立井排水管上部支座失效时各支座支撑力分析

张安宁， 尹中会, 苏畅， 梁超， 王国锋， 陈瑞云

(1． 安徽理工大学，安徽 淮南 232001；2． 中国煤炭学会煤矿机电一体化专业委员会，上海200030；3． 淮河能源集团煤业公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

为将井下的涌水排出井外，矿井排水系统的一段排水管必须经过井筒，当井筒比较浅时，排水管及其内部水的总质量不大，可在井筒底部安装支座来支撑管道，但当井筒比较深时，排水管及其内部的水总重量明显增大，此时应在井筒中增加中间支座来支撑，分担底部支座的支撑力，同时还可以限制管道在井筒中的水平位移，防止其进入提升系统在井筒中的运行断面而引发事故[1-2]。由于温度变化等原因，井筒中的排水管会变形伸长，严重时会使上部的支座脱离托管梁而失去支撑力，使下部支座支撑力产生较大变化，产生安全隐患，因此有必要对该情况下各支座的支撑力进行分析。本文通过理论和实例对井筒排水管上支座失效情况下各支座支撑力进行了分析，其结果可为解决类似工程问题提供参考。

1 井筒排水管各支座支撑力的确定

井筒排水管及其各支座的受力情况比较复杂，既有静载荷，也有动载荷，但以静载荷为主，为简化分析，仅考虑静载荷，且假设托管梁为刚性梁，则可得井筒排水管及其各支座的基本结构和受力情况如图1所示。

图1 井筒排水管各支座受力示意图

当排水管处于平衡时，排水管(含附件)及其中水的总重力与各支座的总支撑力平衡，因此有

G1+G2+…+Gi+…+Gn+W=R1+R2+…+

Ri+…+Rn

(1)

式中：G1为井口到支座1间排水管重力，N；G2为支座1到支座2间排水管重力，N；Gi为支座i-1到支座i间排水管重力，N；R1为支座1对排水管的支撑力，N；R2为支座2对排水管的支撑力， N；Ri为支座i对排水管的支撑力，N；W为从井口到井底整个排水管中水的重力，N。

式(1)经整理可得：

(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)

通常情况下，可认为井口无支撑，处于上下自由状态，则

农艺性状测定：随机选取各处理苦荞幼苗3株进行测量。株高和主根长用直尺测量；茎粗用游标卡尺测定；用烘干称重法测定地上部及根系干重；根冠比 = 根干重/地上部干重；叶面积测定选择第1片全展叶，用LI-3000C便携式叶面积仪测定；采用Delta-T SCAN根系分析系统(英国)测定根体积、根表面积、根系平均直径。

(7)

综合式(1)～(7)并整理可得各支座对排水管的支撑力计算公式为：

(8)

2 排水管上支座失效时各支座支撑力的分析

排水管膨胀力一般来自热膨胀。井筒壁与大地直接接触，一般不随季节温度变化，井筒中的温度随井深的增加其温度变化逐渐减小，排水管的膨胀力也随井深的增加而逐渐减小，因此，排水管上支座最容易因排水管膨胀力失去支撑而失效。

2.1 支座1失效时各支座支撑力的分析

当支座1失效时，该支座失去支撑力，则有

R1=0

(9)

将式(9)代入式(8)可得

(10)

2.2 支座1、2失效时各支座支撑力的分析

当支座1、2失效时，支座1、2皆失去支撑力，则有

R1=R2=0

(11)

将式(11)代入式(8)可得

(12)

2.3 支座1、2-j失效时各支座支撑力的分析

当支座1、2-j失效时，支座1、2-j皆失去支撑力，则有

Rj=0 (j=1,2,…,l

(13)

将式(13)代入式(8)可得

(14)

由式(10)、(12)、(14)可知，当有支座失效时，第一个有效支座的支撑力会增大，增大量为失效支座应支撑的排水管重力之和。

3 实例分析

本文选取某矿副井排水管进行实际分析，也为实际使用时做参考分析。此井筒中排水管采用D325无缝钢管，在不同水平和井底共设6个排水管支座及托管梁，各段排水管重力：分别为69.47 kN、76.28 kN、96.02 kN、129.16 kN、121.87 kN,排水管内水的重力为334.34 kN。

假设排水管的自由膨胀伸长沿井筒呈线性分布，则各段排水管的膨胀力为

Fi+1=δiFi

(15)

式中：δi为第i+1段排水管与第i段排水管的自由膨胀伸长比，设δi=0.5，代入上述各式可得排水管无膨胀时各支座支撑力、支座1失效时各支座支撑力、支座1、2同时失效时各支座支撑力，如表1所示。

表1 排水管各支座支撑力计算值

由表1可知，当排水管无膨胀时各支座支撑力等于其设计支撑力；当排水管膨胀使支座1失效时，其他各支座支撑力增大，当支座1、2同时失效时，其他各支座支撑力进一步增大，且增大量随井深逐步降低，井底支座支撑力增加最小；井底支座支撑力明显高于中间支座。

4 结论

通过上述分析，可以得出以下结论：

1) 设置中间支座可有效降低井底支座的支撑力，减小井底托管梁强度。

2) 随着排水管的膨胀，上部支座支撑力逐步减小，下部支座支撑力逐步增大。

3) 当排水管膨胀使上部支座失效时，其他各支座支撑力增大，失效支座越多，其他各支座支撑力增加越大，且增大量随井深逐步降低，上部首个有效支座支撑力增加明显，应给予重视。

4) 井底支座基础支撑力明显高于中间支座，受排水管膨胀力影响相对较小。