利用充气膜棚进行煤炭仓储的实践

为保障生产的连续性，大型煤矿、选煤厂、火电厂、煤化工企业需在厂区内储存大量的燃料煤和原料煤，储存量从几万吨到几十万吨不等，此类煤炭需按照环保要求，实行全封闭存储，储存的方式有钢筋混凝土筒仓和钢结构全封闭煤棚[1]。气承式充气膜棚成本低、建造速度快、空间跨度大的优点被广泛认同，并在大型体育馆、仓库等建筑行业得到实践应用[2]。气承式充气膜棚的出现，打破了传统的储煤方式，为煤炭存储提供了一种建造快捷且造价低廉[3]的新方式，神华巴彦淖尔公司对这种储煤方式进行了首次实践应用。

神华巴彦淖尔公司(以下简称公司)选煤厂，位于内蒙古乌拉特中旗甘其毛都口岸加工园区。该选煤厂洗选能力600万t/a，建设有2座气承式充气膜储煤棚，其中一座火车原煤仓储棚400 m×110 m×42 m，仓储量20万t;一座汽运原煤仓储棚232 m×100 m×38 m，仓储量10万t。

汽车运输来的原煤，进入汽车受煤槽(上设600 mm×600 mm篦子)，经筛分破碎后，通过皮带转载进入充气储煤棚，由堆取料机堆至棚内存储。

火车运输来的原煤，经翻车机卸入原煤缓冲仓(上设300 mm×300 mm篦子)，通过皮带转载进入充气储煤棚，由堆取料机堆至棚内存储。

棚内堆取料机铲斗旋转，将堆存的煤炭取入刮板臂上，运往中心漏斗后，通过带式输送机运出气模储煤棚，如图1所示。

充气膜煤棚的基本原理是用气压撑起膜棚，形成空旷且密闭的工作空间[4]，如图2所示。

充气膜棚是通过机械系统向室内空间充气，使膜面逐渐膨胀成稳定形态，并承受外部荷载与作用的一种建筑形式[5]。室内外压力差一般在250 Pa左右，相当于住宅楼1～9层大气压差，普通人生理上并无感觉。由于是气压承载，充气膜结构内并无梁柱，空间高跨比[6]一般为1/4～1/2，结构跨度最大可达180 m，长度可达1 km。

力学性能[8]:覆膜材料是中等强度的PVC膜，厚度1.0 mm，弹性模量较低，但它的拉伸强度相当于钢材的一半，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。

透光性能:覆膜膜材料可滤除大部分紫外线，防止内部物品褪色，对自然光的透射率可达10%，透射光在结构内部会产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，具有良好的显色性。夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的光线。

保温节能[9]:气承膜结构简单，没有搭接件，密闭性良好。气承膜结构的高反射率、轻质保温材料以及全密封结构，使得其比钢结构储煤棚保温方面节能70%左右。

防火性能:覆膜材料具有很好的阻燃和耐高温性能，满足防火标准。

自洁性能[9]:经过特殊表面处理的PVC膜材具有很好的自洁性能，雨水会在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。

钢结构储煤棚是目前应用较多的储煤方式，形状有圆形或条形[10]。储煤棚底部由钢筋混凝土侧墙组成，顶部由钢网架结构顶盖构成[11,12]，网架顶盖上设有采光板。如图3所示。

建筑结构稳固[13]，耐久度高:钢结构储煤棚采用钢筋混凝土围墙及钢网架结构组成，建筑结构坚固，耐久性高。

结构强度高，抵御机械破坏能力强:钢筋混凝土和钢网架均有一定的抵抗机械破坏能力，对棚内作业机械的碰撞具有一定的抵御能力。

受环境气候影响小:钢网架结构坚固，对自然界强风、暴雪等抵抗能力强，在恶劣自然条件下能够维持棚内工作环境。

考虑到筒仓不适宜大体量存储，公司主要对充气膜棚和钢结构棚的存储方式进行了对比分析。

棚内简洁，利于机械作业:气膜式储煤棚全凭气压支持起整个充气膜棚，不需要刚性支撑，棚内无梁无柱;其最大跨度可达180 m，长度不限可任意延伸;在同等跨度情况下，其高度也能比其他建筑形式高出3～4倍，利于巨型机械在内部回转和移动。

全封闭环境，节能保暖:透光膜设计减少了室内光照的能量消耗[3];发散光设计不仅使室内光照无死角，还做到了省电高效;充气膜棚可保证棚内温度在合理范围，在北方冬季酷寒的外部环境下，无需对机械设备做特殊的保暖处理，机械和车辆能正常运转。

造价低廉[10]:在前期方案比选阶段，公司将充气膜棚与钢结构煤棚进行了比较。钢结构煤棚需要建造钢筋混凝土结构底座、钢筋砼结构受煤坑、钢筋砼落煤塔、钢结构屋面、压型钢板顶围等，建造工程复杂，人工、钢材、土建的费用较高，且需对地基进行局部加固。而充气膜棚施工简单高效，成本低廉。经测算，建设的2座充气膜棚造价11 707万元，而同等容积的钢结构煤棚造价16 084万元，充气膜棚相当于钢结构煤棚造价的70%。如图4所示。

维护保养简单:钢结构储煤棚防腐性能差，在涂刷防腐油漆的基础上仍需定期检查锈蚀程度[12]，保障结构安全，此项维护工作量较大，费用偏高且影响生产。而充气膜棚的膜材具有耐酸碱腐蚀、耐老化的特点，理论上可25 a不做更换。

良好的抗震性:充气膜棚轻盈的结构，使其具有良好的抗震性能，不存在老化坠落物伤人现象。即使出现意外的塌膜现象也不会对昂贵的生产设备造成破坏，更能保证棚内人员的安全。

起尘因素:棚内的作业设备是起尘的主要因素，包括堆取料机的来煤堆存、轮斗取煤、边角煤的清理、皮带转运环节等。

降尘措施[14]:第1种是喷雾降尘，即在充气棚顶部布置喷雾降尘管路，在适当间隔位置布置电动蝶阀，实现间隔喷雾降尘、限时喷雾降尘等多种喷雾方式;第2种是雾炮降尘，即增加6台射程80 m的雾炮机降尘，设备功率30 k W，每2 h启动一次，启动20～40 min;第3种是在起尘点降尘，即在皮带转载点增设挡尘帘，堆取料机轮斗位置增加喷雾嘴等。

降尘效果:公司采取了多种除尘措施相结合的方式，其中雾炮降尘效果最为明显，但由于煤质干燥(外蒙古进口煤炭)，棚内仍有少量煤尘扬起，棚内人员需佩戴口罩作业。

瓦斯积聚的原因[16]:棚内存储的煤炭属于低瓦斯煤，在存储过程中也会少量释放瓦斯气体。由于充气棚天然的密闭条件，棚内部四角空气弱流动区域，存在瓦斯聚集的可能，具有一定的瓦斯爆炸隐患(爆炸浓度限值5%～16%)。

采取的措施:虽然开采出的煤炭极少释放瓦斯，但不排除煤块裂隙中释放微量瓦斯，出现瓦斯聚集浓度超限情况。为做到绝对安全，充气膜棚顶部和四角均布设透气小孔，排除瓦斯聚集的可能。同时，充气棚顶部和四角区域安装多台瓦斯传感器，24 h监测瓦斯浓度，在运行过程中无瓦斯读数。

为维持充气棚内气压，保障充气棚的支撑力，充气棚内共安装有39台40 000 m3/h的风机，通过控制系统控制风机交替作业，正常运行时16台风机启动。同时，为保障停电情况下的充气棚安全，系统配备了应急自启动柴油发电机3组，作为自备应急电源。经生产单位统计，为维持充气棚内压力，充气棚年耗费用约97万元，其中39台风机年耗电量1.30×106k Wh，电费57万元;3组应急自启动柴油发电机的日常保养、调试等，耗费40万元/a。如图5所示。

充气模棚外表脆弱，不能抵抗锋利物件或机械设备的剐蹭。2012年10月，大风将院内一块彩钢板刮起，划破充气膜棚外表，造成漏气无法使用，经20 d的返厂修补后，充气膜棚得以重新安装使用。

(1)传统的煤炭封闭存储主要方式有钢结构棚、混凝土筒仓2种。充气膜煤棚作为一种新型的煤炭储存方式，特点鲜明，逐渐被行业接受，应用将会越来越广泛。

(2)充气膜煤棚的特点是施工周期短、造价低廉、棚内空间宽阔且密闭节能，但降尘难度大、持续耗电保障风压、外表易损坏。

(3)钢结构煤棚恰恰相反，具有运维费用低、无需持续通风保障风压、外表坚固，但建设周期较长、基础工程量巨大、造价较高且棚内结构复杂活动空间受限、密闭性较低、保温较差等特点。

(4)在工程实践中，需要根据工程所处的环境、工程使用功能及项目实际情况等综合考虑。尤其是生产过程中有扬尘情况时，充气膜棚作为工业生产车间使用还存在不足之处，需在今后进一步探索和解决。