劉清寶，宋 偉，宋立平，朱 磊

(1.中煤西安設(shè)計(jì)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(jiǎn)裝備是保證礦井提升容器高速、安全運(yùn)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(lái)。隨著我國(guó)西部煤炭資源的高強(qiáng)度開(kāi)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(dá)50t以上，提升速度高達(dá)16～18m/s。

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

目前我國(guó)西部開(kāi)發(fā)的一些超大型礦井提升容器運(yùn)行條件已超出現(xiàn)行采礦設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)剛性井筒裝備設(shè)計(jì)條件，使得井筒裝備設(shè)計(jì)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(yùn)行也勢(shì)必存在著嚴(yán)重的安全隱患。迫切需要進(jìn)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(jì)相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行專題研究，提出適合現(xiàn)階段和今后一定時(shí)期條件下井筒裝備成套設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，確保超大提升終端荷載立井井筒提升工作安全運(yùn)行，具有重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

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

1 測(cè)試煤礦概況及結(jié)論

陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)胡家河礦井設(shè)計(jì)年產(chǎn)原煤5.0Mt，主立井井筒凈直徑6.5m，垂深538m，裝備一對(duì)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(duì)罐籠提升。

1.1 副立井水平力測(cè)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(shí)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(cè)試結(jié)論

1)提升過(guò)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(guò)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(shí)出現(xiàn)，兩者比值Pxm/Pym=0.3～0.9，均值為0.48。

除了對(duì)胡家河主、副井進(jìn)行了測(cè)試外，還對(duì)濟(jì)寧三號(hào)井主井南北兩個(gè)34t提煤箕斗在空載和滿載(50t和84t)、4個(gè)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(yùn)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(jì)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(yùn)行過(guò)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(duì)井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算影響單一；后者是井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要荷載，也是造成井簡(jiǎn)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(jì)計(jì)算的方法和內(nèi)容。

超大提升終端荷載條件下水平力實(shí)測(cè)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(guò)程中提升容器作用于井簡(jiǎn)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(guò)程中水平力峰值最大值為Pm、一次提升過(guò)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(shí)測(cè)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(jiàn)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(shí)測(cè)結(jié)果表明：提升過(guò)程中，罐道正面和側(cè)面水平力峰值最大值(Pym與Pxm)不同時(shí)出現(xiàn)，其同時(shí)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(shí)出現(xiàn)，其同時(shí)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(shí)出現(xiàn)，其同時(shí)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(zhǎng)期作用下井筒裝備結(jié)構(gòu)可能發(fā)生斷裂、變形等強(qiáng)度或剛度破壞現(xiàn)象，也可能發(fā)生焊縫開(kāi)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(jì)計(jì)算時(shí)必須充分考慮水平力峰值特性，有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確保井筒裝備結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度滿足要求。

2.2 水平力的動(dòng)力特性

實(shí)測(cè)結(jié)果表明水平力是動(dòng)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(shí)，井筒裝備結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。因此，井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)校核動(dòng)力穩(wěn)定性。

2.3 水平力的隨機(jī)性

水平力的隨機(jī)性表現(xiàn)在提升過(guò)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(jī)的，井筒裝備結(jié)構(gòu)某處受水平力峰值大小也是隨機(jī)的，但水平力的變化規(guī)律是可統(tǒng)計(jì)的.依據(jù)水平力的隨機(jī)性，在井筒裝備結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)可對(duì)井筒裝備結(jié)構(gòu)上作用的水平力進(jìn)行隨機(jī)的荷載組合，包括作用位置和水平力可能作用方向的隨機(jī)組合，通過(guò)分析計(jì)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(duì)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(duì)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(jì)算不利荷位和罐梁計(jì)算不利荷位。

2.4 水平力作用的長(zhǎng)期性

盡管每次提升過(guò)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(zhǎng)達(dá)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(jì)卻是巨大的，足以導(dǎo)致井筒裝備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特別是疲勞強(qiáng)度降低。

3 水平力計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(guó)礦業(yè)大學(xué)提出的水平力荷載特性一致。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水平力與用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水平力公式計(jì)算的水平力對(duì)比見(jiàn)表4—表6。

表4 副井水平力峰值實(shí)測(cè)值與水平力公式計(jì)算值對(duì)比表

表5 主井水平力峰值實(shí)測(cè)值與水平力公式計(jì)算值對(duì)比表

表6 34t箕斗井水平力峰值實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比表

表4—表6顯示，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水平力計(jì)算公式確定的水平力計(jì)算值明顯小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，實(shí)測(cè)值是計(jì)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(yàn)中動(dòng)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(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水平力計(jì)算公式進(jìn)行修正和簡(jiǎn)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(dòng)靜比。

當(dāng)a=2～3時(shí)，得到水平力峰值最大值：

Pm=0.35·a·v·W0.25

(2)

當(dāng)a=1時(shí)，得到水平力峰值等效靜力值：

Pj=0.35·v·W0.25

(3)

a=2.0時(shí)，式(2)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比列見(jiàn)表7—表9。

表7 副井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正公式計(jì)算值對(duì)比表

表8 主井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正公式計(jì)算值對(duì)比表

表9 34t箕斗井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正水平力公式計(jì)算值對(duì)比表

a=2.5時(shí)，用水平力式(1)、式(2)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表10—12。

表10 副井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正公式計(jì)算值對(duì)比表

a=3.0時(shí)，用式(1)、式(2)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表13—15。

表11 主井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正公式計(jì)算值對(duì)比表

表12 34t箕斗井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正水平力公式計(jì)算值對(duì)比表

表13 副井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正公式計(jì)算值對(duì)比表

表14 主井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正公式計(jì)算值對(duì)比表

表7—表15顯示：水平力計(jì)算公式，在a=2.5時(shí)更適合于超大終端荷載條件，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差在10%左右。

表15 34t箕斗井水平力峰值實(shí)測(cè)值與修正水平力公式計(jì)算值對(duì)比表

基于以上對(duì)比分析提出超大終端荷載條件下水平力計(jì)算式：

1)提升過(guò)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(duì)井筒裝備結(jié)構(gòu)作用的特征為：峰值特性、動(dòng)力特性、隨機(jī)性和作用長(zhǎng)期性，與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水平力計(jì)算公式特征基本一致。該項(xiàng)目的研究，對(duì)完善我國(guó)立井井筒裝備設(shè)計(jì)體系，提高我國(guó)剛性井筒裝備設(shè)計(jì)理論水平，充實(shí)我國(guó)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)僅完成3個(gè)井筒現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，建議進(jìn)一步開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)水平力實(shí)測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)，完善水平力計(jì)算。