深竖井大直径排水管支撑布置及受力分析.pdf

第 3 4卷 第 6期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 3年 1 2 月 深竖井大直径排水管支撑布置及受力分析 刘荣乐 ( 中国瑞林工程技术有 限公司， 江西南 昌 3 3 0 0 3 1 ) 摘 要 从排水管支撑布置的普遍形式入手 ， 分析 了对深竖井大直径排水管支撑 系统的受力特征及 受 力情况， 并结合 国外某深竖井大直径排水管支撑 系统的典型工程 实例 ， 总结论述了合理布置深竖井大直径排 水管支撑 系统方案选择 、 受力分析应 注意的问题 。 关键词 深竖井； 排水管支撑 ； 合理布置； 受力分析 中图分类号 ： T D 4 4 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 4 4 3 4 5 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 1 1 - 0 3 S uppo r t Ar r a ng e m e nt a nd S t r e s s Ana l y s i s o n Lar ge Di ame t e r Dr a i n ag e Pi p e o f De e p S ha ft LI U Ro n g - l e ( C h i n a N e r i n E n g i n e e r i n g C o ， L t d ， N a n c h a n g ， J i a n g x i 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t T h e p a p e r a n a l y z e s s t r e s s c h a r a c t e ri s t i c s a n d s t r e s s c o n d i t i o n o f l a r g e d i a me t e r d r a i n a g e p i p e s u p p o r t s y s t e m o f d e e p s h a f t f r o m t h e a s p e c t o f c o mmo n t y p e o f d r a i n a g e p i p e s u p p o r t a r r a n g e me n t ， b y c o mb i n i n g w i t h t y p i c a l e n g i n e e ri n g e x a mp l e s o f a l a r g e d i a me t e r d r a i n a g e p i p e s u p p o r t s y s t e m o f d e e p s h aft o u t s i d e Ch i n a ， t h e 15 a p e r s u mma riz e s a n d d i s c u s s e s t h e p r o b l e ms t o b e n o t i c e d f o r s c h e me s s e l e c t i o n a n d s t r e s s a n a l y s i s o n r e a s o n a b l e a r r a n g e me n t O f l a r g e d i a me t e r d r a i n a g e p i p e s u p p o rt s y s t e m o f d e e p s h a f t Ke y wo r d s d e e p s h a f t ； d r a i n a g e p i p e s u p p o r t ； r e a s o n a b l e a r r a n g e me n t ； s t r e s s a n a l y s i s 0 引言 深竖井大直径排水管支撑是矿山井下排水系统 的重要结构， 关系到矿山井下排水运营的稳定及安全。 有些矿山由于未对支撑系统引起重视， 造成排水管路 发生严重位移、 管座螺栓拉断、 支撑松动砸坏竖井内 提升系统设备等非常严重的事故， 危及人员的安全及 运行稳定。 排水管支撑系统 的受力非常复杂 ， 计算分 析迄今 尚无统 一的方法。 本文拟对深竖井大直径排 水管布置形式进行研究， 阐述支撑系统的受力特征， 综合分析受力情况， 对支撑系统进行合理的选型及 固定。 1 排水管支撑布置 排水管支撑系统一般有管卡支撑、 直管支座支撑、 弯管支座支撑。l 1 管卡一般固定在罐道梁或梯子梁 上 充分利用井筒内钢结构 节约井筒空间及成本I l _ 。 若竖井内没有罐道梁，则可以将管路固定在与井壁连 接的管卡梁上。 2 1 排水管直管支座支撑与弯管支座支 撑可以架设在罐道梁上， 并采取适当的支架加强罐道 梁的稳定性。 若井筒内没有可以利用的罐道梁 ， 则要 另设单独的不影响容器提升运行的支座梁来固定； 条件允许时也可以采用悬臂梁的方式。 井筒内布置多 趟管路时， 可以在弯管支座处分开支撑， 避免造成单 个支撑集中受力。 3 ) 由于弯管支座受力非常大，一般的 结构很难承受 需采用较为特殊的构造， 如在竖井内 架立桁架进行支撑威 采用从竖井井底竖立桁架或混 凝土结构进行支撑。 深竖井大直径排水管支撑的布置需结合井筒断 面， 便于排水管的安装、 检修及更换 ， 两管路之间、 管 路与井壁之间以及管路与容器之间要有足够的安全 间隙， 有时还应根据竖井实际要求考虑留有增设管路 收稿日期： 2 0 1 3 0 7 0 3 作者简介： 刘荣( 1 9 8 1 -) ，男，工程师， 主要从事矿井建设专业工程设计工作。 1 2 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 4卷 的余地 。 2 排水管支撑受力分析 深竖井大直径排水管支撑受力应从整条排水管 路的支撑系统出发 根据支撑 系统的情况 ， 确定每个 支撑的荷载， 然后进行强度及稳定性计算。 排水管支 撑系统的荷载标准值应考虑支撑梁自 重、 相应管路段 管子及其连接件 、 防腐蚀材料的 自重永久荷载 ， 水柱 自重 、 温度变化作用力可变荷载 ， 以及水锤力偶然荷 载的综合作用 。 温度变化作用力是支撑 系统 中 比较复杂 的荷 载 ， 是不能 自由伸缩的管路段因温差引起的作用力 ， 可按下式计算_ 3 】 ： Q 2 k = 4 E ( 一 ) ( 1 ) 式中： 为温度变化作用力； A为管子横断面金属 面积 ； E为钢材 的弹性模 量 ； 为钢材 的线膨胀 系 数； 为所论管段的环境极值温度； 为管路安装时 的环境温度。 若考虑极端的情况 ， 温度变化作用力会非常大 ， 但 国内很多深竖井并没有考虑温度应力的影响。虽 然因温度变化作用力而影 响生产的事故发生较少 ， 但仍有竖井的管路因此发生严重的位移及竖向变形。 为了消除温度应力的作用 ， 国内有的竖井采用了管路 伸缩装置等设施；南非有一种申请了技术专利的管 路连接装置， 可以允许管路的竖向变形， 消除温度作 用力 的影响。 水锤力需根据止回阀设置情况和水泵机组等条 件计算决定， 也可以采用相关软件进行模拟分析计算。 各种支撑具体受力情况如下： 1 ) 排水管管卡支撑 一 般只起导向作用 ， 有时也承受管子及相应连接件 自 重等永久荷载 ， 当只起导 向作用时可按经验选取 ， 作 为承重构件时需要进行强度及稳定性验算 。 2 ) 直管 支座支撑主要承受管子及相应连接件 自 重等永久荷 载及温度变化作用力。 当排水管路垂高较大时， 宜在 中间加设若干直管支座支撑， 分担管路支撑系统竖向 受力， 需要进行结构计算选取。 3 ) 弯管支座支撑是排 水管支撑系统的重要结构件， 而且是受力最大的复杂构 件， 承受管路及连接件的自重、 水柱重量 、 温度变化 作用力、 水锤力。 弯管支座支撑计算分析时应考虑最 不利的荷载组合隋 况， 确保竖井内排水管的运行安全。 排水管支撑荷载组合设计计算时，永久荷载标准 值需乘以 1 2的永久荷载分项系数； z k 柱重标准值需 乘以 1 2的水柱重分项系数 ； 温度变化作用力标准值 需乘以 1 4的温度变化分项系数。另外对于竖井使 用寿命 5 0 a 时， 还应乘以 1 1 的结构重要性系数。 3 典型工程应用实例 下文结合国外某深竖井大直径排水管支撑系统 典型的工程实例， 分析支撑系统的设置原理及受力模 型。 该工程已经成功运行 3 年多， 应用了南非可伸缩 管子连接件、 三角支架管支撑、 悬臂梁弯管支撑等专 利技术， 是深竖井大直径排水管支撑系统的成功实例。 3 1 工程主要概况 深竖井为管缆井。共布置有 4趟排水管路， 管子 规格为 D N 6 0 0 。 管壁最厚为 3 8 8 9 m m ， 排水管长度约 为 9 8 5 m。 采用一段式排水。 由于排水管排水能力大 、 流速快、 扬程高 支撑系统的布置及受力极为复杂。 3 2 排水管支撑布置方案选择 排水管支撑布置方案 选择 了独立支撑梁 、 悬臂 支撑梁、 三角支架等支撑方案进行综合比较。 由于井 筒内需布置 4 根大直径的排水管。采用独立支撑梁的 方案 将会占用很大的井筒断面 井简直径增大 投资 成本增加 不易安装维修 。悬臂支撑梁的方案在井筒 内施工预埋梁窝较为复杂且 悬臂梁设置长度受限， 不 能满足排水管的布置需求。 排水管三角支架支撑的方 案可以充分利用井筒内空间， 检修与更换方便， 节省 投资。所以最终选择排水管支架的形式。 排水管支撑 平面布置见图 l 。 | 图 1 排水管路支搏布置 每根排水管长为 9 m， 采用每隔 9 m设置一个排 水管三角支架， 相当于直管支座支撑， 用来支撑排水 管及其连接件的自 重， 并在 9 m段排水管的中间设置 管箍类似于管卡支撑， 起导向作用。 其中 1 趟管路弯 管支座设置在井筒中部， 采用悬臂支撑梁作为弯管支 座， 其余 3 趟管路弯管支座处距离竖井井底较近， 选 第 6期 - 深竖井大直径排水管支撑布置及受力分析 1 3 择从井底竖立混凝土墩基础， 作为弯管支撑。 每根管 路间的连接采用了可伸缩的南非专利技术， 该连接 件容许管路伸缩变形 ， 可以消除温度变化作用力的 影响。 3 。3 排水管支撑受力分析 排水管三角支架承受 9 m长排水管及连接件的 荷载， 由于采用南非专利管路连接件技术 ， 可以不考 虑温度变化作用力的影响 ， 但设计荷载还需考虑施工 安装或更换时落点不均衡和冲击的特点。三角支架 通过锚杆固定在竖井井壁上， 需校验三角支架的强度 及稳定性、 锚杆的强度、 抗拉力及混凝土的抗冲切影 响， 排水管三角支架的计算模型如图 2 。 图 2 排水管三角支架计算模型 锚杆抗拔力是指锚杆杆体抗拔力、 锚固剂与砼的 粘结力、 锚固剂与锚杆的粘结力， 以及砼抗冲切的综 合破断指标， 其中最小的一项值作为核定最终数值。 锚 固剂与混凝土之间的粘结力可以按下式进行计算图 ： 仃 D J 2 o ( 2 ) 式 中： R为树脂锚 固剂与混凝土之间的粘结力 ； D为 锚杆孑 L 直径 ； 为锚杆锚 固段长度 ； 7 - 为锚 固剂与混 凝土之间的粘结强度。 排水管管箍只起导向作用，不需要计算，按经验 选取。 井底弯管支座支撑采用混凝土墩，从竖井井底 支撑至弯管支座处弯管支座支撑需要承受排水管及 连接件的自重、 水柱重量、 水锤力的综合作用力。弯 管支座混凝土墩按照混凝土偏心受压柱结构进行计 算， 配置钢筋， 并且将混凝土柱结构通过锚杆与井壁 后的围岩连接， 确保稳定性。 4 结论 综上。深井大直径排水管支撑是深井开采中遇到 的新技术课题解决好该问题有助于提高矿山深井开 采的安全性。 作为矿山井下排水系统的重要结构，深 井大直径排水管的支撑形式有许多种。设计时需综合 考虑整个排水管系统的受力并根据每个工程井筒断 面的具体情况 ， 合理利用井筒内钢结构及空间进行 布置。受力分析应根据排水管支撑的布置隋况，分析 受力的类型，针对每个支撑的受力特点， 对支撑结构 进行稳定性及强度验算 确保安全稳定 。 参考文献 【 1 I 张荣立， 何国伟， 李 铎， 等 采矿工程师设计手册 M 北京： 煤炭工 业 出版社 2 0 0 3 【 2 】Y S J 0 2 1 9 3 ， 有色金属矿山井巷工程设计规范【 S 】 【 3 G B 5 0 4 5 1 2 0 0 8 ，煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范 s 】 【 4 】于润沧 采矿工程 师手册 ( 上) 【 M】 北京： 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 9 ：4 0 0 4 0 6 ， 【 5 】侯鹏翔采矿设计手册一井巷工程卷 M 北京： 中国建筑工业出版 社 1 9 8 9 ： 1 9 4