王振林，宋金秀，賈云吉，岳彩坤，賈培祥，范忠杰

(1.山西金信建筑工程有限公司，山西 太原 030053；2.中煤西安設計工程有限公司，陜西 西安 710054；3.中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120；4.安徽鑫永晟微晶材料有限公司，安徽 滁州 239000)

近年來，煤礦產(chǎn)能不斷增高，原煤倉設計容積亦隨之大。倉體的增高，使倉頂卸料時物料勢能增大，接觸倉體時沖量增大，原煤倉結(jié)構(gòu)易受到嚴重的沖擊、磨損，這是常規(guī)的防護襯板損毀的主要原因；當防護襯板損毀后，結(jié)構(gòu)層的混凝土暴露受損，在原煤含酸性水的作用下會加快結(jié)構(gòu)層損毀。若原煤中硫含量大于1%，在水和氧的作用下生成亞硫酸，對鋼筋混凝土易產(chǎn)生碳化作用[1]，混凝土碳化后表面凹凸不平，增加原煤流動時的摩擦阻力和含水粉煤的粘結(jié)力，這是煤倉“棚堵”的誘因，特別當停產(chǎn)時間較長時，易形成“棚堵”。

1 原煤倉運行時存在的問題

1.1 原煤倉的沖擊問題

在《鋼筋混凝土筒倉設計標準》(GB 50077—2017)第6.6節(jié)[2]和《煤炭工業(yè)半地下儲倉建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50874—2013)第5.3節(jié)[3]中，對于倉壁、分煤梁和漏斗的防護襯板都有詳盡的設計規(guī)定，如敷設壓延微晶板、鑄石板、水泥基耐磨材料、耐磨鋼板或鋼軌等。規(guī)范標準都有規(guī)定，物料不得直接沖擊倉壁，但由于使用不當或設備長期運行的誤差還是會造成局部沖擊破壞。

大煤塊和矸石落煤點處的倉壁及漏斗壁上，硅酸鹽類型的材料基本上都已脫落損壞；金屬類材料如軌道鋼在焊接處銹蝕嚴重，甚至斷裂損毀。這些損壞的內(nèi)襯材料堵住漏斗口，或從漏斗口落下撕毀輸煤膠帶，造成重大經(jīng)濟損失甚至安全事故。

1.2 原煤倉“棚堵”

1)煤倉底部沖擊點部位是形成“棚堵”的因素。防護襯板沒有損毀脫落時，雖然防護襯板易粘連含水分的煤泥，但在沖擊力的作用下，粘性原煤不會滯留在襯板上；而當防護襯板不能抵御強烈沖擊脫落時，逐漸沖擊損毀混凝土的結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)受損的混凝土在酸性水的作用下形成凹凸不平的接觸面，原煤流動阻力增大，粘性煤泥和混凝土殼體粘結(jié)比較牢固，下道工序停止工作時(比如洗煤廠停產(chǎn)檢修)，煤倉中還有部分原煤，頂部的原煤繼續(xù)進入煤倉，此時的煤倉就是一個儲煤容器，大塊的煤塊和矸石在勢能的作用下，對于滯留在煤倉底部原煤形成了夯實的效果，在倉壁混凝土損毀阻力增大的雙重作用下形成了“棚煤”和“堵煤”。所以在直接和二次沖擊落煤點，設計安裝高抗沖擊性能襯板是必要的。

2)煤倉非直接和二次沖擊落煤點形成煤倉“棚堵”的因素。原煤倉底部斜坡面雖然不是直接和二次沖擊點，但如果防護襯板的摩擦系數(shù)不夠小，粘性煤泥吸附在防護襯板上很難滑動溜走，隨著煤倉儲煤量升高，粘性煤泥壓縮結(jié)板后與襯板粘結(jié)更加牢固，在清理煤倉時高壓水槍和風鎬清理效果不佳，在貴州盤江煤電集團老屋基洗煤廠，曾發(fā)生過清理原煤倉放炮造成三人傷亡的重大事故，其主要原因就是防護襯板摩擦阻力大。

1.3 井下煤倉圍巖塌陷

井下原煤倉沒有足夠抗沖擊強度的防護襯板，在大煤塊、矸石的直接和二次沖擊下，防護襯板損毀后，倉壁鋼筋混凝土暴露在沖擊面上，加之煤倉圍巖長期受剪脹擴容、沖擊和蠕變作用，圍巖中空隙或裂隙的酸性水溢出，加速倉壁混凝土強度的下降，從而造成煤倉圍巖的塌陷[4]。

實例一：陜西建新煤化有限公司井下原煤倉，直徑7m，高34m，采用38kg/m的軌道鋼在倉底鋪砌，運行幾年來發(fā)生多次鋼軌脫落堵住漏斗口和撕毀膠帶1100m的安全生產(chǎn)施工，井筒內(nèi)圍巖塌陷高15m，寬2.5m，最深處1.5m。

實例二：中鋁寧夏銀洞溝煤礦1340井下煤倉直徑8m，高34.5m，運行四年后井口運輸膠帶電機基座和井口下沉，距離井口6.5m處是原煤入井煤塊的直接沖擊落煤點，塌陷深度1.5～1.8m，寬度2～2.5m，高26m，漏斗口棚煤堵煤，倉壁粘結(jié)原煤嚴重，儲煤容積減少30%之多。

實例三：納林河2號礦井下溜煤眼，直徑5m，高15m，由于該礦煤矸石主成分是變質(zhì)大理巖，矸石硬度高、比重大、致密狀構(gòu)造，顯現(xiàn)的矸石塊狀棱角分明，具有較強的沖擊破壞力，倉內(nèi)結(jié)構(gòu)層的鋼筋損毀嚴重，在斜坡與立壁的結(jié)合處，圍巖塌陷被損毀1m之多。

實例四：霍州煤電集團干河煤礦井底煤凈直徑7m，高度47.39m，容量1700m3，運行幾年后分別在直接沖擊和二次沖擊落煤點(由于直徑7m，高47m，二次落煤點都是在倉壁上)，破損垮塌段垂高18m，圍巖垮塌體積1100m3，最大垮塌縱深5m(原直徑7m)、高7～8m[4]。

2 功能性襯板設計與安裝

2.1 倉壁沖擊部位的確定

對于頂部給料的原煤倉，倉壁不同部位受到?jīng)_擊、磨損、腐蝕和“棚堵”的程度也不同。原煤倉維修時，通過現(xiàn)場考察倉壁損毀情況，可以確定落煤沖擊點的部位。新建原煤倉可以通過原煤入倉方式、速度和煤倉結(jié)構(gòu)計算直接沖擊落煤點和二次沖擊落煤點。例如：某井下原煤倉直徑10m，煤倉高度35m，底部十字分煤梁分成四個漏斗口，假設原煤由西向東以4m/s的速度從原煤倉頂部中心位置落入煤倉，可知煤塊直接撞擊東面?zhèn)}壁時t=1.25s，直接沖擊點位置，由自由落體公式h=1/2gt2=7.66m。由于煤塊在直接落料點被反彈時，反彈向西的速度小于4m/s，由于直接落料點到二次落料的水平距離是10m(原煤倉的直徑)，煤倉垂直高度是35m，自由落體需要2.67s，減去直接沖擊倉壁下落時間1.25s，還有1.42s，仍以最大值4m/s計算得5.68m，可見二次落料點部位在分煤梁的部位，與實際損毀煤倉的部位是吻合的。

2.2 功能性襯板

2.2.1 預應力金屬陶瓷復合襯板

預應力金屬陶瓷復合襯板的功能是解決原煤倉落料點沖擊問題。利用金屬的韌性好、陶瓷耐磨耐腐蝕優(yōu)越性能，采用消失模鑄造工藝，設計一種“九宮格”的形狀，九宮格的框架是消失模材料EPC，宮格內(nèi)放置陶瓷板，當1400℃左右鋼水澆鑄取代EPC后，鋼水冷卻成鋼板時有1%～1.2%的體積收縮，這將對陶瓷板產(chǎn)生壓應力，稱之為預應力，鋼板產(chǎn)生抗拉力，一般取鋼板的抗拉力的60%～70%作為對陶瓷板的預應力，陶瓷獲得預應力后沖擊強度可提高20～40倍[5]，新技術(shù)工藝生產(chǎn)的金屬與陶瓷復合襯板，取名為預應力金屬陶瓷復合襯板，能夠抵御原煤倉矸石的直接和二次沖擊，預應力金屬陶瓷具有抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕的功能性復合襯板。預應力金屬陶瓷復合襯板試驗數(shù)據(jù)見表1。當合金鋼鋼水冷卻收縮時對耐磨陶瓷產(chǎn)生20～30MPa壓應力，即為預應力。試驗表明，在預應力作用下，耐磨陶瓷的抗沖擊強度提高20～40倍[5，6]。

表1 試驗數(shù)據(jù)表

通過試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，建立的預應力與陶瓷襯板的數(shù)學模型[7]：

y=8.52x2.5286×10-5

(1)

上述模型很好地把金屬材料的抗拉強度、鑄鋼板收縮率產(chǎn)生的預壓應力、鑄鋼板的截面積和微晶陶瓷外形尺寸聯(lián)系起來，為生產(chǎn)各種性能指標的預應力金屬微晶陶瓷復合襯板，為設計參數(shù)提供了一種計算方法。

通過實驗室沖擊試驗，根據(jù)試驗結(jié)果的散點圖可知，正方形的微晶陶瓷塊，獲得預應力時抗沖擊強度(用落球法試驗)與預應力的符合指數(shù)函數(shù)y=a×expbx。

當x=0時，表示微晶陶瓷沒有獲得預應力，此時的微晶陶瓷抗沖擊強度y=a×exp0=1.1g(g=9.8m/s2)得：a=1.1g。

當x=8.4MPa時，y=4g，計算得：b=0.154。

y=1.1g×exp0.154x

(2)

當x=23.6時代入(2)式，得y=41.67g，與驗證試驗43g(5kg鋼球，8.6m的落球試驗)相符。

2.2.2 金屬微晶陶瓷復合襯板

金屬微晶陶瓷復合襯板的功能是解決煤倉掛壁“棚堵”問題。微晶玻璃是采用玻璃的方法生產(chǎn)的陶瓷，故稱之為微晶陶瓷，微晶陶瓷的優(yōu)點是耐磨、耐腐，由于基礎組成是硅酸鹽，在形成多晶相微晶陶瓷時，表面形成殘留二氧化硅共價鍵，對于極性水分子具有很強的化學吸附力，所以微晶陶瓷的表面在有水的環(huán)境中，能夠形成一層100～300μm“水膜”[7]，“水膜”層起到流動物料和微晶陶瓷隔離的作用，含水煤泥不粘結(jié)襯板，解決了原煤倉“棚堵”問題，采用鋼板焊接成“九宮格”，微晶陶瓷采用有機膠泥粘結(jié)鑲嵌在宮格內(nèi)，微晶陶瓷板切割成120mm×120mm×16mm(微晶陶瓷不能采用預應力鑄造工藝，是因為微晶陶瓷熱沖擊性能沒有陶瓷好)，金屬微晶陶瓷復合襯板具有抗沖擊和防粘性物料“棚堵”的功能，修復后的原煤倉和中轉(zhuǎn)倉解決了原煤掛壁問題[8-11]。

2.2.3 襯板性能指標

各種襯板性能指標見表2。預應力金屬陶瓷復合襯板抗沖擊強度計算，通過國家建材檢測中心驗證試驗結(jié)果[6]，試驗用鋼球質(zhì)量5kg，直徑0.107m，鋼球從8.6m高處自由落體沖擊到預應力金屬陶瓷復合襯板上，在預應力復合襯板沖擊處產(chǎn)生一凹坑，球冠直徑0.03m，計算得出球冠高s=0.00215m：

表2 復合襯板功能性指標

1)鋼球沖擊襯板時的動能：Ek=hmg=421.4J。

4)鋼球沖擊復合襯板的沖擊力：F=am=195907N。

5)襯板被沖擊凹形球冠面積：s=2πhR=0.0007.224m2=7.224cm2。

6)襯板受到鋼球的沖擊強度：P=F/S=195907/7.224=27119N/cm2=271MPa。

根據(jù)文獻[12]，210kg煤塊，從62m高處自由落體沖擊襯板，沖擊襯板的強度是12.54MPa，遠遠小于預應力金屬微晶陶瓷復合襯板抗沖擊強度的270MPa。雖然也小于金屬微晶陶瓷復合襯板27MPa，但不建議在直接和二次沖擊點采用金屬微晶陶瓷復合襯板，這是因為經(jīng)常性沖擊金屬微晶陶瓷復合襯板，還是容易沖擊破壞復合襯板中的微晶陶瓷，所以在直接和二次沖擊落料點采用預應力金屬陶瓷復合襯板是比較恰當?shù)摹?/p>

2.2.4 沖擊點襯板凹弧面設計安裝

預應力金屬陶瓷復合襯板可以視為剛性材料，當矸石沖擊復合襯板時產(chǎn)生彈性碰撞(假設矸石碰撞后沒有破碎，不失一般性)，碰撞受力過程是襯板把沖擊動能釋放在背后倉壁混凝土中，混凝土受到的作用力是抗壓力，碰撞后期是混凝土受力面積給予復合襯板的反作用力，襯板的背面受到的是抗壓力，所以把復合襯板設計安裝成凹弧面，當襯板背面的混凝土產(chǎn)生反作用力時，襯板形成了拱形頂面抗壓受力，受力襯板所承受的壓力釋放給相鄰連結(jié)的襯板中，襯板與襯板之間的連接螺栓不產(chǎn)生剪切破壞力[13，14]。

在表2中復合襯板規(guī)格一欄，預應力金屬陶瓷復合襯板設計為等腰梯形，梯形的規(guī)格可以圍成下料漏斗圓臺，圓臺的傾斜角在60°～70°都可以圍成，如果把等腰梯形顛倒安裝，正好圍成直徑10m的圓筒倉的直段部分，這是襯板背面比正面寬4mm的計算依據(jù)，當沖擊面寬為1600mm的平面時，可圍成的凹弧面的冠高是65mm，沖擊襯板在反作用力作用下由拱形受力釋放。

3 復合襯板的安裝方法

復合襯板設計理念包括：①整體性，每個單元的復合襯板必須相鄰襯板連接，復合襯板采用螺栓和焊接兩種方式連接，用直徑20～25mm螺紋鋼，一端焊接在襯板的連接板上，另一端焊接在殼體混凝土的鋼筋上，形成復合襯板的整體連接；②密實性，襯板與倉壁留有不小于50mm的間隙，每安裝一層用微晶陶瓷澆筑料澆注在襯板與倉壁的結(jié)合層中，搗鼓密實，襯板背后的澆筑料不得有空洞，倉壁處密實結(jié)合不得有圍巖水滲出；③凹弧面，在同一層襯板安裝時，襯板必須形成一個凹弧面，襯板設計背面比正面寬4mm，兩襯板間形成的角度控制在2°～4°為宜，襯板形成拱形受力；④直接和二次沖擊點采用預應力金屬陶瓷復合襯板，主要是解決抗沖擊問題，非沖擊點采用金屬微晶陶瓷復合襯板，主要是解決“棚堵”和沖擊問題。

3.1 搶修工程

根據(jù)倉壁損毀的情況，制定切實可行的施工方案，結(jié)構(gòu)層損毀的部位鋼筋補上焊接牢固，復合襯板與結(jié)構(gòu)層鋼筋焊接固定后澆筑微晶陶瓷澆注料，盡可能在損毀嚴重部位優(yōu)先施工，比如沖擊點和分煤梁都是損毀嚴重的部位，這些部位澆筑的澆注料均大于50mm，澆注料需要48h固化后才能投入使用，這樣安排可以做到施工驗收結(jié)束即可投入生產(chǎn)運營。

當沖擊落料點是平面時，復合襯板安裝必須形成凹弧面，襯板后面的混凝土抵御抗壓強度，矸石與復合襯板屬于彈性碰撞，碰撞過程的動能釋放后，復合襯板將產(chǎn)生一個彈性力，這個力釋放在凹弧面時相當于拱形受力，襯板之間是抗壓作用力，襯板之間的連接螺栓沒有承受剪切力，所以這種安裝設計可延長連接螺栓的使用壽命。

3.2 新建倉施工

利用復合襯板作為支護模板，倉壁混凝土鋼筋布筋結(jié)束后，安裝復合襯板，襯板與混凝土鋼筋的間距控制在混凝土保護層的范圍，原則上按設計圖紙要求，一般在40～60mm，用直徑20～25mm的螺紋鋼一端焊接在襯板的連接螺栓上，另一端焊接在混凝土受力鋼筋上(井下煤倉焊接在倉壁圍巖的錨桿上)。在平面沖擊落料點安裝襯板時必須形成一個凹弧面。新建倉利用復合襯板當作預制模板，復合襯板與混凝土的結(jié)構(gòu)鋼筋連接強度更好，連接整體性更好，且其與筒倉混凝土密實性更好。

3.3 分煤梁施工

分煤梁頂部做成寬為500～600mm的平頂，梁的頂部安裝形成凹面向上的弧形，由于頂部曲面上能集留一些物料，形成料打料后緩沖矸石直接沖擊分煤梁襯板；分煤梁的兩邊為梯形平面，安裝時每層需要形成凹形弧面。

沖擊面安裝成凹形弧面，襯板受沖擊時以抗壓的方式是放在結(jié)合層的混凝土上，反作用力襯板承受的是拱形受力，反作用力是放在拱角上，保護了襯板之間連接螺栓不會受到剪切破壞力。

4 結(jié) 語

預應力金屬陶瓷復合襯板具有良好的抗沖擊能力，抗拉強度不小于500MPa，金屬板寬15～20mm，延伸率10%～15%；微晶陶瓷急冷急熱性能好，落球沖擊強度大于1g，鑄石板和壓延微晶落球沖擊強度0.3～0.5g，微晶陶瓷的長寬120～140mm時可獲得20～40MPa的預應力；生產(chǎn)出來的預應力金屬陶瓷襯板可提高40～60g的落球沖擊強度。筆者總結(jié)近幾年相關工程實踐經(jīng)驗，提出采用預應力金屬陶瓷復合襯板、金屬微晶陶瓷復合襯板，可經(jīng)濟可靠地解決原煤倉沖擊、“棚堵”、磨損、腐蝕和井下圍巖塌陷等問題。