于建兵,賈 勇,朱旦育
(中國礦業(yè)大學 建筑工程學院,江蘇 徐州 221008)
煤礦主井井架承載能力驗算
于建兵,賈 勇,朱旦育
(中國礦業(yè)大學 建筑工程學院,江蘇 徐州 221008)
以安徽省一煤礦主井為例,主井原打算每年提升煤為300萬t,現(xiàn)為了增加年提升量,年提升量改為350萬t。對其采用有限元軟件ANSYS分析了井架的主腿1、主腿2、牛腿1、牛腿2等的主要構件在新荷載作用下的最大應力情況,可以看出工況4情況下結構應力增加最大,并對在工況4情況下的地基進行驗算。最后經(jīng)過驗算,井架結構基本可以滿足改造后的提升要求。通過對該井架的分析可以給以后相類似井架的分析提供參考。
井架 荷載 應力 ANSYS 工況
該礦2004年11月8日正式建成投產(chǎn),礦井設計能力年產(chǎn)原煤300萬t,按照要求,該煤礦將進一步提高到年產(chǎn)350萬t。主井提升及地面原煤運輸能力不能滿足實際生產(chǎn)需求,需要對主井提升及地面運輸系統(tǒng)進行擴能改造。根據(jù)《該煤礦主井系統(tǒng)(含地面生產(chǎn)系統(tǒng))改造可行性方案》,提升機卷筒保持現(xiàn)狀,單勾裝載量由16 t提高到20 t,提升主鋼絲繩單根最小鋼絲破斷拉力總和由945.131 kN提高到1 001.627 kN,超過了該煤礦主井井架設計的鋼絲繩破斷力。該煤礦主井井架結構設計型式為鋼井架L-A型;第一層天輪平臺(高程 40.900 m),第二層天輪平臺高程46.300 m,井架總高52.950 m。井架結構為空間框架體系,主副斜腿、框架梁均采用箱形梁,部分為焊接工字形梁。井架所用鋼材為Q235鋼?;A采用C25混凝土,整體現(xiàn)澆基礎。井架基礎置于第三層粉土上,地基承載力標準值fk=220 kPa。天輪直徑為3.50 m,單根鋼絲繩破斷力818.0 kN。井架現(xiàn)狀見圖1。
井架分析計算采用國際通用大型有限元軟件ANSYS進行。按正常工作提升荷載和斷繩荷載兩種情況進行計算,共進行了6種工況組合。工況1至工況4的計算荷載采用提升系統(tǒng)改造后的新荷載,為了與改造前的情況做進一步對比,還進行了原設計破斷力荷載下的工況5和工況6的計算。按照《礦山井架設計規(guī)范》(GB 50385—2006),多繩摩擦式提升井架進行破斷力驗算時,一組鋼絲繩取鋼絲繩破斷力設計值,另一組則取其0.33倍。其工況組合則分別按以下情況考慮:①正常提升時,上繩重載,下繩空載;②正常提升時,上繩空載,下繩重載;③上繩破斷力,下繩0.33倍破斷力;④下繩破斷力,上繩0.33倍破斷力;⑤上繩原設計破斷力;⑥下繩0.33倍原設計破斷力。
圖1 井架現(xiàn)狀
計算所用荷載見表1。
表1 計算荷載
計算模型取三維空間框架結構,按梁單元進行計算桿件或組合桿件的連接處均作為節(jié)點,兩節(jié)點間作為一個單元。根據(jù)井架的受力特點,對主要結構桿件劃分單元進行計算。共計3 090個節(jié)點,1 550個單元,截面和材料特性根據(jù)井架施工圖定義。模型單元圖如圖2。
圖2 模型單元
1)荷載組合Ⅰ。鋼絲繩破斷時,井架計算荷載為:一根為破斷力+另一根為0.33倍的破斷力 +1.2×自重。
2)荷載組合Ⅱ。正常提升時,井架計算荷載為:一個箕斗為重載+另一個箕斗為空載+1.2×自重+風荷載。
根據(jù)ANSYS的計算,得出6種工況下各單元內力。其中主要構件的最大應力如表2。為便于分析結果,井架各構件名稱見圖3。
圖3 井架各構件名稱
表2 主要構件應力最大值 MPa
續(xù)表2
通過表2可以看出工況4應力增加最大,所以在工況4情況下對井架基礎進行驗算,工況4情況下底部產(chǎn)生反力可以通過ANSYS計算出來,各向支座反力見表3。
表3 工況4井架支座反力
主腿基礎底面積51 m2,基底與地基摩擦系數(shù)取0.5,工況4地基豎向反力為6 337.7/51=124.27 kPa<220.00 kPa,所以地基承載力滿足要求,地基最大水平反力為1 775.0<6 337.7×0.5,所以地基抗滑滿足要求。
1)在下天輪鋼絲繩全部破斷(工況4)下,下天輪梁應力比原設計應力增加較大。
2)主腿1,主腿2與主腿橫梁連接節(jié)點及與天輪梁連接節(jié)點,應力增加幅度較大,應力水平較高。
4)主腿基礎斷繩荷載下承受最大豎向荷載滿足地基承載力要求,最大水平荷載滿足地基抗滑要求。
5)井架提升改造后,結構整體基本能滿足要求,考慮到結構損傷及材料強度疲勞,應進行局部增大截面改造,將應力水平恢復至原設計應力水平。
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TU272;TU328
B
1003-1995(2011)03-0134-03
2010-10-16;
2010-12-20
于建兵(1983— ),男,江蘇連云港人,碩士研究生。
(責任審編 王天威)