内原煤仓防撞击材料存问在的问题：

新颁布的GB50077—2017《钢筋混凝土设计规范》【1】和GB50874—2013《煤炭工业半地下储煤仓建筑设计规范》【2】，对于具有高落差、较大块矸石冲击的原煤仓，建议选用钢轨和废旧钢轨作为撞击落料点铺设材料，铺设方式基本上都是在钢轨与钢轨之间用钢板焊接连接，钢轨之间充填混凝土保护焊接的连接钢板不被矸石冲击。当矸石的粒径大、硬度高、落差高和原煤中含水率高时，用钢轨铺设的原煤仓作为防护层也是失败的，钢轨脱落堵在漏斗口，导致撕毁运输皮带的安全生产事故。{这种措施比采用压延微晶板、铸石板和高分子板效果要好，压延微晶和铸石板基本上在很短时间内就被冲击破碎而脱落；对于高分子衬板由于膨胀系数差较大，板与板的连接处极易进入粉煤而导致高分子板与连接螺栓脱落，脱落后的高分子板翘起造成阻碍原煤而脱落，尤其是高分子板属于不阻燃材料，规范中不建议采用这种材料；高强耐磨料实际上就是一种高强度的混凝土，对于矸石在粒度和落差小的工况下还是能够抵御一段时间的，总之高强耐磨料的抗冲击性能和耐酸性液体腐蚀性能都是不适合在原煤仓中应用的。}

2 原煤仓防护材料和钢筋混凝土损毁的机理：

粒度大、比重大、落差大和硬度大的煤矸石【3】，煤仓受到撞击损毁是主要诱因；原煤中含有S、P、Cl元素在水的作用下，形成酸性液体对于金属和钢筋混凝土仓体的腐蚀损毁是主要因素；井下原煤仓壁受到围岩的剪胀扩容【4】的损毁也是一个不可忽视的重要原因；放空仓是造成煤矸石撞击磨损原煤仓损毁普遍存在的问题。这四种因素是造成原煤仓损毁的主要因素，我们分析产生的原因如下：

2.1 煤矸石的撞击损毁煤仓的原因分析：

随着高产率采煤设备的应用与发展，原煤块度逐渐增大，伴随的煤矸石块状的粒度更是硕大，这是因为矸石的化学成分趋近于岩石的组成，矸石的比重大、硬度高、结构密实强度高，所以棱角尖锐的矸石在高势能作用下的自由落体，产生的冲击强度是巨大的，当矸石体重210千克，比重1.2t/m3,撞击面积在900cm2时，落差62m矸石撞击剪切应力在10.87Mpa,这是C30的钢筋混凝土筒仓无法抵御的【5】。对于乌审旗蒙大矿业原煤中的煤矸石特性，就是比重在2t/m3以上，莫氏硬度在5~6，矸石的结构强度大棱角锋利，以200千克的矸石（实际情况超大矸石重量大于200千克时有发生），所以在50m高的势能做自由落体获得动能状态下，以较小的冲击面积（小于225cm2）撞击防护衬板产生的剪切应力是33.4Mpa.可见比重大硬度高的煤矸石对于原煤仓壁和防护衬板的破坏力是巨大的；在这种高强度的冲击力的作用下，首先钢轨之间的混凝土开裂逐渐脱落，被保护的连接钢板暴露出来，然后撞击到钢轨上的力集中传递到钢轨与钢轨焊接的连接钢板上，在过度撞击疲劳和酸性液体的双重作用下，焊接点腐蚀脱落，到此钢轨作为防护钢筋混凝土煤仓的作用完全丧失，而且还给钢轨随着原煤下落到落煤口堵煤和撕毁皮带留下了安全隐患。

2.2 原煤中含有S、P、Cl元素：

在水的作用下形成弱酸性液体，PH在3~5之间，尤其是Cl离子对于金属材料的腐蚀更为严重，当煤仓的防护衬板失去作用时，较强的矸石撞击钢筋混凝土导致混凝土的开裂，酸性液体通过裂缝渗入混凝土中使得钢筋生锈，钢筋混凝土的强度下降，导致原煤仓的安全生产的隐患增加，尤其是井下原煤仓，当原煤仓的钢筋混凝土开裂强度下降时，在煤仓围岩中水就可以渗透到煤仓中，更加速煤仓钢筋混凝土的裂缝加大和强度降低，这样煤仓在围岩的剪胀扩容的作用下，就造成煤仓和围岩的塌陷，由参考文献【4】介绍，根据山西霍州矿区干河煤矿井底煤仓现场垮塌程度，最大的垮塌深度达5m之多，可见围岩的剪胀扩容对于井下煤仓损毁是多么的严重。

2.3 井下原煤仓壁受到围岩的剪胀扩容作用损毁：

井下煤仓的围岩，在煤仓不同的等高线上，围岩的性质是差别较大的，煤层与煤层之间是有岩石隔离的，而且不同层围岩的性质变化较大：分别有粉砂岩、泥岩、细粒砂岩、中立砂岩、铝质泥岩、黄铁矿岩、菱铁矿岩等，再加上开采设备、地质等因素的扰动，都是造成煤仓围岩剪胀扩容的动态变化的因素，这些因素都要影响到井下煤仓、硐室和巷道，所以井下煤仓如果不能做好仓壁的有效防护，仅仅依靠C20的钢筋混凝土的强度是无法保证这一服务年限长的构筑物，安全、可靠、持久的满负荷工作。

一般情况下，井下煤仓如果钢筋混凝土没有损毁的简单鉴别方法，当煤仓不生产时，井口没有生产水进入煤仓，这时井底的漏斗口就没有水流出，否则就是煤仓壁出现有围岩的水渗入，因为新建井底原煤仓也是没有水从漏斗口流出的，当然围岩水渗透的越多说明煤仓损毁的越严重；

2.4 原煤仓空仓运行加大了落煤点被矸石撞击损毁的概率：

在煤炭行业原煤仓尤其是井下煤仓放空作业是习以为常的，客观原因是采用各种料位计控制放矿失真或失灵，这是因为原煤中含有水易产生煤泥（小颗粒煤块）粘结，在仓壁靠近落煤点的部位可形成20~30m高煤泥墙，在漏斗与漏斗的交界处形成2~3m高的煤泥柱，这些都是造成料位仪工作失灵的主要因素，新设计的原煤仓开始的时候基本上料位计都可以正常工作，随着煤泥墙和煤泥柱的形成，料位计的工作就逐渐失去可靠性，最终料位计失灵。

5、结语：

几年来通过井上和井下的原煤仓的修复工程总结，从实际使用和损毁的情况来分析：

井上原煤仓的损毁主要是矸石冲击问题，腐蚀问题只是原煤中的含水，对于防护衬板和煤仓混凝土只是从表面腐蚀，井上原煤仓虽然采用了C30以上的预应力钢筋混凝土设计强度，但是井上原煤仓的直径大而且筒仓高，所以矸石的冲击强度大，混凝土的强度远远不能低于冲击的破坏力；

井下原煤仓矸石的冲击破坏是煤仓损毁的主要诱因，围岩中的水对于仓壁的渗入腐蚀更为重要，说井下原煤仓是一个防腐蚀工程一点都不为过，这是因为井下煤仓的混凝土强度在C20，相对井上预应力钢筋混凝土原煤仓C30比较低，而且煤仓是在围岩中建造，受到围岩的剪胀扩容和地质扰动的因素比较显著，所以井下原煤仓的防护衬板不仅需要有足够的抗矸石的撞击能力，同时衬板安装要形成整体性和密实性，最好设计的新建煤仓就要做好防护层；

对于井下原煤仓分煤梁的结构设计，提出一点建议，由于分煤梁是被矸石冲击破坏的大概率事件，根据实际分煤梁损坏情况，都是把分煤梁原设计尖角部分冲击为平面，所以设计顶部为平面宽度为500~600mm较为合理，这样在分煤梁上可以集留一些原煤，形成“料打料”后还能起到保护分煤梁的效果。

6、参考文献

【1】： 中国煤炭建设协会.GB50077—2017 《钢筋混凝土筒仓设计规范》6.6内衬；

【2】：中国煤炭建设协会.GB50874—2013《煤炭工业半地下储煤仓建筑设计规范》5.3构造；