管帶機(jī)經(jīng)過煤礦采空區(qū)的設(shè)計要點

藍(lán)武生

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 項目背景

1.1 項目信息

項目位于山西省臨汾市蒲縣太林鄉(xiāng)喬家灣鎮(zhèn)。本項目含3 條管帶機(jī)、4 條皮帶機(jī)及其他設(shè)備的改造，其中PC31、PC41 管帶機(jī)穿過現(xiàn)有煤礦采空區(qū)。本文主要針對PC31 管帶機(jī)的設(shè)計進(jìn)行分析。

1.2 采空區(qū)簡介

《煤礦安全規(guī)程》將采空區(qū)定義為“回采以后不再維護(hù)的空間”[1]。采空區(qū)的存在給管帶機(jī)運(yùn)行帶來巨大的不穩(wěn)定性，主要是因為采空區(qū)具有隱蔽性、復(fù)雜性、突然性、長期性等特點。采空區(qū)的失穩(wěn)破壞具有突然性，塌陷或出現(xiàn)沉降的時間難以估計[1]。隨著采空區(qū)的不斷發(fā)展，將引起地面沉降和水平位移變化，導(dǎo)致地面出現(xiàn)沉降、塌陷、水平移動、變形等表征[2]。

1.3 山西地區(qū)采空區(qū)管帶機(jī)應(yīng)用情況

山西應(yīng)用在采空區(qū)并已投運(yùn)的管帶機(jī)項目主要有山西焦煤集團(tuán)西山煤電興能發(fā)電公司的古交電廠二期擴(kuò)建工程管帶機(jī)、山西陽泉燕龕有限責(zé)任公司輸煤系統(tǒng)管帶機(jī)、晉能控股裝備制造集團(tuán)公司寺河煤礦管帶機(jī)以及宏源煤業(yè)集團(tuán)一期自貢管帶機(jī)。以上管帶機(jī)在設(shè)計初期基本未考慮采空區(qū)沉降對管帶機(jī)后期運(yùn)行的影響，給管帶機(jī)運(yùn)行帶來巨大安全隱患[3]，項目現(xiàn)場只能采取臨時加固、臨時調(diào)整的措施，給現(xiàn)場的運(yùn)維帶來極大風(fēng)險。

2 設(shè)計注意事項及設(shè)計要點

2.1 采空區(qū)范圍的界定

按照目前國內(nèi)對采空區(qū)邊界的界定及業(yè)主提供的煤層開采圖、開采范圍、煤層厚度等，初步劃分出采空區(qū)大致邊界線[4]。本項目管帶機(jī)經(jīng)過的煤層中，最深煤層為11#煤層的一采區(qū)，埋深為188—198m，煤厚為3.1—3.5m，回采高度約為3.2m，采厚比約為61.87。最遲開采煤層為11#煤層的二采區(qū)，此煤層也是離管帶機(jī)最近的煤層，預(yù)計從 2037 年1 月開采，2037 年12 月回采完畢。根據(jù)以上信息，組織業(yè)主、專家等共同確認(rèn)煤層最大回采高度為3.2m，整體區(qū)域按未充分采動區(qū)考慮，煤層傾角按3°考慮。

2.2 合理路由布置

通過前期大量的調(diào)研及現(xiàn)場踏勘，要找出最合理的管帶機(jī)路由及立柱布置點，特別是立柱的布置應(yīng)盡量避開采空區(qū)，從路由布置上最大程度避免采空區(qū)對管帶機(jī)的影響。同時，要確認(rèn)采空區(qū)立柱布置為沉降柱，非采空區(qū)按常規(guī)立柱布置，采空區(qū)與非采空區(qū)交界處布置兩個沉降柱作為沉降區(qū)與非沉降區(qū)的過渡段立柱布置。

2.3 管帶機(jī)土建方面的設(shè)計要點

通過借鑒山西地區(qū)采空區(qū)輸電線路桿塔的基礎(chǔ)設(shè)計及其他項目的運(yùn)行經(jīng)驗可知，管帶機(jī)沉降區(qū)立柱基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)采用大閥板基礎(chǔ)，減少采空區(qū)立柱沉降不均勻、沉降傾斜的影響。大閥板基礎(chǔ)就是將立柱的四個基礎(chǔ)澆鑄在一起，使其相對位置固定（見圖1），從而實現(xiàn)無論地表如何沉降，立柱的四條腿始終處在一個平面上，即使整體傾斜也在同一個傾斜面上，而且基本不會變化，這樣就能大大降低采空塌陷對立柱的影響。

圖1 立柱大閥板基礎(chǔ)示意圖

2.4 管帶機(jī)本體方面的設(shè)計要點

2.4.1 沉降區(qū)立柱的設(shè)計要點

沉降區(qū)的立柱設(shè)計主要針對基礎(chǔ)沉降后，如何更加方便、快捷調(diào)整立柱，以便使管帶機(jī)快速回到相對平滑的過渡狀態(tài)。

沉降區(qū)立柱全部采用“大四柱+上部龍門懸吊（約4m）”設(shè)計。需要計算本項目采空區(qū)的最大下沉高度，根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044—2014），本礦區(qū)范圍內(nèi)的煤層傾角為3°，屬于水平煤層或近水平煤層開采，地表最大下沉值計算公式①如下：

其中：Wmax——充分采動條件下的地表最大下沉值，mm；q——下沉系數(shù)，本項目取0.7；α——煤層傾角，本煤層傾角為3°；M——煤層發(fā)現(xiàn)開采厚度，m，基于本礦區(qū)煤厚為3.1—3.5m，煤層回采厚度取3.2m；n——開采不充分條件下的采動系數(shù)，本項目取0.7，常規(guī)不超過1。

經(jīng)計算，最大下沉值為1.56m。

根據(jù)該最大下沉值，取龍門懸吊高度為4m，實際調(diào)整高度約為1.28m（見圖2），加上地腳螺栓的調(diào)整高度0.35m，大致可以滿足最大沉降高度。同時，在立柱上設(shè)置沉降觀察點，以便及時觀察沉降情況，故龍門懸吊高度為4m 可滿足本項目最大沉降值要求。

圖2 沉降區(qū)立柱設(shè)計圖

最大水平移動值隨地表最大下沉值的增加而增加，本次計算水平煤層或傾斜煤層開采時沿走向方向的最大水平移動值，在充分或接近充分采動條件下，沿煤層走向方向上的最大水平移動值計算公式②為：

其中：Umax——沿煤層走向方向上的最大水平移動值，mm；b ——水平移動系數(shù)，由實測資料分析確定，國內(nèi)外觀測資料表明，水平移動系數(shù)b 比較穩(wěn)定，一般取0.3。

所以，地表最大水平移動值為0.468m。沉降區(qū)段四柱支撐上部除走道板外，兩側(cè)各預(yù)留500mm 水平調(diào)整空間以滿足要求（見圖2）。

2.4.2 桁架的設(shè)計要點

目前采空區(qū)的著重點基本都在立柱方面，對桁架的考慮比較少。本項目主要考慮基礎(chǔ)沉降后對桁架的影響，基礎(chǔ)沉降后桁架會出現(xiàn)傾斜，所以主要通過控制間隙來避免沉降后的桁架干涉問題。最終確認(rèn)非沉降區(qū)段桁架與桁架間隙按常規(guī)50mm 設(shè)計,沉降區(qū)域桁架與桁架間隙按100mm 設(shè)計。

2.4.3 其他設(shè)計要點

加上地腳螺栓露頭長度，常規(guī)立柱地腳螺栓露頭為140mm，本項目按350mm 考慮（加上地腳螺栓可以調(diào)整小沉降的變形）。加大柱底板地腳螺栓開孔，常規(guī)M30 地腳螺栓柱底板開孔為40mm，本項目開孔45mm，加大柱底板開孔可以調(diào)節(jié)一定量的立柱傾斜角度。加長頭尾過渡段長度，常規(guī)ST 帶過渡段的長度按50D（D 為名義管徑）設(shè)計，本項目過渡段長度設(shè)計為70D。將驅(qū)動滾筒包膠改為陶瓷鑄膠來增大摩擦力，包膠的摩擦系數(shù)一般為0.3，陶瓷鑄膠可以達(dá)到0.45 以上[5]。為了方便后續(xù)跑偏的調(diào)整，本項目將托輥支架設(shè)計為分體式托輥支架，托輥支架安裝座開長條孔，以便在線調(diào)整管帶機(jī)跑偏。

2.5 制作方面的設(shè)計要求

本項目通過提高沉降柱的制作精度，從而加強(qiáng)沉降柱的調(diào)節(jié)能力、減少現(xiàn)場的安裝難度。具體相關(guān)要求見圖3。

圖3 沉降立柱制作精度

3 結(jié)語

本項目在沉降區(qū)管帶機(jī)立柱方面的設(shè)計及理念很多是行業(yè)內(nèi)的首次嘗試，從目前本項目的管帶機(jī)立柱制作及現(xiàn)場安裝來看，設(shè)計是合理可靠的，精度也是可以通過提前制定相關(guān)措施、手段來保證的。本文針對采空區(qū)的管帶機(jī)設(shè)計理念，對后續(xù)管帶機(jī)在采空區(qū)沉降柱的設(shè)計具有一定的借鑒意義。