煤矿立井大管径多躺排水管道的敷设.pdf

收稿日期2 0 0 5 - 0 7 - 0 7 作者简介陈继方 （1 9 6 0 -） ，女，高级工程师，毕业于西安矿业学院，在煤炭工业郑州设计研究院从事矿井四大件设 计工作。 煤矿立井大管径多趟排水管道的敷设 陈继方 （煤炭工业郑州设计研究院，河南 郑州 4 5 0 0 0 7） 摘要文章介绍了煤矿立井大管径多趟排水管道，在从管子道进入井筒时的三种敷设方 法和途径，以及井筒底部排水管支撑梁的水锤冲击计算方法。在安全、技术及经济等方面进行 了详细分析比较，对其他大涌水量矿井的排水系统管道的敷设具有借鉴意义。 关键词立井大管径；多趟排水管道；敷设；水锤冲击 中图分类号T D 4 4 2文献标识码B文章编号1 6 7 1 - 0 9 5 9（2 0 0 5） 0 8 - 0 0 2 1 - 0 3 煤矿井下主排水管道的敷设是保证矿井主排水系统安 全运行的关键环节之一。根据我国矿山排水泵的流量范围 及矿井涌水量情况，配套排水管道通常设2 3趟，排水管 径一般为“ 1 0 84 2 6 m m，排水能力为6 03 0 0 0 m 3／ h。当 矿井最大涌水量为3 0 0 0 m 3／ h至4 0 0 0 m 3／ h时，则需要配置 4趟“ 4 2 6 m m排水管道。这种大管径多趟排水管道在井下 的敷设是比较复杂的一是管道从泵房出来经管子道进入 井筒时的过渡敷设较为困难；二是在井筒排水管支撑梁的 计算上，要充分考虑底部弯管座受到水锤冲击时的支撑强 度。以下笔者根据某矿井设计实例，对煤矿立井大管径多 趟排水管道的敷设方法作一分析和介绍。 1 排水管在管子道与井筒开口处的敷设 排水管从管子道进入井筒有三种方法双排管道并 行进入法；单排管道垂直进入法；单排管道平行进 入法。 河南某矿井设计生产能力1 . 2 0 M t／a，副井井筒深度 4 7 6 m，正常涌水量2 2 2 5 m 3／ h，最大涌水量3 3 3 8 m 3／ h。排 水管选用4趟“ 4 2 6 * 1 4 m m无缝钢管，排水设备为M D 5 8 0 - 6 0 * 9型耐磨离心式水泵1 1台，配1 2 5 0 k W、1 0 k V防爆 电动机。泵房长8 7 m，墙高4 m，4趟排水管沿泵房两侧排 列。排水管从管子道进入井筒的方法考虑以下三种方案 1 . 1 双排管道并行进入法 双排管道并行进入法，是管道在管子道一侧排成两排 并行进入井筒。这种方法在矿井排水中使用得最多，尤其 当矿井只有2趟或3趟排水管时，是最简便易行的进入井 筒方法。2趟管道时，单排管并排用混凝土墩支撑沿管子 道底板敷设，其中1趟管道直接与托管梁上的弯管座 （带座 弯头） 连接，另1趟前伸后以9 0 ≠弯头弯向管道托管梁，并 与弯管座连接；3趟管道时仍沿管子道一侧排列 （下面2 趟、上面1趟） ，下面2趟管道同2趟排水管时的进入方法 一样，而上面1趟在进入井筒后继续前伸后弯向管道托管 梁，并与弯管座连接。这时管子道的高度比2趟管道时高 9 0 0 m m，井壁多破开约7 5 0 m m （直线宽） ；当4趟管道时， 第4趟管道敷设在第3趟管道的上面，管子道高度再增加 7 0 0 m m即可，进入井筒时继续前伸，最后弯向托管梁并与 弯管座连接，井壁破口尺寸增大7 5 0 m m。这种方法的优点 是管子道的高度较低，管道敷设维护方便，只是井壁破口 尺寸较宽，施工略困难，见图1。 图1管子道排水管布置图（a） 1 . 2 采用单排管道垂直进入法 将泵房出来的四趟“ 4 2 6管，在管子道中由上至下排 成四层，沿一侧管子道墙壁单排依次进入井筒中，与弯管 座连接后支撑在悬壁梁上。为防止水锤冲击，每趟管道分 别采用上、下悬壁工字梁 （中间加斜撑） 插入井壁中支撑弯 管座，见图2。由于悬壁梁 （加斜撑） 在井筒中需要一定的 支撑高度，各层管道之间的间距为1 . 72 . 2 m，则通向井 筒的管子道的高度需要做到7 8 m。采用这种进入方法的 优点是只需破开井壁的一侧，破开井壁的宽度较小，即管 子道呈高而窄的形状。但这样高度的管子道在井下施工不 便，更不利于上面两层的管道架设和今后的管道维护。 1 . 3 单排管道平行进入法 为避免管子道尺寸过高， 可采取另开一段管子道绕行 12 2 0 0 5年第8期 煤炭工程设计技术 图2管子道排水管布置图（b） 的方法，见图3。即四趟 4 2 6管道从泵房出来后在管子道 两侧分别敷设，在经过第一段管子道与井筒的通道时不弯 向管子道，而继续向前绕行，到第二段管子道与井筒的通 道时，敷设成水平一排，然后单排平行进入井筒，同时支 撑在井筒底部托管梁上。这样在井壁的另一侧只需开一条 较小的、能让四趟管道通过的洞口。而第一段通道则只考 虑运送水泵电机所需的尺寸，管子道的宽度和高度都可以 大大降低。这种方法的缺点是管道多拐一个弯，管道的绕 行需要增加大约2 5 m巷道工程。 图3管子道排水管布置图（c） 经过计算，以上3种方法在井壁上的开口面积分别为 方法一1 8 . 2 m 2，方法二2 3 . 1 m2，方法三1 3 m2。三者相比， 第二种方法开口面积最大，在井筒中呈高而窄的形状，虽 然施工难度不很大，但因管道架设太高 （最高一趟管达 6 . 1 5 m） ，其敷设和维护都比较困难；第三种方法虽然开口 面积最小，但需多开2 5 m的管子道及多绕一段排水管道， 工程量大，管线长；第一方案虽开口较宽，但管子道较低， 且管道不需绕行，敷设及维护方便，永煤集团已投产的三 对大型矿井就是采用这种方法敷设的。因此根据以上分析 比较，并征求建设单位意见，该矿井选择了第一种方案， 即采用双排管道并行进入井筒。 2 三种方法的适用条件 上述排水管从管子道进入井筒的三种方法，在煤矿立 井排水管道敷设中都是可行的。在具体采用中应根据井下 管子道周边的围岩情况来确定。当井下管子道周边围岩稳 定，岩石坚硬时可采用第一种方法；当井下管子道周边围 岩较稳定，岩石较坚硬时，可采用第二种方法；当井下管 子道周边围岩不稳定，岩石较软时，可采用第三种方法。 3 井筒底部排水管托梁的强度计算与选择 根据煤矿井下排水设计技术规定 ，排水管道进入井 筒后，在下部设带座弯头 （弯管座） ，在管道的上部和中间 设若干直管座，然后将弯管座或直管座固定到托管梁上， 托管梁的截面大小需按所承受的不同载荷经计算选取。对 于中间托管梁，它所承受的载荷只是该段管道及管件的重 量，计算起来比较简单，作用力也小。而底部支撑梁承受 的载荷就比较复杂，它包括该段管道自重、管件的重量及 管内全部水的重量，还要考虑突然停电时排水系统产生的 水锤冲击，尤其是这种大流量高扬程排水系统，一旦停电 管内水会迅速倒流，排水管流速将发生剧变而直接冲击底 部支撑梁，严重威胁矿井排水系统安全。 从图1中可以看出，四趟排水管的底部弯管座，每趟 排水管先由2根托管次梁支撑，次梁一端插入井壁中，另 一端的上面与弯管座配钻后用螺栓连接，底面与托管大梁 焊接固定。每趟排水管在大梁上的作用力计算如下“该 段管道自重Q1E3 9 8 3 k g；带座弯头重量Q2E4 1 5 . 5 k g； 管内水柱总重Q3E*0 . 2 2*4 6 6*1 0 3 0E6 0 3 1 6 k g； 水锤作用力。 排水管流量1 1 8 0 m 3／ h， 排水管实际流速VE2 . 6 1 m／s。 按茹可夫斯基水锤压强波传播速度公式，压力波传播 速度a为 aE 1 4 3 4 1D E0 ／E ﾍ δ E 1 4 3 4 14 0 0*0 . 0 4／ﾍ1 4E1 2 6 5 m ／ s 式中 D 排水管径，m m； δ 排水管壁厚，m m； E0 液体弹性模量； E 管壁材料弹性模量，水E0／EE 0 . 0 1； 则水锤作用产生的压力Δ h Δ hEpa V／1 0 0 0E1 0 3 0*1 2 6 5*2 . 6 1／1 0 0 0E3 4 0 0 k P a 水锤作用力G GEΔ hAE3 4 0 0*π*0 . 2 2E4 2 7 k N 式中 p 矿水容重，一般取1 0 3 0 k g ／m 3； A 排水管截面积。 上式计算表明，若突然停电停泵，每趟排水管产生的 水锤力是很大的，相当于4 3 5 m水柱的扬程压力。 每趟排水管作用在托管大梁上的总载荷为P PEQ1Q2Q3GE3 9 8 34 1 5 . 56 0 3 1 6 4 3 5 2 7E1 0 8 2 4 0 k g 根据四趟排水管次梁在井筒中的支撑长度不同，其作用力 分别为P 1E 6 9 1 k N；P2E 7 2 5 k N；P3E 7 2 5 k N；P4E 6 8 0 k N。 经计算，大梁的最大弯矩在P 2处，Mm a xEM2E 2 5 1 0 4 4 0 4 k g . c m。 抗弯截面模量WxEMm a x／ ［σ］E2 5 1 0 4 4 0 4／1 4 4 5E 1 7 3 7 3 c m 3。 22 设计技术煤炭工程 2 0 0 5年第8期 收稿日期2 0 0 5 - 0 5 - 1 3 作者简介金广清 （1 9 7 2 -） ，男，内蒙古鄂尔多斯人，本科学历，毕业于太原理工大学，现从事煤矿技术工作。 浅埋煤层回采巷道采用裸体支护的可行性分析 金广清，杨君 （中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司 补连塔煤矿，内蒙古 伊旗 0 1 7 2 0 9） 摘要叙述了回采巷道采用裸体支护的有利条件和主要依据。根据矿压研究成果和生产 实践，分析了神东矿区补连塔煤矿回采巷道留0 . 5 m护顶煤采用裸体支护的可行性。彻底解决了 掘支矛盾，有力地加快了掘进速度，提高了掘进效率，可以最大限度地发挥现代化机掘效能， 推动矿井建设。 关键词浅埋煤层；回采巷道；裸体支护 中图分类号T D 3 5文献标识码B文章编号1 6 7 1 - 0 9 5 9（2 0 0 5） 0 8 - 0 0 2 3 - 0 2 1 煤层概况 神东矿区地表均被第四纪风积沙覆盖，其厚度为5 5 0 m，平均2 7 . 2 2 m；岩性以灰黄色的细中沙为主，松散， 与下覆岩层呈假整合接触，是本地区第四纪潜水含水层。 风积沙在干燥状态下天然休止角3 5 3 6 ≠。 井田内含煤地层为中下侏罗纪延安组 （J 1-2 Y） ，含煤 地层总厚度1 8 7 . 3 m。从上到下共有5个煤组、1 7层煤， 其中可采1 4层，主采3层煤，构成地质储量7 . 4 6亿t，可 采储量4 . 7 1亿t。2-2中煤层上覆岩厚1 01 7 0 m，呈由 东向西逐渐增厚变化。2-2煤中至2煤层间距3 6 m，3 4 煤层间距3 0 m。 三个主采煤层 （2 -2中、3、4） 顶板均为泥质结构， 普氏硬度7左右，但其致命弱点是遇风、遇水泥化，若长 期在水浸泡下，松散泥化现象更为突出。 本区煤层最突出特征是具有韧性致密结构 （韧性系数为 8） ，受力状况好，无论是承受拉力还是压力，都不易裂碎， 故煤层巷道自身抗破坏强度高。 2 采用裸巷的有利条件和主要依据 1）巷道采用裸体支护的效果。神东煤田的小窑开采历 史悠久，最远可追溯到清朝末年。现在大部分煤矿采用平 硐或1 0 ≠以下斜井进入煤体，一旦见到煤层，所有的煤层巷 道均为裸体 （还是炮掘） ，无论何种采法无一例外。 2）工作面及顺槽概况。补连塔煤矿2 2 1 1工作面长度 为1 8 0 m，推进长度1 4 6 0 m，采高4 . 0 4 . 5 m，采面四周及 上下无任何采掘活动，矿压不受周围条件影响，属于采后 破坏原始应力平衡体系。 该工作面两顺槽均为矩型断面，运输顺槽 （高*宽） 3 . 5 m* 4 . 3 m，回风顺槽 （高*宽）3 . 5 m*3 . 6 m；两巷的顶 板为煤顶 （1 1 . 5 m） ；顶和帮完整性好，节理裂隙不发育； 底板为泥质页岩；超前支护为带帽单排点柱，支护范围 2 0 m （间距1 m） ，采用3 . 8 m单体液压支柱。 3）顺槽围岩移近量及锚杆载荷观测结果①工作面前 方采动影响强度不大，顶底板最大移近量为5 . 0 5 m m，最大 移近速度为1 . 7 3 m m／ t；②在采动影响范围内，顺槽锚杆载 荷随工作面的靠近而增加，但增值不大，锚杆载荷最大增值 为1 . 7 3 m m／ t；③运输顺槽在生产期间因补掘 （炮掘） 泄水巷 （平行运输顺槽净煤柱留5 m） ，故有片帮现象，但顶煤没有 离层片落；④有一段回风顺槽因高度大于所有超前支护所用 3 . 8 m单体液压支柱，故没有进行超前单排点柱支护，巷道 在动压无超前支护条件下也未发生片帮和顶煤冒落现象。 根据以上计算，该托管大梁选择焊接H型钢1 4 0 0* 4 0 0 m m，其抗弯截面模量为 ［Wx］EIx／0 . 5HE 1 8 6 3 4 3 5／ 7 0 E 2 6 6 2 0 c m 3。 Wx“［Wx］ ，说明选择的焊接H型钢梁，在工作停泵 或事故停电时能够承受水锤带来的冲击，可使排水系统安 全可靠地工作。 同样，每趟排水管托管次梁也根据不同的计算值，分 别选择 （高*宽） 3 5 0 *2 5 0、3 5 0*2 5 0、1 2 5 0*2 5 0、2 0 0 0* 2 5 0焊接H型钢梁作为托管次梁。 参考文献 ［1］周亨达.工程流体力学［M］.北京冶金工业出版社， 1 9 8 5 . ［2］陈胜颐.钢结构设计手册［M］.北京烃加工出版社， 1 9 9 0 . （责任编辑郑燕凌） 32 2 0 0 5年第8期 煤炭工程施工技术