超大荷載立井裝備水平力計算方法研究與應(yīng)用

劉清寶，宋 偉，宋立平，朱 磊

(1.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司 采礦技術(shù)研究所，陜西 西安 710054)

立井井筒是礦井的咽喉，立井剛性井簡裝備是保證礦井提升容器高速、安全運行的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，主要由罐道和罐道梁(或托架)組成，沿井筒深度構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)體系。近10年來。隨著我國西部煤炭資源的高強度開發(fā)，新建礦井井型不斷加大，使得礦井提升容器載重和提升速度不斷的增大，提升容器載重達50t以上，提升速度高達16～18m/s。

井筒裝備設(shè)計荷載是提升容器與井筒裝備相互作用水平力，國內(nèi)外對立井井筒裝備提升開展的相關(guān)研究甚少，現(xiàn)行《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》中水平力確定是基于20世紀(jì)30年代德國提出的經(jīng)驗公式和20世紀(jì)90年代中國礦業(yè)大學(xué)提出的3參數(shù)水平力計算公式[1-3]，德國水平力公式適用條件是提升容器載重小于20～30t，運行速度小于14m/s[4-6]；中國礦大水平力公式適用條件為提升容器載重小于30～40t，運行速度小于14～18m/s[7，8]。

目前我國西部開發(fā)的一些超大型礦井提升容器運行條件已超出現(xiàn)行采礦設(shè)計規(guī)范中有關(guān)剛性井筒裝備設(shè)計條件，使得井筒裝備設(shè)計工作準(zhǔn)確性和可靠性難以保證[9-15]，已建成投產(chǎn)的該類型礦井的提升運行也勢必存在著嚴(yán)重的安全隱患。迫切需要進行超大提升終端荷載(提升終端荷載大于800kN)條件下井筒裝備設(shè)計相關(guān)的技術(shù)問題進行專題研究，提出適合現(xiàn)階段和今后一定時期條件下井筒裝備成套設(shè)計理論和設(shè)計方法，確保超大提升終端荷載立井井筒提升工作安全運行，具有重要的理論意義和實際工程應(yīng)用價值。

中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司與中國礦業(yè)大學(xué)土建學(xué)院井筒裝備課題組對胡家河礦副井和主井井筒裝備分別進行了水平力測試。并提出了適合超大提升終端荷載的水平力計算公式，引入了動靜比等概念，更貼近力學(xué)工況的基本特性。

1 測試煤礦概況及結(jié)論

陜西彬長礦區(qū)胡家河礦井設(shè)計年產(chǎn)原煤5.0Mt，主立井井筒凈直徑6.5m，垂深538m，裝備一對40t的立井多繩提煤箕斗。副立井凈直徑8.5m，垂深568m，裝備一對罐籠提升。

1.1 副立井水平力測試結(jié)論

1)罐道上作用的水平力為低頻沖擊荷載，水平力最大值隨提升終端荷載和提升速度的增大而增大；

2)罐道正面水平力最大值大于罐道側(cè)面水平力最大值，兩者不同時出現(xiàn)，兩者比值Pxm/Pym=0.4～0.8，均值為0.616；

3)罐道正面作用水平力峰值的均值與最大值之比為0.3～0.6，均值為0.439，罐道側(cè)面作用水平力峰值均值與最大值之比為0.2～0.5，均值為0.372。

1.2 主立井水平力測試結(jié)論

1)提升過程中，罐道上作用的水平力為低頻沖擊荷載，沖擊頻率為1～2Hz；

2)水平力最大值隨提升終端荷載和提升速度的增大而增大；

3)提升過程中，罐道正面水平力最大值大于罐道側(cè)面水平力最大值，兩者不同時出現(xiàn)，兩者比值Pxm/Pym=0.3～0.9，均值為0.48。

除了對胡家河主、副井進行了測試外，還對濟寧三號井主井南北兩個34t提煤箕斗在空載和滿載(50t和84t)、4個提升速度(8m/s、10m/s、12m/s、14m/s)提升條件下的水平力。

2 井筒裝備荷載特性分析

井筒裝備是保證礦井提升容器高速、安全運行的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，主要由罐道和罐道梁組成，沿井筒深度構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)體系。井筒裝備結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載由2部分構(gòu)成，其一結(jié)構(gòu)自重和安設(shè)在井筒裝備罐梁上的設(shè)施(如梯子間、管路、電纜)產(chǎn)生的荷載；其二是提升容器運行過程中與罐道相互作用產(chǎn)生水平力。前者荷載特征為靜態(tài)，對井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計計算影響單一；后者是井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的主要荷載，也是造成井簡裝備結(jié)構(gòu)損壞最直接最主要的原因。水平力的特性很大程度上決定了井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的方法和內(nèi)容。

超大提升終端荷載條件下水平力實測結(jié)果表明水平力具有如下特性：

2.1 水平力的峰值特性

提升過程中提升容器作用于井簡裝備結(jié)構(gòu)上的水平力為水平?jīng)_擊荷載，定義：一次提升過程中水平力峰值最大值為Pm、一次提升過程中全部水平力峰值平均值為Pav、罐道正面作用水平力峰值最大值和平均值分別為Pym和Pyav；罐道側(cè)面作用水平力峰值最大值、平均值分別為Pxm和Pxav；水平力峰值等效靜力為Pj，罐道正面和側(cè)面作用水平力峰值最大值的等效靜力分別為Pyj和Pxj，罐道正面和側(cè)面作用全部水平力峰值的等效靜力分別為Pyjav和Pxjav。實測結(jié)果表明：超大終端荷載提升條件下水平力峰值與隨提升速度、提升終端荷載的增大而增大，其等效靜力也隨提升速度、提升終端荷載的增大而增大，見表1—表3。

表1 副井水平力峰值最大值與終端荷載關(guān)系 kN

表2 主井水平力峰值最大值與提升速度、終端荷載關(guān)系

表3 34t箕斗井水平力峰值最大值與提升速度、終端荷載關(guān)系 kN

實測結(jié)果表明：提升過程中，罐道正面和側(cè)面水平力峰值最大值(Pym與Pxm)不同時出現(xiàn)，其同時發(fā)生荷載組合概率為0，稱為不可能荷載組合；罐道正面水平力峰值最大值和側(cè)面水平力峰值平均值(Pym與Pxav)或罐道側(cè)面水平力峰值最大值和正面水平力峰值平均值(Pxm與Pyav)可以同時出現(xiàn)，其同時發(fā)生荷載組合概率較大，稱為可能荷載組合；罐道正面水平力峰值平均值和側(cè)面水平力峰值平均值(Pyav與Pxav)最可能同時出現(xiàn)，其同時發(fā)生荷載組合概率最大，稱為最可能荷載組合。

在水平力峰值長期作用下井筒裝備結(jié)構(gòu)可能發(fā)生斷裂、變形等強度或剛度破壞現(xiàn)象，也可能發(fā)生焊縫開裂、疲勞斷裂等疲勞破壞現(xiàn)象。因此井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時必須充分考慮水平力峰值特性，有針對性的進行設(shè)計計算，確保井筒裝備結(jié)構(gòu)的強度剛度滿足要求。

2.2 水平力的動力特性

實測結(jié)果表明水平力是動態(tài)沖擊荷載，提升速度為10～14m/s條件下，荷載作用周期為0.6～1s，頻率1～2Hz。水平力為低頻沖擊荷載.當(dāng)水平力沖擊作用頻率與井筒裝備結(jié)構(gòu)自振頻率一致時，井筒裝備結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生動力失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。因此，井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時應(yīng)校核動力穩(wěn)定性。

2.3 水平力的隨機性

水平力的隨機性表現(xiàn)在提升過程中水平力峰值出現(xiàn)在井筒裝備結(jié)構(gòu)上的位置是隨機的，井筒裝備結(jié)構(gòu)某處受水平力峰值大小也是隨機的，但水平力的變化規(guī)律是可統(tǒng)計的.依據(jù)水平力的隨機性，在井筒裝備結(jié)構(gòu)計算時可對井筒裝備結(jié)構(gòu)上作用的水平力進行隨機的荷載組合，包括作用位置和水平力可能作用方向的隨機組合，通過分析計算便可找出最不利于罐梁、罐道的位置和相應(yīng)的荷載組合。

對于罐道最不利的荷載作用位置為靠近罐道接頭連接支座的跨中位置，對于罐梁最不利荷載作用位置為罐梁與罐道連接處。該兩處位置分別為罐道計算不利荷位和罐梁計算不利荷位。

2.4 水平力作用的長期性

盡管每次提升過程中井筒裝備結(jié)構(gòu)某處受到水平力的沖擊作用次數(shù)是有限的(1次至幾次)，但在長達數(shù)十年的使用期內(nèi)該處受到水平力沖擊作用次數(shù)累計卻是巨大的，足以導(dǎo)致井筒裝備結(jié)構(gòu)強度特別是疲勞強度降低。

3 水平力計算

現(xiàn)場實測結(jié)果表明，超大終端荷載條件下井筒裝備結(jié)構(gòu)上作用的水平力荷載特性與中國礦業(yè)大學(xué)提出的水平力荷載特性一致。依據(jù)現(xiàn)場測試條件，現(xiàn)場實測水平力與用中國礦業(yè)大學(xué)水平力公式計算的水平力對比見表4—表6。

表4 副井水平力峰值實測值與水平力公式計算值對比表

表5 主井水平力峰值實測值與水平力公式計算值對比表

表6 34t箕斗井水平力峰值實測值與計算值對比表

表4—表6顯示，中國礦業(yè)大學(xué)水平力計算公式確定的水平力計算值明顯小于現(xiàn)場實測值，實測值是計算值2.15～3.85倍，平均值為3.0倍。兩者相差倍數(shù)與水平力標(biāo)定試驗中動靜比相當(dāng)。

4 荷載公式的提出

基于超大提升終端荷載條件下現(xiàn)場實測結(jié)果，對中國礦業(yè)大學(xué)水平力計算公式進行修正和簡化處理如下：

P=0.35·a·v·W0.25

(1)

式中，P為罐道上作用的水平力，kN；v為提升速度，m/s；W為提升終端荷載，kN；a為動靜比。

當(dāng)a=2～3時，得到水平力峰值最大值：

Pm=0.35·a·v·W0.25

(2)

當(dāng)a=1時，得到水平力峰值等效靜力值：

Pj=0.35·v·W0.25

(3)

a=2.0時，式(2)計算值和實測值對比列見表7—表9。

表7 副井水平力峰值實測值與修正公式計算值對比表

表8 主井水平力峰值實測值與修正公式計算值對比表

表9 34t箕斗井水平力峰值實測值與修正水平力公式計算值對比表

a=2.5時，用水平力式(1)、式(2)計算值和實測值對比見表10—12。

表10 副井水平力峰值實測值與修正公式計算值對比表

a=3.0時，用式(1)、式(2)計算值和實測值對比見表13—15。

表11 主井水平力峰值實測值與修正公式計算值對比表

表12 34t箕斗井水平力峰值實測值與修正水平力公式計算值對比表

表13 副井水平力峰值實測值與修正公式計算值對比表

表14 主井水平力峰值實測值與修正公式計算值對比表

表7—表15顯示：水平力計算公式，在a=2.5時更適合于超大終端荷載條件，其計算值與實測值誤差在10%左右。

表15 34t箕斗井水平力峰值實測值與修正水平力公式計算值對比表

基于以上對比分析提出超大終端荷載條件下水平力計算式：

1)提升過程中作用在罐道上的水平力峰值最大值為：

Pym=0.35·a·v·W0.25

Pxm=0.35·a·b·v·W0.25

式中，Pym為罐道正面作用水平力峰值最大值，kN；Pxm為罐道側(cè)面作用水平力峰值最大值，kN；a為動靜比，a=2～3，建議a取2.5；b為側(cè)正比，b=0.5～0.9，建議b取0.75。

2)提升過程中作用在罐道上的水平力峰值的平均值為：

Pyav=0.35·a·c·v·W0.25

Pxav=0.35·a·b·c·v·W0.25

式中：Pyav為罐道正面作用水平力峰值的平均值，kN；Pxav為罐道側(cè)面作用水平力峰值的平均值，kN；a為動靜比，a=2～3，建議a取2.5；b為側(cè)正比，b=0.5～0.8，建議b取0.75；c為均峰比，c=0.2～0.6，建議正面水平力c取0.4、側(cè)面水平力c取0.5。

3)提升過程中作用在罐道上的水平力峰值最大值的等效靜力為：

Pyj=0.35·v·W0.25

Pxj=0.35·b·v·W0.25

式中，：Pyj為罐道正面作用水平力峰值最大值的等效靜力，kN；Pxj為罐道側(cè)面作用水平力峰值最大值的等效靜力，kN；a為動靜比，a取1；b為側(cè)正比，b=0.5～0.9，建議b取0.75。

4)提升過程中作用在罐道上的水平力峰值等效靜力的平均值為：

Pyjav=0.35·c·v·W0.25

Pxjav=0.35·b·c·v·W0.25

式中，Pyjav為罐道正面作用水平力峰值等效靜力的平均值，kN；Pxjav為罐道側(cè)面作用水平力峰值等效靜力的平均值，kN；a為動靜比，a取1；b為側(cè)正比，b=0.5～0.9，建議b取0.75；c為均峰比，c=0.2～0.6，建議正面水平力c取0.4、側(cè)面水平力c取0.5。

5 結(jié)論與建議

超大提升終端荷載條件下水平力，其大小為隨提升速度和終端荷載增大而增大，其對井筒裝備結(jié)構(gòu)作用的特征為：峰值特性、動力特性、隨機性和作用長期性，與中國礦業(yè)大學(xué)水平力計算公式特征基本一致。該項目的研究，對完善我國立井井筒裝備設(shè)計體系，提高我國剛性井筒裝備設(shè)計理論水平，充實我國《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容具有重要的理論意義。由于條件限制，超大終端荷載提升井筒裝備水平力實測僅完成3個井筒現(xiàn)場實測，建議進一步開展現(xiàn)場水平力實測和模擬實驗，完善水平力計算。