井下煤倉抗沖擊預應力金屬襯板安裝工藝研究與應用

張 佼 ,白東堯 ,張愛勇 ,賈錫永

(1.陜西延長石油巴拉素煤業有限公司,陜西 榆林 719000;2.中煤西安設計工程有限責任公司,陜西 西安 710054;3.合肥工業煤炭設計院,安徽 合肥 230000;4.安徽鑫永晟微晶材料有限公司,安徽 滁州 239000)

0 引 言

在工程應用中受沖擊、磨損的部位,基本上是采用抗沖擊的金屬材料、陶瓷材料和復合材料。金屬材料有錳鋼、高鉻合金、不銹鋼等;陶瓷材料有碳化硅、氧化鋁剛玉陶瓷、鋯剛玉陶瓷、壓延微晶陶瓷等材料;而復合材料由金屬與陶瓷通過特殊加工工藝復合在一起,主要是利用金屬的沖擊韌性好、安裝方法多、陶瓷耐磨耐腐蝕的優越性能,通過金屬與陶瓷[1]的復合即可解決沖擊問題,也能解決磨損腐蝕的問題。工程實踐能夠抵御沖擊磨損的襯板種類較多,成功的案例也比較多,但是失敗的案例更多,主要存在兩個方面原因:一是襯板本身抗沖擊性能不好,使用壽命達不到要求;二是襯板能夠抵御工況中的沖擊磨損,但是安裝的襯板容易脫落,從表觀情況看是安裝問題,通過沖擊襯板與殼體連接結構的受力分析,得出襯板脫落主要原因是襯板結構設計和安裝工藝的問題。本文主要研究預應力金屬陶瓷[2]復合襯板的安裝工藝。

1 抗沖擊襯板使用工況

煤礦原煤倉屬于永久性的構筑物,需要倉壁防護襯板長效保護免受沖擊磨損,原煤倉主要存在的問題:一是大塊矸石沖擊點處倉體混凝土結構損毀問題,二是非沖擊點的棚煤堵煤問題。

大塊煤塊或矸石從30～60 m 高位以自由落體方式沖擊煤倉底部及側幫防護襯板,撞擊襯板時的速度為24.25～34.29 m/s,大塊矸石質量可達100 kg,矸石對襯板的沖擊動量為2 425～3 429 kg·m/s。原煤倉底部由分煤梁構成的漏斗壁的坡度為55～65°,取中間值60°,由牛頓第二定律可以推算出,矸石在重力的作用下產生的沖量等于矸石從倉頂下落到沖擊點的動量差:

式中:F為矸石對襯板的沖擊力,N;Δt為矸石沖擊襯板的作用時間,s;m 為矸石的質量,kg;v初為矸石初速度;v末為矸石沖擊襯板時的速度,m/s。

1.1 矸石與襯板、襯板與連接混凝土的受力分析

從式(1)得知,當矸石的質量和撞擊速度確定后,沖量也就確定了。式(1)左邊是沖擊力F與撞擊時間Δt的乘積,撞擊時間與物料的彈性模量成反比,這就是為什么硬度越高的物體,撞擊時間越小,沖擊力越大,撞擊時產生的破壞越大的原因。預應力金屬陶瓷復合襯板完全能抵御矸石的沖擊破壞[3-4]。

1.2 矸石撞擊防護襯板屬于非彈性碰撞

矸石撞擊襯板時自身碎裂(可塑形變),防護襯板沒有損毀,只是發生了彈性形變,所以,這種碰撞屬于非彈性碰撞。雖然混凝土抗沖擊強度沒有防護襯板高,防護襯板被矸石撞擊的沖擊點面積比較小,襯板受到的沖擊強度遠大于混凝土受到襯板施加的沖擊強度(彈性碰撞的面積為襯板的面積),襯板與混凝土的撞擊屬于彈性碰撞。

彈性碰撞的物理量包含彈性模量E、壓縮模量和體積模量。彈性模量E與材料的抗壓強度S屬于正相關性,通過散點圖可知,S與E符合指數函數關系,通過回歸方程建立數學模型得:

式中:S為材料的抗壓強度,MPa;E為彈性模量,GPa。已知C30混凝土的抗壓強度S=30 MPa,代入(2)式得E=28.7 GPa,與資料數據是相符合的。

本文研究的預應力金屬陶瓷復合襯板與混凝土產生的彈性碰撞,符合壓縮模量的過程計算,受到沖擊的襯板符合“完全側限”條件。

1.3 矸石撞擊防護襯板受力分析

矸石的質量和落差高度確定,撞擊時產生的沖量量值就確定,但是,撞擊時間是個非常重要的參數,文獻[1]矸石在撞擊襯板時間為0.008 6 s時,垂直落差取60 m,矸石質量取100 kg,由公式(1)計算得F1=3 429/0.008 6≈398 721 N。

襯板與混凝土彈性碰撞時,襯板把獲得的沖擊力F1通過碰撞傳遞給混凝土,如圖1所示。已知預應力金屬陶瓷復合襯板的面積是2 000 cm2,板厚5 cm,所以,混凝土與襯板的碰撞接觸面積也是2 000 cm2。由于混凝土坡面的水平夾角取60°,矸石對襯板沖擊力的正壓力F2=F1cos60°≈199 361 N。

圖1 矸石對襯板沖擊示意

F2正壓力就是襯板與混凝土彈性碰撞的力,被撞擊襯板的下滑力F3作用在下一層的襯板上。經計算,混凝土受到的抗壓強度為1.0 MPa,可見,通常C30及以上強度等級混凝土不會產生碰撞可塑形變,也就是說,在這個彈性膨脹力值的作用下不會損毀倉壁混凝土的結構。

1.4 混凝土與襯板連接力

預應力金屬陶瓷復合襯板規格是等腰梯形,四個角上分別鑄造?18 mm 的螺孔,安裝?14 mm 的4.8 級螺栓,每只螺栓抗拉強度為320 MPa,共能承受128 000 N 的拉力。

2 襯板“拱形結構”的安裝工藝

2.1 拱形結構設計

在設計預應力金屬陶瓷復合襯板時,安裝面應比工作面寬出4 mm,襯板平均寬度是400 mm,預應力金屬陶瓷復合襯板尺寸如圖2所示。

圖2 預應力金屬陶瓷復合襯板尺寸

每兩塊襯板安裝時形成一個10°的夾角,整體安裝可以形成直徑為5 m 的圓,當安裝面的曲率半徑小于2.5 m 時,在安裝連接件的部位墊上適當的金屬墊片,以便達到設計的曲率半徑要求[5];安裝面是平面時,應確保每兩塊襯板間夾角不小于4.6°。

2.2 襯板拱形結構的壓縮模量受力分析

當襯板受到撞擊后,襯板與背后混凝土倉壁發生彈性碰撞,同時,混凝土對襯板施加大小相等方向相反的反彈作用力,力值是199 361 N。由于四個螺栓直接焊接到混凝土配筋上(一般井下倉的螺栓直接焊接到圍巖的錨桿上),這樣產生了128 000 N 的拉力,剩余199 361-128 000=71 361 N的力由安裝的拱形襯板支撐,襯板受到體積壓縮由產生的壓縮力來抵消,襯板高600 mm,厚50 mm,襯板被壓縮的面積S=60×5=300 cm2,由壓縮模量的定義:

式中:dV為彈性碰撞中體積被壓縮的形變量,cm3;V為襯板的體積,12 000 cm3;P為體積壓縮彈性形變產生的力,N;K為壓縮模量(預應力金屬陶瓷襯板85%是碳化硅材料,碳化硅的彈性模量是450 GPa),K取400 000 MPa。

復合襯板的壓縮尺寸如圖3所示。計算襯板被混凝土反彈脫落時兩邊復合襯板的壓縮體積:dV=1/2×0.2×5×60×2=60 cm3,P=K×dV/V=400 000 MPa×60 cm3/12 000 cm3=2 000 MPa=196 000 N。襯板脫落需要大于196 000 N的反彈力,實際混凝土反彈應力剩余71 361 N,小于二分之一的力值。

圖3 復合襯板的壓縮尺寸示意

2.3 襯板拱形受力的受力分析

襯板拱形受力如圖4所示。假設襯板之間的夾角是4.6°,混凝土的反彈力是F反彈力=199 361 N,那么側壓力F側壓力=199 361/sin4.6°≈2 485 798 N(夾角越大側壓力越小),襯板的側面積S側面積=300 cm2,相鄰襯板受到的抗壓強度P襯板側面抗壓強度=2 485 798/300≈82.86 MPa,復合襯板的抗壓強度大于200 MPa,確保襯板反彈不會出現脫落問題。

圖4 襯板拱形受力示意

依據壓縮模量計算,混凝土反彈力大于196 000 N時復合襯板才會脫落。通過拱形受力分析,當相鄰襯板夾角最小是4.6°(圍成的圓直徑是10 m),相鄰襯板受到的側壓力是82.86 MPa,這是防護襯板能夠承受的抗壓強度,螺栓連接還要承載30～50%的反彈力。

3 襯板當作“永久性模板”

3.1 安裝工藝的重要性

在巴拉素煤礦井底煤倉施工中,采取先安裝“預應力金屬陶瓷復合襯板”(以下簡稱“襯板”),后澆筑混凝土的方法,使每一塊襯板都像鐵件一樣與混凝土形成整體,襯板與襯板間又相互連接成整體,襯板通過連接鋼筋與井壁圍巖中的錨桿連接,實現了襯板與圍巖錨桿形成一個整體結構,較好地解決了圍巖沖擊地壓等造成的破壞問題,并且還能代替施工模板。

通過近四年實際應用證明,該襯板在抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕等多方面的性能較好,但在安裝過程中如果不能嚴格按照規定方法施工,就達不到襯板與混凝土的整體性和襯板間的整體性,造成使用中襯板脫落現象。

3.2 襯板施工方法

在漏斗及筒壁鋼筋綁扎完后,直接將襯板安裝在上面,代替內層模板。

(1)在斜面上使用等腰梯形襯板,規格為(300 mm+480 mm)×620 mm×50 mm;垂直面使用正方形金屬微晶陶瓷復合襯板,規格為528 mm×528 mm×50 mm。

(2)筒壁部分襯板加固:由于井下倉是單面支模,需要將施工混凝土時的脹力傳遞到已鑿好的圍巖上,因此,需要將襯板的拉筋與已有錨桿焊接牢固,每一個襯板連接處都必須保證焊接,確保襯板不發生位移。

(3)漏斗部分襯板加固:在支底模時,將直徑不小于14 mm 的鋼筋外端加固在外模板上,另一端穿過底模,進入混凝土區域不少于300 mm,安裝襯板時將拉筋與之焊接即可。沿豎筋方向間距為564 mm(圖紙設計水平鋼筋間距300 mm,需要調整為282 mm),水平方向間距為390 mm。

(4)非沖擊區襯板與襯板的連接方法:全焊接。

(5)沖擊區襯板與襯板的連接方法:同一層襯板采用直徑14 mm×100 mm 螺栓連接。在安裝直面襯板時,為了有更好的受力形狀,將兩塊相鄰襯板的夾角從180°調整為176°做成凹弧面;在安裝弧面襯板時,以實際曲面為準。上下層用直徑≥14 mm 的鋼筋(連接鋼筋)將同一水平標高的上下層的每一個螺栓相互焊接(在靠混凝土側綁條焊:兩主筋端面之間的間隙應為2～5 mm),使左右上下襯板相互之間形成整體。

(6)襯板與混凝土的連接:用直徑≥14 mm的鋼筋作為拉筋。在沖擊區,一頭焊在螺栓或連接鋼筋上;在非沖擊區,一頭直接焊在襯板上。另一頭進入混凝土區域,錨固在混凝土中,并焊在靠襯板一側的水平筋上,起到固定襯板的作用,襯板與結構鋼筋的距離以設計混凝土保護層為準。襯板與混凝土的連接鋼筋平均不少于4根/塊。

4 結 論

(1)襯板在新煤倉施工時作為混凝土的永久模板應用,便于襯板的連接板焊接在混凝土的配筋或錨桿上,連接螺紋鋼有預埋件的作用,解決了井底煤倉因大塊煤矸石撞擊倉壁及沖擊地壓等因素造成得損毀問題。

(2)維修煤倉施工難度較大,主要是連接鋼筋與混凝土的配筋存在焊接問題,襯板與混凝土結合的整體性和密實性都達不到新建倉的效果,在這種情況下,襯板的拱形安裝是個必要條件,襯板之間緊固連接,在拱腳部位做好受力支撐。

(3)通過襯板沖擊、彈性碰撞及拱形的受力分析,得出的結論是:防護襯板安裝失敗,主要問題是連接和受力面的結構設計不合理,在沖擊面設計成凹形弧面是一個有效的解決措施。