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某露天煤矿钢波纹管涵应用可行性研究

2024-06-03 41 上传者：管理员

摘要：为解决某露天煤矿剥离运输系统与运煤运输系统的交叉问题，以B立交工程位置为研究对象，选取适于该露天矿运输现状的立交工程方法，基于现场调研，以定量与定性结合方式确定了钢波纹管方案。为进一步提升露天矿的经济效益与开采效率，提出了3组钢波纹管方案，选取最适于该露天煤矿的钢波纹管优化方案。

关键词：
交叉运输
矿业工程
运输系统优化
钢波纹管
露天立交工程
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运输是露天矿生产过程中的主要环节之一，处理好露天矿生产剥离运输系统与运煤系统之间的关系是需要重点研究的问题[1] 。刘百来等[2]利用有限元力学分析程序分析了钢波纹管涵洞的力学性能。姚孝虎等[3]依托实体工程对钢波纹管涵洞施工工艺进行分析，归纳出钢波纹管涵洞施工技术要点。目前，我国已对钢波纹管开展了技术研究，但对大跨径重荷载钢波纹管的深入研究较少，可借鉴工程案例不足。根据某露天矿开采现状，针对现有运输方式存在的问题，提出提高大直径钢波纹管合理应用的思路，对露天矿输送系统中钢波纹管方案的可行性进行研究。

该露天矿是典型的黄土高原和沙漠边缘区，主要由第四系半静止、静止风沙滩地形特征组成，地形较为平缓，南部高北部低，西部高东部低。

露天煤矿剥离采用单斗(电铲或液压挖掘机)-卡车间断工艺技术，煤炭开采采用单斗(电铲或液压挖掘机)-卡车-地面半固定破碎站+带式输送机的半连续开采工艺技术[4]。煤炭利用工作面的挖掘机挖出装在运输卡车上，通过工作平盘从东北端的出入沟运到地面的半固定破碎站，利用地面皮带输送到储煤仓。目前使用剥离全内排方法，采出的黄土和岩体通过工作面的移坑线从西南方的端帮半固定运输平盘运到内排土场进行排弃。采场西南边排土工作平盘、西南帮固定端帮运输平盘、内排土场工作平盘构成排弃运输系统。剥离共有10个工作平盘，其中7个工作平盘相对完整。

露天矿工作帮东侧的剥离物要穿过全部工作平盘，再由东到西，再从西帮到内排土场，这一过程中剥离物的运输距离超过4.5 km, 运输距离较长，导致外包运输费用很高，严重影响了经济效益。

在露天矿生产过程中，剥离物运输车与运煤车在地面上必然会发生相互交错现象，这不仅造成了经济损失，还给露天矿的生产带来了巨大的安全风险。随着部分剥离和采煤逐步转自营模式生产，还存在大小卡车交叉通行情况，加大了运输安全风险，因此合理利用立交工程对露天矿运输系统进行提升改造可明显提升经济效益与开采效率，保障运输安全及经济效益[5]。

1、运输系统的优化

实现交通组织的最优效益是露天矿山生产经营管理中的重要问题。对交通组织方案进行优化调整，特别是在关键线路增设立体交叉路口，将极大降低交通事故的发生风险，缩短运输路径，节省货运成本，提高网络通行能力。

露天矿新引进220 t级自卸货车后，50～70 t级拆卸车相互交错问题日益凸显，保证行车安全、缩短拆卸段距离是亟待解决的问题。

1.1 运输系统优化位置的选择

在运输系统优化方案中，立交工程选址要注意与主要交通源头的联系应短捷、顺畅，相交的道路要有充足的通行能力，可为邻近的公路提供集散功能，从而确保主要交通来源车流的集散和中转[6]。

立交工程位置选择原则如下：对露天矿山实行自主经营和外采双环的运输方式。立交选址要有预见性，尽量延长其使用年限，减少拆除次数，经济效益好。

立交工程位置选择方案。依据露天煤矿运输路线，拟建位置选用采坑南侧和北侧两种方案，具体为A和B两处位置建立立交工程。

为了方便对比分析A、B立交位置的优缺点，建立了俯视二维露天矿的概念模型，见图1、图2位置概念模型。

图1 A位置概念模型

图2 B位置过程位置概念模型

A位置位于采坑区南侧、内排土上的运煤道路上，该位置原煤运输道路不用向北绕行，运输距离短，根据目前排土场向北推进速度，建成半年后A位置会产生排土车辆折返运输，经济效益低，会直接影响内排土场向北推移，因此不再考虑A位置，决定选择B位置。

1.2 运输系统具体优化方案

1.2.1 钢波纹管方案

传统的钢波纹管是由波浪形的弧形板拼接而成的，是一种典型的空间薄壳型柔性结构，其与周边土体通过土-钢共同作用，形成拱-弹组合受力结构，极大地增强了小孔径钢-波纹管的变形性能，对地基的适应能力得到很大提升。由于钢波纹管的纵向波纹特性，使得钢波纹管具备了优良的力学特性，能够更好地将荷载集中扩散开来，特别是在各种不利的工程岩土区域，如软土、回填区、膨胀土、湿陷性黄土等[7]。

1.2.2 梁桥方案

常用的公路梁桥主要有混凝土梁桥和钢梁桥。考虑到交叉点随着生产剥离、排土过程而不断变化，桥梁需定期或不定期移动位置。而混凝土桥梁一般用于永久工程，施工时间长，大部分拆除无法继续使用。为满足露天煤矿桥下220 t级车辆运行及桥台两侧放坡要求，立交桥跨径布置采用(15+2×18+15) m的标准跨径贝雷梁[8]。

1.2.3 方案对比

立交工程方案比选从施工难易、工期要求、拆除利用、行车环境及地基适应性等方面进行综合比较。

立交方案对照见表1。

表1 立交方案对照

为了满足管内、管顶大型车辆通行要求，需建设钢波纹管跨径大，通道长，经技术和经济比较后认为露天矿重载大跨径钢波纹管技术是可行的。

2、钢波纹管方案

为完成运输系统的优化，确定选取钢波纹管方案。为完成立交工程，结合露天矿生产现状、近中期剥离-运输-内排规划及拟建位置条件，提出以下几种钢波纹管方案。

2.1 方案

结合露天矿现有的输送体系现状进行钢波纹管在输送系统中的应用可行性研究，保证其在矿井中的合理应用。对各种类型的卡车穿越部位进行分析，确定最为合理、经济的波纹管技术参数[9]。为便于比较，将运煤路上使用的220 t级矿用自卸货车界定为重型卡车，将公路上使用的60 t级自卸货车界定为轻型卡车。

方案一。

1)平面位置。本项目位于露天煤矿以西150 m的矿井东帮，原煤输送公路下穿过剥运路，在已开挖的原煤输送通道上布置两孔钢质波纹管，可通过220 t级运煤自卸货车，分离单车道行驶，管顶上通行60 t级排土车辆。为保证两个管线间的回填质量，管线间距设为5 m。

2)跨径确定。现需设置220 t级的大型矿用自卸车的路面宽度，保证其在涵洞中正常行驶，结合规范规定，要求14.0 m单车道行车道宽度，0.75 m两边路缘石的宽度，涵洞总宽度不能少于15.5 m。

按照《关于做好公路隧道内建筑工程施工安全检查和质量监督工作的通知》(交建通[2017]43号),涵内道路净空高度应以车辆满载物料后的最大高度基础上加0.5～1.0 m的赋存。最大涵内道路高度为6.4+2.15+1.0=9.55 m。

考虑到公路建设要求，设计钢波纹管尺寸为2～20 m×11.6 m, 能够满足220 t煤炭运输需要。为了增加跨度、节省材料，波纹管需设在基础良好的场地，将其设为两个半径8 m、一个半径20 m的3个同心圆。其断面见图3。

图3 方案一平面图

3)管道长度。管线长度主要取决于管线上方的路基宽度和孔口长度，露天矿山输送公路的路基宽度分为行车道宽度、路肩宽度和安全挡土墙宽度，而隧道的宽度则根据上路基的高度和路基坡度来确定。

60 t管顶式自卸货车两厢式路面宽12.0 m, 单侧路肩宽1.5 m。非公路两边各设一条安全防护墙，高1.5 m, 顶部宽度为1 m, 坡面坡度1∶1,底部宽度4 m。涵洞60 t级非公路自卸车路面的路基宽度为12+3+8=23 m。该路段的高差为13.6 m, 两边的边坡坡度为1∶1.5。其立面见图4。

图4 方案一立面图

4)结构形式。采用2～20 m×11.6 m的钢质波纹管，拱圈采用双层Q345热轧钢波纹板，拱圈为C40,波高500 mm×波距200 mm, 钢板厚度10 mm, 钢混拱圈厚度0.5 m。该立交工程需注意施工方案及控制要点和拱肋。桥梁拱肋纵向按5 m宽设计，每榀3节，跨节设横隔，用高强度螺栓对接。拱圈结构形式见图5。

图5 方案一拱圈结构

地基处理采用钢筋混凝土扩大基础，一层宽2.5 m, 二层4.5 m, 一层高1 m, 一层厚1 m。

管涵两边用矿石中的砾石进行分层回填，层厚一般在30 cm以内，需满足96%压实度，拱顶填充2 m填土。

方案二。

1)平面位置。平面位置同方案一，为使220 t级的自卸货车能够通过，钢质波纹管将原煤输送公路从剥离运输公路下穿过，在已开挖的原煤输送公路中央设有一孔大跨度钢波纹管，可通过双向两车道，需设置安全土堤，管顶上通行60 t级排土车辆。平面位置见图6。

图6 方案二平面图

2)跨径确定。在涵洞中设置220 t级的大型矿用货车，按照规范，双车道车道宽不少于27 m, 路缘石宽0.75 m, 涵洞总宽不少于28.5 m。涵洞地面净高与方案一相同，均为9.55 m以上。

考虑上述公路建设要求，设计的钢波纹管规格为1～30 m×12.5 m, 可满足220 t煤炭运输需要。为了增加跨度、节省钢材，在基础良好的情况下将波纹管设为两个8 m直径、1个直径50 m的3个同心圆。

3)管道长度。上面采用60 t等级的非道路自卸车道路路基宽度是12+3+8=23 m, 两侧坡度比1∶1.5,采用开槽削竹的洞口，洞口坡脚采用石笼防护，所需钢波纹管长度为55 m。其立面见图7。

图7 方案二立面图

4)结构形式。与方案二对比，将钢波纹管截面积提高为1～30 m×12.5 m, 拱圈为双层Q345热轧钢波纹板、浇筑C40混凝土，每层钢板波高500 mm×波距200 mm, 钢板厚10 mm, 钢混拱圈厚0.6 m。拱肋纵向按5 m宽，每榀3节，跨节设横隔，因材质问题需用高强度螺栓对接[10]。拱圈结构形式见图8。

图8 方案二拱圈结构

地基处理采用钢筋混凝土扩大基础，一层宽2.5 m, 二层4.5 m, 一层高1 m, 一层厚1 m, 钢波纹管与混凝土基础采用螺栓连接。

管涵两边用矿石中的砾石进行分层回填，层厚在30 cm以内，压实度不得低于96%,拱顶填充2 m。

方案三。

1)平面位置。与方案二相同。

2)跨径确定。为满足60 t、220 t的自卸卡车通过波纹管，需设置两孔孔间距为5 m。

3)管道长度。采用220 t的重型自卸货车在箱涵顶部的单侧路肩宽度分别为32.0 m和2.0 m。在公路的两边都应有一个安全的挡墙，路基总宽度45 m, 路面高度差15 m, 两边的坡比为1∶1.5,用一个延伸的洞口作为入口，在洞口处用石笼保护，一个单孔的钢波纹管长度是80 m。其立面见图9。

图9 方案三立面图

4)结构形式。采用2～10 m×9.2 m的钢波纹管，两层Q345热轧钢波纹板拱圈，厚10 mm, 高380 mm, 波距140 mm, 钢-混凝土拱圈厚度0.6 m。与方案二相同，采用高硬度螺栓连接。其拱圈结构形式见图10。

图10 拱圈结构

管涵两边用矿石中的砾石进行分层填筑，需30 cm层厚、96%压实度以上，在拱顶上加一个土工格栅，分层填筑，最优填筑高度h=6 m。

2.2 方案比选

方案一孔径更小，施工更方便，分隔车道更安全，但由于设置了两孔钢波形梁，钢材用量大，投资高。方案三由于其跨度小，用钢量小，造价最低，但管线长，回填工程量大。露天交通体系中，轻卡在下，重型卡车在上，这一方案并不能有效解决交叉问题。故采用第二种方案。

3、结论

根据露天矿运输系统现状，通过桥梁方案与钢波纹管方案综合对比，选取合理的运输系统优化方案-钢波纹管方法，提出在B位置实施优化方案。基于钢波纹管优化方案，提出3组具体优化方法。通过定性与定量分析，选取方案二(重卡在下，双车道)为最佳优化方案。露天矿采用立体交会方法，与常规露天矿采用单环运输模式相比可有效减少煤矿开采过程中安全事故的发生率，节约运行费用，具有显著的经济、社会效益。

参考文献:

[1]刘如成,刘峰,许昌.安家岭露天煤矿开拓运输系统优化[J].露天采矿技术,2008(04):11-13.

[2]康孝孔.大跨径钢波纹管在露天煤矿立交工程中的应用研究[J].煤炭工程,2023,55(02):29-33.

[3]李静,邱林.钢波纹管涵在公路建设中的运用及优势[J].特种结构,2017,34(03):64-67.

[4]姚孝虎,胡滨,梁养辉,等.公路钢波纹管涵洞施工工艺研究[J].山东交通科技,2014(04):69-70,76.

[5]廖鑫.高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究[D].长沙:湖南大学,2014.

[6]《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报,2014,27(05):1-96.

[7]马珏伟,李明娟.中环线五角场立交工程设计[J].中国市政工程,2007(S1):31-33,100.

[8]刘百来,李祝龙,汪双杰.钢波纹管涵洞力学性能的有限元分析[J].西安工业大学学报,2006(01):83-86,94.

[9]李祝龙.公路钢波纹管涵洞设计与施工技术研究[D].西安:长安大学,2006.

[10]李斌.钢波纹管涵洞受力和变形特性离心模型试验研究[D].西安:长安大学,2014.

文章来源:侯鹏.某露天煤矿钢波纹管涵应用可行性研究[J].黑龙江科学,2024,15(10):76-79+83.