超大荷载立井装备水平力计算方法研究与应用

刘清宝，宋 伟，宋立平，朱 磊

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤能源研究院有限责任公司 采矿技术研究所，陕西 西安 710054)

立井井筒是矿井的咽喉，立井刚性井简装备是保证矿井提升容器高速、安全运行的导向结构，主要由罐道和罐道梁(或托架)组成，沿井筒深度构成空间结构体系。近10年来。随着我国西部煤炭资源的高强度开发，新建矿井井型不断加大，使得矿井提升容器载重和提升速度不断的增大，提升容器载重达50t以上，提升速度高达16～18m/s。

井筒装备设计荷载是提升容器与井筒装备相互作用水平力，国内外对立井井筒装备提升开展的相关研究甚少，现行《煤矿立井井筒及硐室设计规范》中水平力确定是基于20世纪30年代德国提出的经验公式和20世纪90年代中国矿业大学提出的3参数水平力计算公式[1-3]，德国水平力公式适用条件是提升容器载重小于20～30t，运行速度小于14m/s[4-6]；中国矿大水平力公式适用条件为提升容器载重小于30～40t，运行速度小于14～18m/s[7，8]。

目前我国西部开发的一些超大型矿井提升容器运行条件已超出现行采矿设计规范中有关刚性井筒装备设计条件，使得井筒装备设计工作准确性和可靠性难以保证[9-15]，已建成投产的该类型矿井的提升运行也势必存在着严重的安全隐患。迫切需要进行超大提升终端荷载(提升终端荷载大于800kN)条件下井筒装备设计相关的技术问题进行专题研究，提出适合现阶段和今后一定时期条件下井筒装备成套设计理论和设计方法，确保超大提升终端荷载立井井筒提升工作安全运行，具有重要的理论意义和实际工程应用价值。

中煤西安设计工程有限责任公司与中国矿业大学土建学院井筒装备课题组对胡家河矿副井和主井井筒装备分别进行了水平力测试。并提出了适合超大提升终端荷载的水平力计算公式，引入了动静比等概念，更贴近力学工况的基本特性。

1 测试煤矿概况及结论

陕西彬长矿区胡家河矿井设计年产原煤5.0Mt，主立井井筒净直径6.5m，垂深538m，装备一对40t的立井多绳提煤箕斗。副立井净直径8.5m，垂深568m，装备一对罐笼提升。

1.1 副立井水平力测试结论

1)罐道上作用的水平力为低频冲击荷载，水平力最大值随提升终端荷载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侧面水平力最大值，两者不同时出现，两者比值Pxm/Pym=0.4～0.8，均值为0.616；

3)罐道正面作用水平力峰值的均值与最大值之比为0.3～0.6，均值为0.439，罐道侧面作用水平力峰值均值与最大值之比为0.2～0.5，均值为0.372。

1.2 主立井水平力测试结论

1)提升过程中，罐道上作用的水平力为低频冲击荷载，冲击频率为1～2Hz；

2)水平力最大值随提升终端荷载和提升速度的增大而增大；

3)提升过程中，罐道正面水平力最大值大于罐道侧面水平力最大值，两者不同时出现，两者比值Pxm/Pym=0.3～0.9，均值为0.48。

除了对胡家河主、副井进行了测试外，还对济宁三号井主井南北两个34t提煤箕斗在空载和满载(50t和84t)、4个提升速度(8m/s、10m/s、12m/s、14m/s)提升条件下的水平力。

2 井筒装备荷载特性分析

井筒装备是保证矿井提升容器高速、安全运行的导向结构，主要由罐道和罐道梁组成，沿井筒深度构成空间结构体系。井筒装备结构的设计荷载由2部分构成，其一结构自重和安设在井筒装备罐梁上的设施(如梯子间、管路、电缆)产生的荷载；其二是提升容器运行过程中与罐道相互作用产生水平力。前者荷载特征为静态，对井筒装备结构设计计算影响单一；后者是井筒装备结构设计计算的主要荷载，也是造成井简装备结构损坏最直接最主要的原因。水平力的特性很大程度上决定了井筒装备结构设计计算的方法和内容。

超大提升终端荷载条件下水平力实测结果表明水平力具有如下特性：

2.1 水平力的峰值特性

提升过程中提升容器作用于井简装备结构上的水平力为水平冲击荷载，定义：一次提升过程中水平力峰值最大值为Pm、一次提升过程中全部水平力峰值平均值为Pav、罐道正面作用水平力峰值最大值和平均值分别为Pym和Pyav；罐道侧面作用水平力峰值最大值、平均值分别为Pxm和Pxav；水平力峰值等效静力为Pj，罐道正面和侧面作用水平力峰值最大值的等效静力分别为Pyj和Pxj，罐道正面和侧面作用全部水平力峰值的等效静力分别为Pyjav和Pxjav。实测结果表明：超大终端荷载提升条件下水平力峰值与随提升速度、提升终端荷载的增大而增大，其等效静力也随提升速度、提升终端荷载的增大而增大，见表1—表3。

表1 副井水平力峰值最大值与终端荷载关系 kN

表2 主井水平力峰值最大值与提升速度、终端荷载关系

表3 34t箕斗井水平力峰值最大值与提升速度、终端荷载关系 kN

实测结果表明：提升过程中，罐道正面和侧面水平力峰值最大值(Pym与Pxm)不同时出现，其同时发生荷载组合概率为0，称为不可能荷载组合；罐道正面水平力峰值最大值和侧面水平力峰值平均值(Pym与Pxav)或罐道侧面水平力峰值最大值和正面水平力峰值平均值(Pxm与Pyav)可以同时出现，其同时发生荷载组合概率较大，称为可能荷载组合；罐道正面水平力峰值平均值和侧面水平力峰值平均值(Pyav与Pxav)最可能同时出现，其同时发生荷载组合概率最大，称为最可能荷载组合。

在水平力峰值长期作用下井筒装备结构可能发生断裂、变形等强度或刚度破坏现象，也可能发生焊缝开裂、疲劳断裂等疲劳破坏现象。因此井筒装备结构设计计算时必须充分考虑水平力峰值特性，有针对性的进行设计计算，确保井筒装备结构的强度刚度满足要求。

2.2 水平力的动力特性

实测结果表明水平力是动态冲击荷载，提升速度为10～14m/s条件下，荷载作用周期为0.6～1s，频率1～2Hz。水平力为低频冲击荷载.当水平力冲击作用频率与井筒装备结构自振频率一致时，井筒装备结构有可能发生动力失稳破坏现象。因此，井筒装备结构设计计算时应校核动力稳定性。

2.3 水平力的随机性

水平力的随机性表现在提升过程中水平力峰值出现在井筒装备结构上的位置是随机的，井筒装备结构某处受水平力峰值大小也是随机的，但水平力的变化规律是可统计的.依据水平力的随机性，在井筒装备结构计算时可对井筒装备结构上作用的水平力进行随机的荷载组合，包括作用位置和水平力可能作用方向的随机组合，通过分析计算便可找出最不利于罐梁、罐道的位置和相应的荷载组合。

对于罐道最不利的荷载作用位置为靠近罐道接头连接支座的跨中位置，对于罐梁最不利荷载作用位置为罐梁与罐道连接处。该两处位置分别为罐道计算不利荷位和罐梁计算不利荷位。

2.4 水平力作用的长期性

尽管每次提升过程中井筒装备结构某处受到水平力的冲击作用次数是有限的(1次至几次)，但在长达数十年的使用期内该处受到水平力冲击作用次数累计却是巨大的，足以导致井筒装备结构强度特别是疲劳强度降低。

3 水平力计算

现场实测结果表明，超大终端荷载条件下井筒装备结构上作用的水平力荷载特性与中国矿业大学提出的水平力荷载特性一致。依据现场测试条件，现场实测水平力与用中国矿业大学水平力公式计算的水平力对比见表4—表6。

表4 副井水平力峰值实测值与水平力公式计算值对比表

表5 主井水平力峰值实测值与水平力公式计算值对比表

表6 34t箕斗井水平力峰值实测值与计算值对比表

表4—表6显示，中国矿业大学水平力计算公式确定的水平力计算值明显小于现场实测值，实测值是计算值2.15～3.85倍，平均值为3.0倍。两者相差倍数与水平力标定试验中动静比相当。

4 荷载公式的提出

基于超大提升终端荷载条件下现场实测结果，对中国矿业大学水平力计算公式进行修正和简化处理如下：

P=0.35·a·v·W0.25

(1)

式中，P为罐道上作用的水平力，kN；v为提升速度，m/s；W为提升终端荷载，kN；a为动静比。

当a=2～3时，得到水平力峰值最大值：

Pm=0.35·a·v·W0.25

(2)

当a=1时，得到水平力峰值等效静力值：

Pj=0.35·v·W0.25

(3)

a=2.0时，式(2)计算值和实测值对比列见表7—表9。

表7 副井水平力峰值实测值与修正公式计算值对比表

表8 主井水平力峰值实测值与修正公式计算值对比表

表9 34t箕斗井水平力峰值实测值与修正水平力公式计算值对比表

a=2.5时，用水平力式(1)、式(2)计算值和实测值对比见表10—12。

表10 副井水平力峰值实测值与修正公式计算值对比表

a=3.0时，用式(1)、式(2)计算值和实测值对比见表13—15。

表11 主井水平力峰值实测值与修正公式计算值对比表

表12 34t箕斗井水平力峰值实测值与修正水平力公式计算值对比表

表13 副井水平力峰值实测值与修正公式计算值对比表

表14 主井水平力峰值实测值与修正公式计算值对比表

表7—表15显示：水平力计算公式，在a=2.5时更适合于超大终端荷载条件，其计算值与实测值误差在10%左右。

表15 34t箕斗井水平力峰值实测值与修正水平力公式计算值对比表

基于以上对比分析提出超大终端荷载条件下水平力计算式：

1)提升过程中作用在罐道上的水平力峰值最大值为：

Pym=0.35·a·v·W0.25

Pxm=0.35·a·b·v·W0.25

式中，Pym为罐道正面作用水平力峰值最大值，kN；Pxm为罐道侧面作用水平力峰值最大值，kN；a为动静比，a=2～3，建议a取2.5；b为侧正比，b=0.5～0.9，建议b取0.75。

2)提升过程中作用在罐道上的水平力峰值的平均值为：

Pyav=0.35·a·c·v·W0.25

Pxav=0.35·a·b·c·v·W0.25

式中：Pyav为罐道正面作用水平力峰值的平均值，kN；Pxav为罐道侧面作用水平力峰值的平均值，kN；a为动静比，a=2～3，建议a取2.5；b为侧正比，b=0.5～0.8，建议b取0.75；c为均峰比，c=0.2～0.6，建议正面水平力c取0.4、侧面水平力c取0.5。

3)提升过程中作用在罐道上的水平力峰值最大值的等效静力为：

Pyj=0.35·v·W0.25

Pxj=0.35·b·v·W0.25

式中，：Pyj为罐道正面作用水平力峰值最大值的等效静力，kN；Pxj为罐道侧面作用水平力峰值最大值的等效静力，kN；a为动静比，a取1；b为侧正比，b=0.5～0.9，建议b取0.75。

4)提升过程中作用在罐道上的水平力峰值等效静力的平均值为：

Pyjav=0.35·c·v·W0.25

Pxjav=0.35·b·c·v·W0.25

式中，Pyjav为罐道正面作用水平力峰值等效静力的平均值，kN；Pxjav为罐道侧面作用水平力峰值等效静力的平均值，kN；a为动静比，a取1；b为侧正比，b=0.5～0.9，建议b取0.75；c为均峰比，c=0.2～0.6，建议正面水平力c取0.4、侧面水平力c取0.5。

5 结论与建议

超大提升终端荷载条件下水平力，其大小为随提升速度和终端荷载增大而增大，其对井筒装备结构作用的特征为：峰值特性、动力特性、随机性和作用长期性，与中国矿业大学水平力计算公式特征基本一致。该项目的研究，对完善我国立井井筒装备设计体系，提高我国刚性井筒装备设计理论水平，充实我国《煤矿立井井筒及硐室设计规范》相关内容具有重要的理论意义。由于条件限制，超大终端荷载提升井筒装备水平力实测仅完成3个井筒现场实测，建议进一步开展现场水平力实测和模拟实验，完善水平力计算。