立井排水管上部支座失效時各支座支撐力分析

張安寧， 尹中會, 蘇暢， 梁超， 王國鋒， 陳瑞云

(1． 安徽理工大學，安徽 淮南 232001；2． 中國煤炭學會煤礦機電一體化專業委員會，上海200030；3． 淮河能源集團煤業公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

為將井下的涌水排出井外，礦井排水系統的一段排水管必須經過井筒，當井筒比較淺時，排水管及其內部水的總質量不大，可在井筒底部安裝支座來支撐管道，但當井筒比較深時，排水管及其內部的水總重量明顯增大，此時應在井筒中增加中間支座來支撐，分擔底部支座的支撐力，同時還可以限制管道在井筒中的水平位移，防止其進入提升系統在井筒中的運行斷面而引發事故[1-2]。由于溫度變化等原因，井筒中的排水管會變形伸長，嚴重時會使上部的支座脫離托管梁而失去支撐力，使下部支座支撐力產生較大變化，產生安全隱患，因此有必要對該情況下各支座的支撐力進行分析。本文通過理論和實例對井筒排水管上支座失效情況下各支座支撐力進行了分析，其結果可為解決類似工程問題提供參考。

1 井筒排水管各支座支撐力的確定

井筒排水管及其各支座的受力情況比較復雜，既有靜載荷，也有動載荷，但以靜載荷為主，為簡化分析，僅考慮靜載荷，且假設托管梁為剛性梁，則可得井筒排水管及其各支座的基本結構和受力情況如圖1所示。

圖1 井筒排水管各支座受力示意圖

當排水管處于平衡時，排水管(含附件)及其中水的總重力與各支座的總支撐力平衡，因此有

G1+G2+…+Gi+…+Gn+W=R1+R2+…+

Ri+…+Rn

(1)

式中：G1為井口到支座1間排水管重力，N；G2為支座1到支座2間排水管重力，N；Gi為支座i-1到支座i間排水管重力，N；R1為支座1對排水管的支撐力，N；R2為支座2對排水管的支撐力， N；Ri為支座i對排水管的支撐力，N；W為從井口到井底整個排水管中水的重力，N。

式(1)經整理可得：

(2)

(3)

分析支座i(i=2,…,n-1)受力，由力平衡方程可得：

(4)

分析支座n受力，由力平衡方程可得：

(5)

(6)

通常情況下，可認為井口無支撐，處于上下自由狀態，則

農藝性狀測定：隨機選取各處理苦蕎幼苗3株進行測量。株高和主根長用直尺測量；莖粗用游標卡尺測定；用烘干稱重法測定地上部及根系干重；根冠比 = 根干重/地上部干重；葉面積測定選擇第1片全展葉，用LI-3000C便攜式葉面積儀測定；采用Delta-T SCAN根系分析系統(英國)測定根體積、根表面積、根系平均直徑。

(7)

綜合式(1)～(7)并整理可得各支座對排水管的支撐力計算公式為：

(8)

2 排水管上支座失效時各支座支撐力的分析

排水管膨脹力一般來自熱膨脹。井筒壁與大地直接接觸，一般不隨季節溫度變化，井筒中的溫度隨井深的增加其溫度變化逐漸減小，排水管的膨脹力也隨井深的增加而逐漸減小，因此，排水管上支座最容易因排水管膨脹力失去支撐而失效。

2.1 支座1失效時各支座支撐力的分析

當支座1失效時，該支座失去支撐力，則有

R1=0

(9)

將式(9)代入式(8)可得

(10)

2.2 支座1、2失效時各支座支撐力的分析

當支座1、2失效時，支座1、2皆失去支撐力，則有

R1=R2=0

(11)

將式(11)代入式(8)可得

(12)

2.3 支座1、2-j失效時各支座支撐力的分析

當支座1、2-j失效時，支座1、2-j皆失去支撐力，則有

Rj=0 (j=1,2,…,l

(13)

將式(13)代入式(8)可得

(14)

由式(10)、(12)、(14)可知，當有支座失效時，第一個有效支座的支撐力會增大，增大量為失效支座應支撐的排水管重力之和。

3 實例分析

本文選取某礦副井排水管進行實際分析，也為實際使用時做參考分析。此井筒中排水管采用D325無縫鋼管，在不同水平和井底共設6個排水管支座及托管梁，各段排水管重力：分別為69.47 kN、76.28 kN、96.02 kN、129.16 kN、121.87 kN,排水管內水的重力為334.34 kN。

假設排水管的自由膨脹伸長沿井筒呈線性分布，則各段排水管的膨脹力為

Fi+1=δiFi

(15)

式中：δi為第i+1段排水管與第i段排水管的自由膨脹伸長比，設δi=0.5，代入上述各式可得排水管無膨脹時各支座支撐力、支座1失效時各支座支撐力、支座1、2同時失效時各支座支撐力，如表1所示。

表1 排水管各支座支撐力計算值

由表1可知，當排水管無膨脹時各支座支撐力等于其設計支撐力；當排水管膨脹使支座1失效時，其他各支座支撐力增大，當支座1、2同時失效時，其他各支座支撐力進一步增大，且增大量隨井深逐步降低，井底支座支撐力增加最小；井底支座支撐力明顯高于中間支座。

4 結論

通過上述分析，可以得出以下結論：

1) 設置中間支座可有效降低井底支座的支撐力，減小井底托管梁強度。

2) 隨著排水管的膨脹，上部支座支撐力逐步減小，下部支座支撐力逐步增大。

3) 當排水管膨脹使上部支座失效時，其他各支座支撐力增大，失效支座越多，其他各支座支撐力增加越大，且增大量隨井深逐步降低，上部首個有效支座支撐力增加明顯，應給予重視。

4) 井底支座基礎支撐力明顯高于中間支座，受排水管膨脹力影響相對較小。