劉利波 曹艷軍

(神華準格爾能源集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，010300)

1 前言

筒倉在煤炭、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)分儲等特點。但由于地質(zhì)變化或者設(shè)計不當(dāng)?shù)仍?，會引起筒倉建筑變形問題。針對存在的問題，學(xué)術(shù)上有針對軟質(zhì)巖屑地基對建筑物的破壞機理及治理分析研究，也有針對貯煤筒倉安全檢測系統(tǒng)的有關(guān)研究，這些研究對保障超大型筒倉的安全至關(guān)重要。周留才對石景山熱電廠3萬t貯煤筒倉安全監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)防措施、檢測控制和處理手段進行了研究分析；吳世佳通過強度折減法對邊坡進行了數(shù)值計算，分析了邊坡的變形破壞機制，綜合評判了邊坡的整體性情況；王靜等人的研究表明，鋼支撐沒有預(yù)加軸力對圍護樁的受力和變形影響較大，樁體嵌固深度不足對位移影響不明顯，但對樁體應(yīng)力增大明顯，對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、傳感器和測斜儀聯(lián)合監(jiān)測邊坡，通過檢測結(jié)果可知，在滑動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，筒倉卸料時增壓比與徑向位移比變化基本一致，增壓比與料倉內(nèi)顆粒流動速度存在一定的線性關(guān)系，靜、動態(tài)時側(cè)壓峰值出現(xiàn)在直筒壁與漏斗壁過渡處靠近直筒壁一側(cè)，側(cè)壓增壓比在筒倉中上部達到最大值，必須強化過渡處和筒倉上部的結(jié)構(gòu)設(shè)計；盧坤林等人采用模型槽對素土和加筋土邊坡的破壞過程進行了試驗，用數(shù)碼攝像機記錄了邊坡破壞的全過程，為邊坡的治理提高了依據(jù)。

由于神華準能集團選煤廠(以下簡稱準能選煤廠)的貯煤筒倉處在特殊地質(zhì)條件的位置上，并受到露天礦爆破采煤擾動以及周圍新建工程的影響，1993年以來，針對選煤廠貯煤倉邊坡因失穩(wěn)滑移和偏移現(xiàn)象進行了多次工程治理。為了保證貯煤筒倉安全可靠，建立了基于邊坡失穩(wěn)滑移地形下貯煤筒倉位移監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合2015年的監(jiān)測數(shù)據(jù)對倉體荷載(半倉、滿倉)變化、倉體偏載季節(jié)性溫度的變化等因素與倉體沉降和偏移的關(guān)系進行了研究。

2 準能選煤廠貯煤筒倉概況

準能選煤廠位于露天首采區(qū)北側(cè)，高程為1205～1153 m，場地自然地形南高北低，坡度約為10%。場地為黃土地貌，由于地表徑流沖刷侵蝕作用，場地沖溝發(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。準能選煤廠工業(yè)場地是以自然地形條件進行設(shè)計，呈豎向排列，采用臺階式平場方式分臺階布置。產(chǎn)品倉均采用鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品倉零平面標高為1172.3 m，倉高為35 m，總倉容為3.89萬t。產(chǎn)品倉一字排開，自西向東排列，與鐵路裝車站平行布置。位于準能選煤廠場地內(nèi)的最低一個臺階，產(chǎn)品倉平場標高比鐵路裝車站下軌面標高為18.8 m，高差較大，使產(chǎn)品倉北側(cè)與裝車站鐵路之間形成了較大的邊坡。

3 貯煤筒倉位移監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)研究思路和在線監(jiān)測原理

3.1 貯煤筒倉位移監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)研究思路

為了準確地檢測貯煤筒倉實時危險動態(tài)，及時掌握倉體偏移和沉降情況，需對準能選煤廠產(chǎn)品倉進行倉體傾斜、基礎(chǔ)沉降及位移、地下水位變化、溫度對倉體位移影響等項目的研究。通過選用合適的監(jiān)測儀器對相應(yīng)的監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，建立軟硬件系統(tǒng)對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動化采集，通過軟件系統(tǒng)進行統(tǒng)計和分析處理，形成一套數(shù)據(jù)監(jiān)測反饋機制，及時關(guān)注報警信息，實現(xiàn)自動化監(jiān)控、遠程在線查看、在線分析和預(yù)報警四大功能。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、存儲、處理分析及綜合預(yù)警，并具備在各種氣候條件下實現(xiàn)適時監(jiān)測的能力。另外，企業(yè)各級安全管理職能部門可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對筒倉各項在線監(jiān)測參數(shù)的查看；安全監(jiān)測管理分析模塊還具備基礎(chǔ)資料管理、各項監(jiān)測內(nèi)容適時顯示發(fā)布、圖形報表制作、數(shù)據(jù)分析、綜合預(yù)警等功能，其中數(shù)據(jù)分析部分包括各項監(jiān)測內(nèi)容趨勢分析、綜合過程線分析等內(nèi)容。通過軟件對監(jiān)測參數(shù)的實時在線分析，一旦監(jiān)控參數(shù)超限，系統(tǒng)能夠進行聲光報警、短信報警和郵件報警，提醒相關(guān)人員采取措施，預(yù)防事故發(fā)生。

3.2 在線監(jiān)測原理

貯煤筒倉在線檢測包括傾斜監(jiān)測、沉降監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、溫度監(jiān)測以及倉貯煤量監(jiān)測5個方面。

(1)傾斜監(jiān)測。傾斜監(jiān)測采用雙軸傾斜儀，同時測定兩個正交方向上的傾斜量?？赏瑫r測定在平面xoz和yoz兩個垂直平面內(nèi)的傾角如圖1所示。筒倉傾斜監(jiān)測的原理是將筒倉最下面的一點作為參考點，通過倉體在xoz以及yoz平面直接偏移量的采集，在垂直偏移儀器上進行顯示，從而監(jiān)測倉筒的傾斜狀態(tài)，通過在筒倉側(cè)壁上安裝多只傾斜儀可以更加準確地監(jiān)測倉筒變形情況。位移采用的計算公式見式(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。沉降監(jiān)測采用靜力水準沉降監(jiān)測系統(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?；鶞嗜萜魑挥谝粋€穩(wěn)定的基準點，其它容器位于與基準容器大約相同標高的不同位置上，任何一個容器與基準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。靜力水準組成示意圖如圖2所示。

圖1 在平面xoz和yoz兩個垂直平面內(nèi)測定傾角

圖2 靜力水準組成示意圖

靜力水準沉降監(jiān)測系統(tǒng)運用連通器原理，即連通管兩端口液面保持同一水平面，當(dāng)觀測人員在觀測房內(nèi)測出測管端液面高程時，便可知道另一端(測點)的液面高程。前后兩次高程測量讀數(shù)之差即為該測點的沉降量，計算公式見式(2)：

S1=H1-H0

(2)

式中：S1——測點的沉降量，mm；

H1——當(dāng)前測量讀數(shù)，mm；

H0——初始測量讀數(shù)，mm。

(3)地下水位監(jiān)測。采用振弦式滲壓計進行地下水位監(jiān)測，在鉆孔里放置滲壓計(與測壓管結(jié)合使用)，通過測量滲壓計的壓力，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測量高度的差值)。地下水位監(jiān)測點位置選擇在貯煤筒倉附近，設(shè)計幾個監(jiān)測剖面，需要鉆孔深度一般為見水2～4 m以下。地下水位設(shè)計示意圖如圖3所示。

圖3 地下水位設(shè)計示意圖

(4)溫度監(jiān)測。采用半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器對筒倉溫度進行監(jiān)控。

(5)倉儲煤量監(jiān)測。通過倉下膠帶秤以及倉內(nèi)料位計的配合使用，對倉內(nèi)的物料進行監(jiān)測，了解筒倉在空倉、半倉、滿倉不同狀態(tài)下的偏移和沉降變化。

4 監(jiān)測設(shè)備選型及安裝

(1)固定式傾角計。由于筒倉直徑較大，煤倉的傾斜屬于剛性的，因此采用雙軸傾斜儀，在產(chǎn)品倉高度為35 m和10 m的位置處設(shè)置傳感器，從倉體上的傾斜儀就可以直接得到倉體的傾斜角和傾斜方向。

(2)沉降監(jiān)測。在產(chǎn)品倉的每個倉體側(cè)壁上設(shè)置1個靜力水準儀，結(jié)合測斜儀測出的倉體傾斜量，得出倉體任意位置的沉降量。

(3)振弦式滲壓計。選擇型號為BGK-4500S的滲壓計，透水石浸透完成后，將滲壓計提至水面位置，此時用采集軟件或讀數(shù)儀讀出滲壓計的初始頻率并做記錄。

(4)溫度監(jiān)測。產(chǎn)品倉按照一個選用半導(dǎo)體熱敏電阻溫度傳感器，傳感器型號為BGK-3700。

(5)煤倉物位測量。煤倉物位監(jiān)測采用超聲波煤位監(jiān)測儀器，采用RS232和RS485等數(shù)據(jù)格式進行傳輸。

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)由采集軟件MDSS和煤倉在線監(jiān)測系統(tǒng)NetMonitor組成。 MDSS是一套連接傳感器和采集器的上位機軟件，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進行解析，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)送給其他顯示平臺并存入數(shù)據(jù)庫。NetMonitor為選煤廠煤倉在線監(jiān)測系統(tǒng)，是一款監(jiān)測煤倉傾斜度、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、報警、用戶管理、日志查詢、傳感器管理等功能。貯煤筒倉位移監(jiān)測系統(tǒng)由貯煤筒倉現(xiàn)場監(jiān)測點傳感器系統(tǒng)、選煤廠監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)傳輸三大部分組成。貯煤筒倉位移監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖如圖4所示。

圖4 貯煤筒倉位移監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖

6 貯煤筒倉位移監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

6.1 料位對倉體沉降、傾斜的影響

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，得到料位的變化對倉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)品倉實測點與中心點的測量數(shù)據(jù)相較而言比較接近且相差較??；其總體走勢為：在料位介于0～12 m之間時，沉降量有些許波動，但波動范圍較??；料位為13 m時，沉降量約為10 mm，隨后出現(xiàn)大幅沉降，最低在料位在16 m時達到-2 mm，隨后大幅上升，最高在料位18.5 m時接近16 mm，總體來看沉降曲線較為穩(wěn)定。二號北傾角計隨料位變化不大，一號北傾角計數(shù)據(jù)最大，并持續(xù)保持在-0.03°～-0.04°之間，一號東傾角計圍繞0°波動較大，二號東傾角計與一號東傾角計基本保持同一波動情況，傾斜范圍主要在-0.01°～-0.025°之間。

圖5 料位對倉體沉降的影響曲線

圖6 料位對倉體傾斜的影響曲線

6.2 偏載對倉體沉降、傾斜的影響

6.2.1 半倉

溫度在16℃～18℃之間，料位在8～12 m范圍內(nèi)(半倉)，控制自變量溫度和倉體工作狀態(tài)不變，得到偏載對倉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，測試倉體的實測點和中心點在偏載變化過程中，兩組數(shù)據(jù)相差較小，趨勢基本保持同步，偏載在-17～-5 m之間時，沉降量較穩(wěn)定在-3～3 m之間波動，隨后急劇上升，在偏載為-4.7 m左右達到最大值15 m，此后在偏載為5.7～15 m時沉降量出現(xiàn)峰值，其他時間主要波動于-1～3 m之間。二號北、東傾角計所測的傾斜角度與偏載的關(guān)系不大，但是一號北、東傾角計所測傾斜角在偏載逐漸增大的過程中，傾斜角度波動較大，整體出現(xiàn)略微減小的趨勢。

圖8 偏載對倉體傾斜的影響曲線

6.2.2 滿倉

溫度在16℃～18℃之間，料位在16～20 m范圍內(nèi)(滿倉)，控制自變量溫度和倉體工作狀態(tài)不變，得到偏載對倉體的沉降和傾斜的影響曲線如圖9和圖10所示。

圖9 偏載對倉體沉降的影響曲線

圖10 偏載對倉體傾斜的影響曲線

從圖9和圖10可以看出，測試倉體的實測點和中心點在偏載變化過程中，兩組數(shù)據(jù)相差較小，趨勢基本保持同步，偏載在-5～1.5 m之間時，沉降量穩(wěn)定在0附近波動，隨后急劇上升，在偏載為2 m左右時達到最大值15，此后又迅速下降于偏載為2.5 m時達到0。隨后在偏載為3 m時，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。二號北傾角計所測的傾斜角度與偏載的關(guān)系不大，但是二號東和一號北、東傾角計所測傾斜角在偏載逐漸增大的過程中，傾斜角度波動較大，整體出現(xiàn)略微減小的趨勢。

6.3 溫度對倉體沉降、傾斜的影響

6.3.1 半倉

偏載在-2～2 m之間，料位在8～12 m范圍內(nèi)(半倉)，控制自變量偏載和倉體工作狀態(tài)不變，得到溫度對倉體的沉降和傾斜的影響曲線如圖11和圖12所示。

圖11 溫度對倉體沉降的影響曲線

圖12 溫度對倉體傾斜的影響曲線

從圖11和圖12可以看出，測試倉體的實測點和中心點在溫度的變化過程中，在6℃～10℃溫度區(qū)間，沉降值迅速增大，在溫度為10℃時，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。在20℃時，沉降值有較大的下降，而后沉降值較為穩(wěn)定。一號傾角計所測北傾斜角度和東傾斜角度在整個溫度變化區(qū)間變化不大。二號傾角計所測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，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。

6.3.2 滿倉

偏載在-2～2 m之間，料位在16～20 m范圍內(nèi)(滿倉)，控制自變量偏載和倉體工作狀態(tài)不變，得到溫度對倉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，測試倉體的實測點和中心點在溫度的變化過程中，沉降值在初期穩(wěn)定，沉降值在-1 mm左右。在溫度為12℃時，沉降值增大，在溫度為16℃時，沉降值有著巨大的增大，然后迅速回落，之后維持在一個穩(wěn)定的水平。一號傾角計所測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。二號傾角計所測東傾斜角度和北傾斜角度出現(xiàn)緩慢增大的趨勢，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。

圖13 溫度對倉體沉降的影響曲線

圖14 溫度對倉體傾斜的影響曲線

7 結(jié)論

(1)針對準能選煤廠建立的集現(xiàn)場實時自動化監(jiān)控功能、遠程在線查看功能、在線分析功能、預(yù)報警四大功能的貯煤筒倉在線監(jiān)測系統(tǒng)，整體上實現(xiàn)了總體功能的預(yù)期。

(2)隨著料位的增大，倉體沉降逐漸增大，倉體往東傾斜幅度會先增大后減小，而往北傾斜幅度變化較小。半倉時，隨著偏載的增大，倉體沉降變化幅度較小，而倉體往東傾斜變化較大，往北傾斜變化較??；滿倉時，隨著偏載的增大，倉體沉降和傾斜變化幅度均較小。

(3)隨著溫度的增大，倉體沉降變化較小，而傾斜幅度逐漸增大，在20℃以上時增量較小。在15℃～20℃范圍內(nèi)時，倉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位移監(jiān)測系統(tǒng)的成功開發(fā)及應(yīng)用解決了對貯煤筒倉實時監(jiān)測和監(jiān)控的技術(shù)安全難題，填補了筒倉在線位移監(jiān)測技術(shù)空白，對周邊相同地質(zhì)條件下的建筑位移安全監(jiān)測具有借鑒和指導(dǎo)意義。