深井排水系統井筒管路托管梁力學分析

李建光

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

隨著我國煤炭開采強度的加大，賦存較好的煤炭資源日漸減少，深井開采成為一種趨勢。深井開采為礦井各主要系統帶來了一些新的難題，排水系統井筒管路力學分析問題便是其中之一。國內已有專家對深井排水管路進行過力學分析[1]。下面從工程實踐角度出發，以某礦副井為例，采用新型的設計思路對其井筒管路進行選型設計并作力學分析。本文選擇的案例具有三個方面的特殊性：(1)礦井涌水量多達2 000 m3/h，排水管路規格大、數量多；(2)存在地熱災害，水溫高，溫度應力大；(3)井深1 000 m，最底層托管梁受力復雜。如果設計過程中不能有效地解決上述問題，那么將會產生諸多不良效果，如：托管梁所受載荷大大超過一般礦井，選型困難，不易加工、運輸、安裝。總之，無論從技術還是經濟角度均不合理。解決問題的根本辦法在于降低載荷，減小梁的型號。本文對深井排水系統井筒管路設計過程的托管梁進行力學分析，從而降低載荷，達到預期效果。

1 基礎設計資料

井口絕對標高+1 118.300 m，管子道絕對標高+143.000 m，井筒深度近1 000 m。井筒內共安裝8趟管路，包括3趟D480主排水管路，3趟D377應急排水管路，1趟D273灑水管路，1趟D245壓風管路，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

井筒內共設置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。以最底層北側托管梁進行受力分析，從圖1中管路分布看，+155.35 m標高托管梁為最危險梁，本文僅以此梁為研究對象，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 力學分析

根據GB/T 50451-2017《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》[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 永久載荷標準值

永久載荷標準值依據規范計算，方法明確，從算法方面降低托管梁載荷比較困難，所以設計只能從以下幾個方面著手：(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1趟排水管路和1趟應急排水管路；(4)托管梁材質選用Q345低合金結構鋼，取代Q235碳素結構鋼。

依據規范計算，D480排水管路的永久載荷標準值Gk=330.24 kN；D377應急排水管路的永久載荷標準值Gk′=207.28 kN。

2.2 可變荷載標準值

2.2.1 水柱重標準值

2.2.2 溫度變化標準值

2.2.3 溫度力產生的伸縮量

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,12×10-6m/(m·℃)[3]；L——管路長度，m；T——運行溫度，℃；Tp——安裝鎖定溫度，℃。為使運行溫度更接近安裝鎖定溫度，要求在施工的過程中對管路進行人工升溫或降溫，同時在施工完畢后的4、5或9、10月份重新進行一次鎖定，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。

設計在該管段上端安裝1個伸縮器[4]，經查，伸縮器軸向限定壓縮量為65 mm。可見，管路由于溫度力載荷產生的伸縮量遠遠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 偶然荷載標準值

水錘力可按式(2)計算[5]：

(2)

式中：ΔH——發生水錘時管中壓力升高值，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——閥門關閉后水流速度，m/s。

依據規范計算，D480排水管路水錘壓力升高值ΔH=270 m；D377應急排水管路水錘壓力升高值ΔH′=370 m。使用油介質的微阻緩閉止回閥可以在理論上減弱水錘，甚至消除水錘，止回閥需要現場整定，閥門關閉時間為T≥2L/a=2s。

按常規選型方法，以上3項載荷經過組合后，即為托管梁最終計算載荷。

2.4 降低載荷新方法力學分析

設計不滿足于只取消了溫度力，下面通過對U型管卡的力學分析，進一步降低托管梁載荷。在選擇U型管卡時，其有效直徑可依據式(3)計算：

(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，取0.15；σ——管卡螺栓軸向拉應力，1 400～1 600 kg/cm2；n——管卡數量，個。

傳統設計中，我們認為管卡只起導向作用，并不受力。但實際情況是，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軟件的靜力學分析

梁的力學分析需考慮強度、撓度及穩定性等因素。傳統的托管梁受力分析無法考慮加強筋板對托管梁強度提高的促進作用，而ANSYS軟件卻可以實現。借助該軟件，通過反復試算，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，驗證改進后的托管梁是否滿足設計要求。

圖3 改進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 模型的建立與網格的劃分

在PROE建模的過程中，由于圓倒角結構影響網格劃分，有必要忽略對有限元分析影響不大的結構，以簡化模型。將iges格式的最底層托管梁導入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，采用自由網格劃分方法劃分網格。

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位置。為便于荷載施加，可以將集中力轉化為均布荷載。

3.3 求解結果分析

最大應力出現在梁的端部，應力大小為181.96 MPa，如圖5。最大應變99.327 mm，如圖6。最底層托管梁材料為Q345，屈服強度345 MPa，安全系數n=345/181.96=1.896>1.5。

圖5 應力云圖Fig.5 Stress nephogram

圖6 應變云圖Fig.6 Strain nephogram

可見，改進后托管梁的截面及長度選取合理。

4 選型計算結果

2趟管路的載荷以及托管梁選型結果前后對照詳見表1、表2。

從表中數據可以看出，載荷明顯降低，托管梁的規格也有所下降，達到了預期目的。

表1 D480最底層排水管路荷載及托管梁選型結果對照表(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果對照表(單位：kN)Tab.2 Comparison table of D377 bottom drainage pipeline load and selection results of the pipeline beam

5 結論

1)通過管路伸長量計算，并選取合適的伸縮器，取消溫度力載荷。

2)通過U型管卡阻力計算，可分擔部分載荷。

3)考慮加強筋板對托管梁的加強作用，通過有限元分析，降低托管梁規格。