于建兵，賈 勇，朱旦育

(中國礦業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

煤礦主井井架承載能力驗(yàn)算

于建兵，賈 勇，朱旦育

(中國礦業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

以安徽省一煤礦主井為例，主井原打算每年提升煤為300萬t，現(xiàn)為了增加年提升量，年提升量改為350萬t。對其采用有限元軟件ANSYS分析了井架的主腿1、主腿2、牛腿1、牛腿2等的主要構(gòu)件在新荷載作用下的最大應(yīng)力情況，可以看出工況4情況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加最大，并對在工況4情況下的地基進(jìn)行驗(yàn)算。最后經(jīng)過驗(yàn)算，井架結(jié)構(gòu)基本可以滿足改造后的提升要求。通過對該井架的分析可以給以后相類似井架的分析提供參考。

井架 荷載 應(yīng)力 ANSYS 工況

1 工程概況

該礦2004年11月8日正式建成投產(chǎn)，礦井設(shè)計能力年產(chǎn)原煤300萬t，按照要求，該煤礦將進(jìn)一步提高到年產(chǎn)350萬t。主井提升及地面原煤運(yùn)輸能力不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，需要對主井提升及地面運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)能改造。根據(jù)《該煤礦主井系統(tǒng)(含地面生產(chǎn)系統(tǒng))改造可行性方案》，提升機(jī)卷筒保持現(xiàn)狀，單勾裝載量由16 t提高到20 t，提升主鋼絲繩單根最小鋼絲破斷拉力總和由945.131 kN提高到1 001.627 kN，超過了該煤礦主井井架設(shè)計的鋼絲繩破斷力。該煤礦主井井架結(jié)構(gòu)設(shè)計型式為鋼井架L-A型;第一層天輪平臺(高程 40.900 m)，第二層天輪平臺高程46.300 m，井架總高52.950 m。井架結(jié)構(gòu)為空間框架體系，主副斜腿、框架梁均采用箱形梁，部分為焊接工字形梁。井架所用鋼材為Q235鋼?；A(chǔ)采用C25混凝土，整體現(xiàn)澆基礎(chǔ)。井架基礎(chǔ)置于第三層粉土上，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=220 kPa。天輪直徑為3.50 m，單根鋼絲繩破斷力818.0 kN。井架現(xiàn)狀見圖1。

2 井架理論計算與分析

2.1 荷載工況

井架分析計算采用國際通用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行。按正常工作提升荷載和斷繩荷載兩種情況進(jìn)行計算，共進(jìn)行了6種工況組合。工況1至工況4的計算荷載采用提升系統(tǒng)改造后的新荷載，為了與改造前的情況做進(jìn)一步對比，還進(jìn)行了原設(shè)計破斷力荷載下的工況5和工況6的計算。按照《礦山井架設(shè)計規(guī)范》(GB 50385—2006)，多繩摩擦式提升井架進(jìn)行破斷力驗(yàn)算時，一組鋼絲繩取鋼絲繩破斷力設(shè)計值，另一組則取其0.33倍。其工況組合則分別按以下情況考慮：①正常提升時，上繩重載，下繩空載;②正常提升時，上繩空載，下繩重載;③上繩破斷力，下繩0.33倍破斷力;④下繩破斷力，上繩0.33倍破斷力;⑤上繩原設(shè)計破斷力;⑥下繩0.33倍原設(shè)計破斷力。

圖1 井架現(xiàn)狀

2.2 荷載計算

計算所用荷載見表1。

表1 計算荷載

2.3 計算模型建立

計算模型取三維空間框架結(jié)構(gòu)，按梁單元進(jìn)行計算桿件或組合桿件的連接處均作為節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)間作為一個單元。根據(jù)井架的受力特點(diǎn)，對主要結(jié)構(gòu)桿件劃分單元進(jìn)行計算。共計3 090個節(jié)點(diǎn)，1 550個單元，截面和材料特性根據(jù)井架施工圖定義。模型單元圖如圖2。

圖2 模型單元

2.4 荷載組合

1)荷載組合Ⅰ。鋼絲繩破斷時，井架計算荷載為：一根為破斷力+另一根為0.33倍的破斷力 +1.2×自重。

2)荷載組合Ⅱ。正常提升時，井架計算荷載為：一個箕斗為重載+另一個箕斗為空載+1.2×自重+風(fēng)荷載。

2.5 計算結(jié)果

根據(jù)ANSYS的計算，得出6種工況下各單元內(nèi)力。其中主要構(gòu)件的最大應(yīng)力如表2。為便于分析結(jié)果，井架各構(gòu)件名稱見圖3。

圖3 井架各構(gòu)件名稱

表2 主要構(gòu)件應(yīng)力最大值 MPa

續(xù)表2

通過表2可以看出工況4應(yīng)力增加最大，所以在工況4情況下對井架基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算，工況4情況下底部產(chǎn)生反力可以通過ANSYS計算出來，各向支座反力見表3。

表3 工況4井架支座反力

主腿基礎(chǔ)底面積51 m2，基底與地基摩擦系數(shù)取0.5，工況4地基豎向反力為6 337.7/51=124.27 kPa<220.00 kPa，所以地基承載力滿足要求，地基最大水平反力為1 775.0<6 337.7×0.5，所以地基抗滑滿足要求。

3 結(jié)論

1)在下天輪鋼絲繩全部破斷(工況4)下，下天輪梁應(yīng)力比原設(shè)計應(yīng)力增加較大。

2)主腿1，主腿2與主腿橫梁連接節(jié)點(diǎn)及與天輪梁連接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力增加幅度較大，應(yīng)力水平較高。

4)主腿基礎(chǔ)斷繩荷載下承受最大豎向荷載滿足地基承載力要求，最大水平荷載滿足地基抗滑要求。

5)井架提升改造后，結(jié)構(gòu)整體基本能滿足要求，考慮到結(jié)構(gòu)損傷及材料強(qiáng)度疲勞，應(yīng)進(jìn)行局部增大截面改造，將應(yīng)力水平恢復(fù)至原設(shè)計應(yīng)力水平。

［1］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50385—2006 礦山井架設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2006.

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TU272;TU328

B

1003-1995(2011)03-0134-03

2010-10-16;

2010-12-20

于建兵(1983— )，男，江蘇連云港人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 王天威)