大型露天储煤场全封闭改造设计选型分析

潘万伟

(中赟国际工程股份有限公司，河南省郑州市，450007)

目前，国内已运行的大型储煤场较多采用防风抑尘网，其是由一定形状的挡风板与固定支架联接组合而成的一种挡风装置，从而实现降低煤场表面风速、减少风能的功能。防风抑尘网虽然应用多年，但实际环保效果并不理想。

随着国家对大气环境污染治理标准的不断提高，国家和地方环境治理的法规相继出台，环保监管日益严格。2016年1月实施的《中华人民共和国大气污染防治法》第七十二条明确规定“贮存煤炭、煤矸石、煤灰、水泥、石灰、石膏、砂土等易产生扬尘的物料应当密闭，不能密闭的，应当设置不低于堆放物高度的严密围挡，并采取有效覆盖措施防治扬尘污染”。

2017年8月21日，多部委联合印发的《京津冀及周边地区2017-2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》(环大气〔2017〕110号)，针对“扬尘等无组织排放”开展专项治理，实施范围覆盖京津冀大气污染传输通道城市，包括北京市、天津市、河北省、山西省、山东省和河南省等城市(简称“2+26”城市)，攻坚行动方案涉及的省内地市分别制定了《行动方案》进一步落实实施扬尘治理工作。

从上述论述不难看出，我国大气污染形势日益严峻，环境治理相关法律法规越来越严格，现阶段的文件已经明确对于煤炭物料应当密闭储存。目前应用最多的防风抑尘网将逐步淘汰，各煤炭企业及发电公司已经纷纷积极响应，并大力推进已运行项目进行露天储煤场全封闭改造工作。

1 大型储煤场布置形式

目前国内煤炭、电力行业大型储煤场主要有4种储煤形式，一是传统条形煤场(配备斗轮堆取料机)，这种煤场形式占90%以上，斗轮堆取料机作业范围大，满足高堆煤、大储量要求，在大型电厂中应用广泛；二是球形储煤场，球形封闭式料场可用于物料的一次堆存和混匀堆料，通过料场四周设置挡墙，可以提高储量，该料场的特点是环保、单位储量大、节省占地，缺点是投资较大；三是方形储煤场(配备刮板取料机)，这是近年来国内大型储煤场逐步使用和推广的新型煤场，环保效果好，在环保、防风要求高的地区均有采用；四是圆筒仓，这是将多个仓并列的群仓形式，此形式吨煤储量造价高，适用于场地狭窄、环保要求高的场合。

根据储煤设施布置形式，球形及圆筒仓布置方式均为全封闭储煤仓，满足环保要求，而对传统的条形和方形煤场，大都是露天防风抑尘网布置形式，需要进行全封闭改造。

2 大型储煤场全封闭结构形式

目前，小型封闭储煤场采用门钢结构或平板网架结构能满足一般生产需求，对于跨度为80 m以上的大型储煤场，封闭形式主要有钢结构煤场与膜结构煤场，其中钢结构煤场又可细分为拱形网架结构、管桁架结构、管桁架+轻型网架结构等，膜结构煤场又分为骨架膜与充气膜等结构形式。

2.1 拱形网架结构储煤场

拱形钢网架结构封闭储煤场用钢结构网架作为主体骨架，外覆彩钢板作为围护，网架和网壳是常用的空间结构形式，空间网格结构采用大致相同的网格组成空间交汇的杆件体系，承重结构与支撑体系合二为一，从而有效地改变了桁架结构的受力状态。

网架为正方四角锥螺栓球节点三心圆拱形网架，网架支撑形式为柱点支撑。采用四角锥螺栓球节点的形式，网架依靠长边点支撑，两端采用竖直山墙封闭，在两端山墙可预留门洞以方便运煤车辆及推煤机的进出及通风防止煤发生自燃，网壳两侧山墙封闭主体结构均采用网架结构，山墙网架顶部与主结构边跨拱形网壳弦杆连接，下部支撑于混凝土短柱顶部，网架支座处为铰接点，支撑在混凝土立柱上。

杆件主要承受轴向力，能充分发挥材料的特性。采用空间网格结构的封闭煤棚的平均用钢量为30～100 kg/m2。空间网架及网壳结构具有空间刚度大、制作安装简便以及节点连接采用螺栓球节点等特点，能够避免大量的现场焊接工作量。

2.1.1 拱形网架结构的优点

(1)网架技术成熟。钢网架技术通过多年的发展和应用，在设计、制造和安装方面已形成较为成熟的技术理论，并得到众多工程长时间的验证。

(2)结构稳定性高。由于网架结构是杆件之间多向受力的空间结构，使得整个结构的刚度大、稳定性好、因风雪等原因引起的结构变形较小。

(3)钢材可回收利用。在达到煤棚寿命或中途拆除时，拆解下的钢材可回收利用。

2.1.2 拱形网架结构的缺点

(1)自重大、对基础要求高。由于结构体系的原因，会传给基础较大的水平推力和竖向压力，根据不同地质条件，可能需要采用桩基。由于柱点位置较多，基础工程量较大，导致施工周期较长。

(2)施工安装复杂。曲面外形增加了屋盖表面积和建筑空间，构造处理、支撑结构和施工制作均较复杂。

2.2 管桁架结构储煤场

目前大跨度空间结构(120 m以上跨距)常用管桁架结构形式，管桁架结构能够满足大跨度的要求，但现场需要提供大面积的拼装及焊接场地，需要多种吨位吊车协同作业，且在安装过程中需要大量非常精确的高空焊接作业，人工成本较高，总体来说来管桁架结构用钢量指标和单位造价均较高。管桁架与拱形网架对比结果如下：

(1)用钢量：大跨度(120 m左右)的管桁架用钢量在100 kg/m2左右，同样跨度的拱形网架用钢量在75 kg/m2左右。

(2)生产工艺：管桁架工厂化程度不高，很多情况下需要现场制作安装，即使工厂能够加工，也不容易运输，仍需要现场大量焊接；拱形网架制作工艺全部是在工厂完成，而且是螺栓连接，成品运输至现场安装。

(3)施工场地：管桁架安装时需要整片的施工场地，每榀桁架吊装都需要多台吊车共同抬吊，如果主桁架用滑移安装方案，需要地面做滑移轨道，但是次桁架吊装的时候仍需要很大的工作面；拱形网架结构除了起步跨需要占用整垮场地外，起步之后网架均为空中散装，只需要一台吊车行走场地即可。

(4)工期：同样面积的管桁架至少要比拱形网架多用一倍的时间才能完工，因为管桁架需要大量的现场焊接，况且现场焊接焊接质量也很难保证100%合格，而网架全部是在工厂焊接。

(5)安装费用：管桁架每平方的安装费用至少是网架的2倍。

2.3 管桁架+轻型网架结构

管桁架+轻型网架是在网架结构的基础上发展起来的，与网架结构相比具有独特的优越性和实用性，结构用钢量也较经济。煤场封闭上部采用拱形桁架加轻型网架结构，桁架结构采用三心圆柱面，山墙结构采用钢桁架形式，山墙桁架顶部与主结构边跨拱形弦杆连接，轻型网架则能够显著减少结构自重和用钢量。轻型网架与钢桁架连接容易，受力明确，自重轻，能够最大限度节省用钢量，且每榀桁架均可焊接拼接成形，施工速度快，节省施工周期。主桁架和轻型网架结构形式如图1和图2所示。

图1 主桁架结构形式

图2 轻型网架

2.3.1 管桁架+轻型结构的优点

(1)管桁架+轻型网架组合结构形式能够发挥桁架大柱距的优势，结构整体刚度大。现场施工时桩基承台数量较少，土建施工周期短。

(2)轻型网架地面拼装后整体吊装，与桁架整体滑移不影响煤场使用，对改造煤场的条件更适用。

(3)结构受力明确。主结构承受主要荷载，轻型网架结构作为次要构件与主结构协同受力。

(4)结构重量较轻。由于采用了大面积的轻型网架，该网架除了可作为受力构件外，同时由于网格划分较小，减低了檩条等附属结构的设计重量，提高方案的经济型。

(5)规范性好。轻型网架生产完全实现工厂预制，工厂化生产及安装方法更为简捷和高效，加工制作过程更为简单，仅需进行杆件端头压扁成型即可完成全部工作，现场施工全程无焊接，也无需安装大量的螺栓。相比这下，常规螺栓球网架组成部分多，加工工序多，产品出错概率及次品率高。

2.3.2 管桁架+轻型结构的缺点

(1)施工技术要求高。组合桁架施工技术要求高，施工要求精度较高。

(2)施工安装复杂。

(3)成本高。组合桁架结构，单位面积用钢量及安装成本均比相应网架结构要高。

2.4 骨架膜结构

骨架式膜结构是用钢结构(拱形网架或管桁架)搭建整体结构骨架，表面覆盖现代建筑膜材。目前国内应用的膜材主要为进口膜材，常用的5000～8000 N膜材剪成50 mm宽的长条，用它能够垂直吊起500～800 kg的重量。进口膜材出厂质保为15 a，正常应用20～30 a，期间免维护。国内已经逐步在煤炭领域开始应用骨架膜结构的储煤场，如山西榆次瑞光电厂104 m跨度骨架式膜结构储煤棚、郑州裕中能源有限责任公司120 m跨度骨架膜结构封闭煤场等。

2.4.1 骨架膜结构的优点

(1)造价低。因为膜材可以被加工成大面积单体(单片面积500～1000 m2)，四边框固定即可，无需檩条等附属结构件，所以钢结构骨架的用钢量是彩钢板形式的50%甚至更少。骨架式料场综合成本比钢结构加彩钢板结构形式的约低10%～30%，而且跨度越大越经济。

(2)厂家标定服务年限为20～30 a，且免维护。膜材料本身出厂一般质保为15 a，正常使用可达30 a或更久，使用期内免维护。

(3)耐酸、耐碱、不腐蚀。膜材本身是高分子化工产品，对酸、碱等化学腐蚀不敏感，可广泛应用在各个存储领域，尤其适用于彩钢板腐蚀严重的沿海地区、高盐雾环境、大湿度环境以及特殊腐蚀性化工产品料场等。

(4)造型多变、现代、美观。膜材颜色十分丰富，骨架的形式多变，结合斜拉钢索的拉膜结构可实现很多的造型，能满足某些改造项目场地复杂、建筑物挤占空间等传统钢结构无法实现的特殊要求。

2.4.2 骨架膜结构的缺点

(1)目前膜材原材料价格较高，建筑膜材国产化不到10 a，国产膜材的价格与进口的膜材价格差距很大，加上损耗、加工、安装等费用，骨架膜结构的综合造价比彩钢板综合造价要高。

(2)由于膜结构的储煤场刚刚开始应用，工程案例比较少。骨架膜结构煤场诸多优点多为厂家保证值，具体稳定性需要时间检验。

2.5 充气膜数字化智能煤棚

充气膜结构形式又分为气承式、气肋式、气枕式这3种结构形式，煤炭全封闭储存上常用的形式为气承式。气膜建筑是用特殊的建筑膜材做建筑外壳，靠内外部压力差把建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统。

充气膜结构在北美、欧洲和日本已有50多年的发展历史，但是在国内还处于起步阶段。单纯的充气膜结构抵抗风雪荷载的可靠性稍差，不适用于大跨度的永久性建筑。为了解决上述缺陷，可在充气膜结构上加设加劲索。所谓加劲索就是在充气膜外面布置一定数量的纤维或者钢丝绳，用以传递部分膜面拉力。加劲索的布置有局部布置、纵横网格布置和斜交网格布置等不同类型，斜向正交索网加劲结构因其优越的刚性特性和受力性能得到了广泛的认可和使用，能适应风、霜、雨和雪等恶劣天气，并得到了诸多实际工程的验证，目前在国内已建成运行的有神华巴彦淖尔能源有限公司110 m跨气膜结构原煤棚，神华宁夏煤业集团有限责任公司太西、大武口洗煤厂煤棚90 m跨气膜结构原煤棚等。

充气膜结构膜材的自重轻(仅1 kg/m2左右)，再加上高强钢索的应用使得充气膜结构的受力体系直接、简洁、合理，非常适合于中部无支撑的大跨度结构体系。相对于钢结构的大跨结构，有造价低、施工周期短等优点，适用于煤炭行业作封闭煤棚。

气膜建筑的主要受力为上扬力，所以其基础的作用体现为将气膜建筑物向下拉住，而常规建筑物基础的作用是要支撑住上部的结构主体，因此气膜建筑对持力层的要求非常低，对于高原地区复杂的地质条件尤为适合；其次，它采用特殊建筑纤维膜作为建筑“外壳”，通过内外气压差，将外壳支撑起来，形成建筑物主体。室内无需任何框架或梁柱支撑，理论最大可实现180 m的跨度，解决了大型煤炭储煤场对建筑的净空和跨度要求高的问题。气膜储煤场现场图如图3所示。

图3 气膜储煤场现场图

2.5.1 充气膜数字化智能煤棚的优点

气膜封闭煤棚的重量仅为常规钢网架的1/20左右，且其受力为上拔力，对锚固基础要求较低，特别适合地基承载力较低地域的建设场地。整个封闭结构属于相对的柔性体，对基础沉降不均匀、地震等适应性有一定优势。

(1)整体造型优美，新技术、新材料具有强度、阻燃、透光性好等特点。

(2)膜结构使用寿命为20～30 a，维护成本低。

(3)气膜封闭煤棚送风、排风均为有组织进行，可有效防止由于煤棚内部机械作业导致扬尘的向外扩散，环保性能较好。

(4)自重轻、基础要求低。

2.5.2 充气膜数字化智能煤棚的缺点

(1)因密闭性好，车辆和行人进出需设双门进出，不方便生产操作管理。

(2)需要设置汽车进出的密闭室，占用储煤场的储煤空间。

(3)建成后需充气维护，增加人力和物力投入。

(4)施工过程中膜铺设期间需采取膜保护措施，施工措施费用较高。

(5)设计使用年限短。相对于钢网架煤棚设计使用年限50 a来讲，气膜煤棚设计年限为30 a，一般使用30 a后需进行膜材可靠性鉴定以便确定结构可靠性。

(6)整体刚度小，变形大。气膜煤棚结构构件及支撑方式决定了气膜煤棚在风雪荷载作用下，结构变形大(极端天气控制在1～2 m)，属于大变形结构体系。

(7)目前国内尚无相关的国家规范和标准，消防验收无章可循，从现有已建成气膜煤棚项目实施情况看，消防验收均难以通过。

3 各结构煤场经济技术比较

各种储煤结构形式技术经济比较见表1。

表1 各种储煤结构形式技术经济比较

由表1可以看出，充气膜结构前期投资较低，但后期因运行过程中需要设备维护，运行费用较高；对于120 m以下跨度煤棚，拱形网架结构能满足设计要求，当需要更大跨度煤棚，需采用管桁架或组合结构形式；从煤棚表面覆材看，膜结构相对于普通彩板维护具有一定的先进性，随着科技进步国产膜材质性能将得到进一步提高，膜结构煤棚技术会有很大应用前景。

4 结论

随着国民环保意识的逐步提高，各煤炭供需企业积极推进露天煤场全封闭建设。煤场全封闭建设能从根本上消除扬尘对环境的污染，同时能减少风吹雨淋日晒等造成的煤炭损失，具有较好的社会效益及经济效益。储煤场全封闭改造项目往往是在时间紧、任务中的情况下进行，企业在对煤场封闭形式的选用上应根据各自储煤场实际场地大小、形状，地质条件、储量及工艺要求等因素综合考虑，择优确定。