郝家梁煤矿选煤厂储煤棚优化设计

田 洲

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山063012； 2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山063012)

随着国家可持续发展战略的实施，煤炭生产企业的环保意识逐渐增强，煤炭储煤场已由开放式、半封闭的存储方式逐步向封闭式储装方式转变。近年来，各种封闭式储煤设施得到了蓬勃发展与广泛应用。储煤场的储煤形式主要有以下几种[1]：①半开放式煤场，又称干煤棚。在我国南方，因雨水较多，大部分煤炭企业多采用此形式的储煤场；②大跨度钢结构储煤场，又称网壳(架)式储煤仓。这类储煤场由干煤棚结构发展而来，属于全封闭式储煤方式，是目前煤炭企业主要采用的储煤形式之一；③筒形储煤仓，又称储煤筒仓，属于全封闭式储煤方式，因储煤量较少，在大型储煤场中的应用较少，是目前中小型煤炭企业广泛使用的储煤形式；④滑坡仓。由于受到地形限制，这类仓在山区应用比较普遍，在平原地区使用受限；⑤球形薄壳混凝土仓。这类仓结构造型美观，多用于体育场、歌剧院等民用建筑(如悉尼歌剧院)，由于其施工难度大、造价高，在煤矿中应用很少。

随着国家环保要求日益严格，选煤厂向大型化发展，露天储煤场、圆筒仓和方仓已经不能适应大型选煤厂的需要，封闭式大跨度储煤场成为选煤厂储煤环节不可或缺的一部分[2]。然而，根据文献[3-6]所述，大跨度储煤场的投资巨大，占选煤厂总投资的20%以上，因此为了降低选煤厂的投资，对大跨度储煤场的优化设计十分必要。

1 工程概况

榆林市华瑞郝家梁矿业有限公司郝家梁煤矿选煤厂位于陕西省榆林市郊区，生产能力为3.0 Mt/a，其中原煤储煤场地为4 900 m2，总长度为70 m，宽度为70 m，设计要求储煤容量为3万t。原煤通过胶带输送机直接运至储煤场后，通过地下输煤通廊进入洗选系统。该地区抗震设防烈度为6度，结构设计基准周期为50 a，设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。根据GB 50583—2010《选煤厂建筑结构设计规范》，该地区五十年一遇风压W=0.45 kN/m2，屋面活荷载为0.5 kN/m2，雪荷载为0.45 kN/m2。

2 结构选型

如此庞大的建筑既要保证结构安全可靠、满足工艺要求，又要获得最佳经济指标，还要保证建筑造型美观，其结构形式的选取至关重要[7]。

因该选煤厂地处北方地区，由于气候条件和环保的要求，半开放式煤场不能满足工程需要；但储煤容量需达到3万t，筒形储煤仓不能满足要求，故需采用大跨度钢结构储煤场。

大跨度钢结构储煤场常见形式有三种[8]：①平板网架式储煤棚(图1)。其下部为混凝土柱，上部为平板网架，由于其跨度较大，下部需设挡土墙，造价较高；②拱桁架式储煤棚(图2)。此结构为拱桁架直接落地，能满足大跨度的要求，但因跨度较大，造价也偏高；③球型储煤棚(图3)。该类储煤棚顶部采用球面桁架，下部采用混凝土挡土墙浇筑，由于工艺布置特点，中间采用落煤筒，下部采用地下输煤通廊方式，桁架一端支撑在落煤筒上，另一端支撑在短柱上，桁架的跨度可以缩至一半，不仅能满足工艺布置要求，造价也较低。因此，郝家梁煤矿选煤厂确定原煤存贮采用球型储煤棚。

图1 平板网架式储煤棚结构示意图

图2 拱桁架式储煤棚结构示意图

3 结构分析与优化设计

3.1 荷载取值

(1)恒载。该工程屋面采用彩钢板和主次屋面檩条体系，屋面上弦恒载取值为0.25 kN/m2，桁架自重由计算程序自动生成，并加入桁架节点中。

(2)活荷载。球型储煤场活荷载主要为屋面活荷载和雪荷载，根据GB 50583—2010《选煤厂建筑结构设计规范》，采用轻质屋面的煤棚屋面活荷载为0.5 kN/m2，当地一百年一遇基本雪压值为0.50 kN/m2，当屋面坡度>45°时，可不考虑积灰荷载。

(3)风荷载。该地区五十年一遇的基本风压为0.45 kN/m2，地面粗糙度为B类，根据GB 50009—2010《建筑结构荷载规范》按封闭式拱形屋面体形系数取值。

(4)温差作用。根据该地区的实际情况，桁架结构计算时取设计温差25 ℃。

图3 球型储煤场结构示意图

(5)地震作用。本地区抗震设防烈度为6度，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，对该结构进行受力分析时，不考虑地震作用，但是设计时应考虑抗震构造措施[9]。

(6)支座条件。边界条件的选取对桁架结构受力分析起决定性的作用，支座下部结构刚度越大，对桁架的约束越大，桁架的自身内力越小，此时支座下部结构要承受较大的反作用力。因此，下部悬臂支撑的短柱不能作为刚性支座[10]，而应按实际情况考虑下部支撑的刚度，按弹性支座考虑[11]；另一端支撑在落煤筒上，由于落煤筒刚度较大，假定其为刚性支座。

3.2 优化分析

在确定结构选型的基础上，对桁架厚度的取值进行了进一步优化，通过建立多个不同厚度的模型进行试算[12]，得出用钢量最经济的高度。不同厚度桁架的用钢量对比见表1。

表1 桁架厚度与用钢量对照表

从表1可以看出，5种不同高度的桁架挠度均小于其跨度的1/400(﹤78 mm)；杆件的最大应力均﹤215 kN/mm2，表明该结构能满足正常使用要求。当桁架厚度﹤2.5 m时，随着桁架厚度的减小，用钢量急剧增加：当桁架厚度为1.5 m时，杆件截面达到168 mm×8 mm才能满足要求；当厚度达到2.5 m时，结构的用钢量达到最低值；当厚度超过2.5 m时，用钢量又逐渐增加。由此可见，对不同厚度的桁架进行结构内力分析，杆件截面取值变化很大，需经多次试算[13]才能确定最优桁架厚度[14]。

最终确定桁架的经济厚度为2.5 m，此时桁架的最大杆件为146 mm×8 mm，杆件材料采用Q235钢，桁架(包括檩条)最终用钢量45 kg/m2，小于桁架结构的用钢量58 kg/m2。通过优化，该工程采用球型储煤场结构形式[15]既可以得到最佳经济指标，又能够满足工艺的需要，且建筑造型美观。

4 结论

(1)在大跨度储煤棚设计中，结构选型涉及到平面结构和空间结构等多种结构形式，结构形式的选择是储煤棚结构设计前期的重要工作之一。

(2)边界条件的确定是桁架设计中比较关键的问题，计算模型中支座节点应与实际采用的支座形式保持一致。

(3)球型储煤场桁架的几何参数(包括跨度、桁架厚度、网格数量)，对整体结构的用钢量指标影响显著，在结构选型时，应在满足工艺要求的前提下，尽量选择经济合理的几何参数。