煤礦井底煤倉裝卸煤過程中的微振特性研究

劉明銀 溫兆翠

【摘 要】 井底煤倉為煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中的咽喉工程，其破壞及穩(wěn)定性影響礦井的正常安全生產(chǎn)。由于井底煤倉的工作過程實(shí)際上為上部煤流對(duì)倉內(nèi)已成煤堆的沖擊作用，放煤過程為倉內(nèi)散體下部放空后，是上部處于某一承載結(jié)構(gòu)上的散體顆粒的突然運(yùn)動(dòng)造成的。在裝煤及卸煤的全過程中均使得井底煤倉及倉內(nèi)散體具有微震特性。該振動(dòng)對(duì)井底煤倉具有一定影響。論文結(jié)合具體礦井的井底煤倉下口內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析了卸料過程中微振動(dòng)的原因，給出振動(dòng)方程及加速度;給出了散體顆粒內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變曲線分布特征;分析了循環(huán)荷載側(cè)壓力與時(shí)間的關(guān)系，振動(dòng)頻率對(duì)井底煤倉的影響，為現(xiàn)場(chǎng)過程實(shí)際及井底煤倉的基礎(chǔ)研究提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 井底煤倉;微振特性;應(yīng)力分布;振頻

【中圖分類號(hào)】 TD352 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）05-0017-03

隨著我國(guó)煤炭資源開采向深部發(fā)展，立井開拓應(yīng)用于深井越來越多，當(dāng)井底煤倉既要考慮倉壁又要考慮倉內(nèi)煤炭顆粒作用的情況下，其力學(xué)行為將更復(fù)雜。為深部開采中研究井底煤倉穩(wěn)定性起到補(bǔ)充作用，對(duì)前期的工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)具有指導(dǎo)意義。

西安科技大學(xué)伍永平教授等研究了煤礦井底煤倉的力學(xué)模型。閆浩等對(duì)散體顆粒充填壓實(shí)特性進(jìn)行了研究。曹樹剛等從袋裝散體矸石顆粒的承載能力的角度開展了實(shí)驗(yàn)研究。張亞雄對(duì)筒倉卸料流動(dòng)特性進(jìn)行研究。樓曉明等研究了散體材料對(duì)倉壁側(cè)壓力的計(jì)算方法。趙衍剛研究了地面筒倉的自振特性，認(rèn)為筒倉結(jié)構(gòu)中的散料基本上全部參加振動(dòng);賈一濤進(jìn)行了筒倉壁煤流沖擊研究，F(xiàn)eng Y等進(jìn)行了倉壁的數(shù)值模擬試驗(yàn)。這些都為進(jìn)一步研究井底煤倉裝卸煤過程中的微震特性奠定了基礎(chǔ)，而且煤礦現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常發(fā)生“堵倉”事故，需要進(jìn)一步分析其振動(dòng)特性帶來的影響。

1井底煤倉壁下口對(duì)微振動(dòng)特性影響

1.1 井底煤倉壁振動(dòng)原因分析

井底煤倉為地下工程的筒狀結(jié)構(gòu)，倉壁外側(cè)與不同巖層的圍巖相互作用，具備煤炭?jī)?chǔ)存和中轉(zhuǎn)功能，當(dāng)煤礦的地面設(shè)施或主提升系統(tǒng)檢修時(shí)可保障井下采掘工作面不停產(chǎn)，提供安全保障。井底煤倉下口工程為了穩(wěn)定，且由于放煤的需求，一般布置密集工字鋼梁板并澆筑成型，這既保證了下部硐室的支護(hù)強(qiáng)度，又使得施工后的井底煤倉整體由于與圍巖的接觸關(guān)系不同而具有一定的彈性性質(zhì)，特別是當(dāng)這種構(gòu)筑結(jié)構(gòu)跨度較大時(shí)，越發(fā)明顯性。故當(dāng)井底煤倉壁位于彈性梁板基礎(chǔ)之上部時(shí)，易于形成振動(dòng)特性。

1.2井底煤倉下口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

井底煤倉內(nèi)散體貯料（煤和矸石）在卸煤過程中散體貯料作用于倉壁，影響較大的為下部硐室頂板的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)多為密集工字鋼梁組成，在放煤口區(qū)域留設(shè)固定的卸料口，其余部分全部用型鋼密集布置出來后進(jìn)行混凝土澆筑。該結(jié)構(gòu)具有很好的承載特征，當(dāng)受到上部來煤沖擊和放煤引起的倉壁卸載超壓時(shí)，均會(huì)使其產(chǎn)生振動(dòng)作用。如山西汾西礦業(yè)雙柳煤礦井底煤倉下鎖口內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置施工圖紙如圖1所示。

由圖1可見，井底煤倉下部結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密集工字鋼梁間距達(dá)到300mm，有的為250mm，十分密集，也為混凝土澆筑成型后具有振動(dòng)性提供了條件。

2 井底煤倉微振動(dòng)方程及加速度

動(dòng)力荷載可以是周期荷載、沖擊荷載或者隨機(jī)荷載。倉內(nèi)“三維錐殼”結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響與靜力荷載有明顯區(qū)別，結(jié)構(gòu)力學(xué)的特點(diǎn)是存在加速度，需要考慮慣性力，可用達(dá)朗貝爾原理列動(dòng)靜法方程。

在裝煤過程中，假設(shè)承載結(jié)構(gòu)在下落散體煤的沖擊下，由于“三維錐殼”結(jié)構(gòu)的存在，即倉內(nèi)煤堆具有一定的彈塑性，使得該結(jié)構(gòu)具有一定的微振動(dòng)特性，這在干河煤礦井底煤倉的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)后運(yùn)營(yíng)期被監(jiān)測(cè)到。

在煤礦生產(chǎn)過程中由于采掘面生產(chǎn)的不均衡性，造成了主運(yùn)輸系統(tǒng)煤流的不穩(wěn)定，運(yùn)抵井底煤倉時(shí)，對(duì)煤倉的力學(xué)作用是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，很難精確表征，但采用微振動(dòng)表征不失為一種有效的方法，上部來煤其對(duì)散體“三維錐殼”承載結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用符合受迫振動(dòng)的特性。設(shè)受簡(jiǎn)諧荷載[Ft=Fsinθt+?G];該荷載主要由兩部分構(gòu)成，一部分為煤流下落過程引起的沖擊荷載，一部分為新裝入煤炭顆粒滯留后使倉內(nèi)增加的重量[?G]。力學(xué)分析如圖2所示。

結(jié)構(gòu)質(zhì)量為m，剛度為[κ]，自振圓頻率為[ω]，結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)為[η]，阻尼比為[ξ]，則運(yùn)動(dòng)方程為：

[mz+ηz+κz=Fsinθt] （1）

該運(yùn)動(dòng)方程為一個(gè)微分方程，其中加速度[y]引起的慣性力為[mz]。

在循環(huán)載荷[Ft]作用下產(chǎn)生的動(dòng)力位移為：

[zt=Ftmω21-θ2ω22+4ξ2θ2ω2-12sinθt-α ]

（2）

最大動(dòng)力位移：

[zmax=Ftmω21-θ2ω22+4ξ2θ2ω2-12 ] （3）

如果將荷載中三角函數(shù)成分去掉，則變成靜力荷載[F]，則產(chǎn)生的靜位移為：

[zst=Ftmω2] （4）

動(dòng)靜位移之比則稱之為動(dòng)力系數(shù)[β]：

[β=zmaxzst=1-θ2ω22+4ξ2θ2ω2-12] （5）

當(dāng)荷載頻率與自振頻率相同時(shí)，動(dòng)力系數(shù)為最大值：

[βmax=12ξ] （6）

如果阻尼比[ξ=0.1]，那么動(dòng)位移將是靜位移的5倍，即產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

井底煤倉壁及內(nèi)部散體顆粒在上部來煤的動(dòng)力沖擊下，井底煤倉壁連同內(nèi)部存儲(chǔ)的煤炭一起產(chǎn)生微振動(dòng)，長(zhǎng)期作用會(huì)對(duì)井底煤倉壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，亦可帶來重大災(zāi)害。設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮，盡量避免這種情況出現(xiàn)。

3 井底煤倉壁荷載及加卸載路徑

井底煤倉壁內(nèi)側(cè)壓力，用q（t）表示，在同一水平面內(nèi)的倉壁載荷如圖3所示：

即：

[σ0，t=-q1t，q1t>0， dq1dt≥0，] （7）

[0≤t≤t0;]

[σ0，t=-q2t，q2t>0? ? ? ? ? ?] （8）

[dq2dt≤0，t≥t0;]

就是說，若q（t）>0，[dqdt≥0]，則倉壁處于加載狀態(tài)，q（t）>0，[dqdt≤0]，則處于卸載狀態(tài)。

圖4為從井底煤倉散體顆粒內(nèi)部的應(yīng)力σ的加卸載路徑角度分析其整體承載特征。

若q0≤σ0，則為彈性關(guān)系，σ0為拉伸屈服應(yīng)力，若q0>σ0，則為塑性關(guān)系（見圖4）。

由圖4可知，應(yīng)力卸載時(shí)，其應(yīng)變并不完全沿著加載曲線而恢復(fù)。

4 振頻對(duì)井底煤倉的影響

顯然，振動(dòng)頻率對(duì)結(jié)構(gòu)影響是顯著的?！叭S錐殼”結(jié)構(gòu)微振動(dòng)頻率與煤流散體載荷施加的頻率之間關(guān)系，決定了煤倉整體的微振狀態(tài)。結(jié)構(gòu)固有頻率：

[ω=2πT] （9）

式中，表示2π個(gè)單位時(shí)間（秒）內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)T，單位為弧度/秒。

[ω=km ] （10）

ω是結(jié)構(gòu)體系的固有性質(zhì)。當(dāng)井底煤倉上口來煤對(duì)整體結(jié)構(gòu)（倉壁和內(nèi)部已有煤炭顆粒）的擾動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)本身的固有頻率趨近會(huì)產(chǎn)生共振引起倉壁損害。

5 結(jié)論

文章結(jié)合礦井具體工程及物理相似模擬試驗(yàn)，對(duì)煤礦井底煤倉易于造成振動(dòng)的原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)地下工程中井底煤倉內(nèi)部散體顆粒、下口布置形式、下部硐室跨度等為主要影響因素。

依據(jù)井底煤倉受力特征，給出了井底煤倉整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程，并對(duì)加速度進(jìn)行了分析。井底煤倉壁與內(nèi)部貯料組成的整體結(jié)構(gòu)具有微振特性。當(dāng)倉內(nèi)貯料的應(yīng)力卸載時(shí)，其應(yīng)變并不完全沿著加載曲線而恢復(fù)。

文章還分析了振頻影響作用，發(fā)現(xiàn)井底煤倉的整體結(jié)構(gòu)自振頻率與來煤的擾動(dòng)頻率趨近會(huì)產(chǎn)生共振引起倉壁損害。

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