李建光

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

隨著我國煤炭開采強(qiáng)度的加大，賦存較好的煤炭資源日漸減少，深井開采成為一種趨勢(shì)。深井開采為礦井各主要系統(tǒng)帶來了一些新的難題，排水系統(tǒng)井筒管路力學(xué)分析問題便是其中之一。國內(nèi)已有專家對(duì)深井排水管路進(jìn)行過力學(xué)分析[1]。下面從工程實(shí)踐角度出發(fā)，以某礦副井為例，采用新型的設(shè)計(jì)思路對(duì)其井筒管路進(jìn)行選型設(shè)計(jì)并作力學(xué)分析。本文選擇的案例具有三個(gè)方面的特殊性：(1)礦井涌水量多達(dá)2 000 m3/h，排水管路規(guī)格大、數(shù)量多；(2)存在地?zé)釣?zāi)害，水溫高，溫度應(yīng)力大；(3)井深1 000 m，最底層托管梁受力復(fù)雜。如果設(shè)計(jì)過程中不能有效地解決上述問題，那么將會(huì)產(chǎn)生諸多不良效果，如：托管梁所受載荷大大超過一般礦井，選型困難，不易加工、運(yùn)輸、安裝?？傊?，無論從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)角度均不合理。解決問題的根本辦法在于降低載荷，減小梁的型號(hào)。本文對(duì)深井排水系統(tǒng)井筒管路設(shè)計(jì)過程的托管梁進(jìn)行力學(xué)分析，從而降低載荷，達(dá)到預(yù)期效果。

1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料

井口絕對(duì)標(biāo)高+1 118.300 m，管子道絕對(duì)標(biāo)高+143.000 m，井筒深度近1 000 m。井筒內(nèi)共安裝8趟管路，包括3趟D480主排水管路，3趟D377應(yīng)急排水管路，1趟D273灑水管路，1趟D245壓風(fēng)管路，如圖1。

圖1 副立井井筒管路布置平面圖(單位：mm)Fig.1 Auxiliary shaft pipeline layout plan

井筒內(nèi)共設(shè)置10組托管梁，相鄰兩組托管梁間隔100 m，每組托管梁分兩層布置。以最底層北側(cè)托管梁進(jìn)行受力分析，從圖1中管路分布看，+155.35 m標(biāo)高托管梁為最危險(xiǎn)梁，本文僅以此梁為研究對(duì)象，其它梁可以此類推。立面圖如圖2。

圖2 最底層托管梁局部立面圖(單位：m)Fig.2 Local elevation of the bottom pipeline beam

2 力學(xué)分析

根據(jù)GB/T 50451-2017《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，排水管路托管梁需考慮永久載荷、可變載荷以及偶然載荷。

2.1 永久載荷標(biāo)準(zhǔn)值

永久載荷標(biāo)準(zhǔn)值依據(jù)規(guī)范計(jì)算，方法明確，從算法方面降低托管梁載荷比較困難，所以設(shè)計(jì)只能從以下幾個(gè)方面著手：(1)管路分段選壁厚；(2)縮小每組托管梁的間距；(3)每組托管梁上下2根布置，分別承擔(dān)1趟排水管路和1趟應(yīng)急排水管路；(4)托管梁材質(zhì)選用Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼，取代Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼。

依據(jù)規(guī)范計(jì)算，D480排水管路的永久載荷標(biāo)準(zhǔn)值Gk=330.24 kN；D377應(yīng)急排水管路的永久載荷標(biāo)準(zhǔn)值Gk′=207.28 kN。

2.2 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值

2.2.1 水柱重標(biāo)準(zhǔn)值

2.2.2 溫度變化標(biāo)準(zhǔn)值

2.2.3 溫度力產(chǎn)生的伸縮量

ΔL=α×L×(T-TP)=12×10-6×

100×10=0.012(m)

(1)

式中：ΔL——鋼管伸縮量，m；α——鋼材熱伸縮系數(shù),12×10-6m/(m·℃)[3]；L——管路長度，m；T——運(yùn)行溫度，℃；Tp——安裝鎖定溫度，℃。為使運(yùn)行溫度更接近安裝鎖定溫度，要求在施工的過程中對(duì)管路進(jìn)行人工升溫或降溫，同時(shí)在施工完畢后的4、5或9、10月份重新進(jìn)行一次鎖定，即放掉管路中的水，再放松管路管卡螺母，靜置2～3 h后，重新緊固螺栓。該措施可以將溫差至少控制在10 ℃以內(nèi)。

設(shè)計(jì)在該管段上端安裝1個(gè)伸縮器[4]，經(jīng)查，伸縮器軸向限定壓縮量為65 mm?？梢姡苈酚捎跍囟攘d荷產(chǎn)生的伸縮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于伸縮器允許的伸縮量，所以托管梁不再考慮溫度力載荷。

2.3 偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值

水錘力可按式(2)計(jì)算[5]：

(2)

式中：ΔH——發(fā)生水錘時(shí)管中壓力升高值，m；a——管路中水錘波的傳播速度，取1 000 m/s；V——水流初速，m/s；V0——閥門關(guān)閉后水流速度，m/s。

依據(jù)規(guī)范計(jì)算，D480排水管路水錘壓力升高值ΔH=270 m；D377應(yīng)急排水管路水錘壓力升高值ΔH′=370 m。使用油介質(zhì)的微阻緩閉止回閥可以在理論上減弱水錘，甚至消除水錘，止回閥需要現(xiàn)場(chǎng)整定，閥門關(guān)閉時(shí)間為T≥2L/a=2s。

按常規(guī)選型方法，以上3項(xiàng)載荷經(jīng)過組合后，即為托管梁最終計(jì)算載荷。

2.4 降低載荷新方法力學(xué)分析

設(shè)計(jì)不滿足于只取消了溫度力，下面通過對(duì)U型管卡的力學(xué)分析，進(jìn)一步降低托管梁載荷。在選擇U型管卡時(shí)，其有效直徑可依據(jù)式(3)計(jì)算：

(3)

式中：d——管卡螺栓的有效直徑，cm；F——所需管卡阻力，kg；μ——管卡、管子、卡管梁之間的摩擦系數(shù)，取0.15；σ——管卡螺栓軸向拉應(yīng)力，1 400～1 600 kg/cm2；n——管卡數(shù)量，個(gè)。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們認(rèn)為管卡只起導(dǎo)向作用，并不受力。但實(shí)際情況是，管卡阻力可以抵消一部分載荷，這部分載荷既可以是溫度力，也可以是管重、水重，甚至可以是水錘力[6]。

3 基于ANSYS軟件的靜力學(xué)分析

梁的力學(xué)分析需考慮強(qiáng)度、撓度及穩(wěn)定性等因素。傳統(tǒng)的托管梁受力分析無法考慮加強(qiáng)筋板對(duì)托管梁強(qiáng)度提高的促進(jìn)作用，而ANSYS軟件卻可以實(shí)現(xiàn)。借助該軟件，通過反復(fù)試算，就可以有效地降低托管梁的截面。通過該方法，我們將原截面(寬×高)從250 mm×1 200 mm降低為250 mm×1 000 mm，如圖3、圖4所示。

下面將通過ANSYS軟件，驗(yàn)證改進(jìn)后的托管梁是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 改進(jìn)前最底層托管梁三視圖1(單位：mm)Fig.3 Three views 1 of the lowest layer pipeline beam before improvement

圖4 改進(jìn)后最底層托管梁三視圖2(單位：mm)Fig.4 Three views 2 of the lowest layer pipeline beam after improvement

3.1 模型的建立與網(wǎng)格的劃分

在PROE建模的過程中，由于圓倒角結(jié)構(gòu)影響網(wǎng)格劃分，有必要忽略對(duì)有限元分析影響不大的結(jié)構(gòu)，以簡化模型。將iges格式的最底層托管梁導(dǎo)入ANSYS軟件，托管梁采用SOLID187單元。合金鋼彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.28，采用自由網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格。

3.2 施加荷載

將托管梁兩端面自由度完全約束，位移為0，取基本荷載組合和偶然荷載組合的最大值施加在相應(yīng)位置。為便于荷載施加，可以將集中力轉(zhuǎn)化為均布荷載。

3.3 求解結(jié)果分析

最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁的端部，應(yīng)力大小為181.96 MPa，如圖5。最大應(yīng)變99.327 mm，如圖6。最底層托管梁材料為Q345，屈服強(qiáng)度345 MPa，安全系數(shù)n=345/181.96=1.896>1.5。

圖5 應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram

圖6 應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Strain nephogram

可見，改進(jìn)后托管梁的截面及長度選取合理。

4 選型計(jì)算結(jié)果

2趟管路的載荷以及托管梁選型結(jié)果前后對(duì)照詳見表1、表2。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，載荷明顯降低，托管梁的規(guī)格也有所下降，達(dá)到了預(yù)期目的。

表1 D480最底層排水管路荷載及托管梁選型結(jié)果對(duì)照表(單位：kN)Tab.1 Comparison table of D480 bottom drainage pipeline load and the selection results of pipeline beam

表2 D377最底層排水管路荷載及托管梁選型結(jié)果對(duì)照表(單位：kN)Tab.2 Comparison table of D377 bottom drainage pipeline load and selection results of the pipeline beam

5 結(jié)論

1)通過管路伸長量計(jì)算，并選取合適的伸縮器，取消溫度力載荷。

2)通過U型管卡阻力計(jì)算，可分擔(dān)部分載荷。

3)考慮加強(qiáng)筋板對(duì)托管梁的加強(qiáng)作用，通過有限元分析，降低托管梁規(guī)格。