冻结井筒内壁少筋混凝土结构理论分析.pdf

收稿日期 2007 - 02 - 08 作者简介汪春芹1963 - ,男,安徽天长人,高级工程师, 1984年毕业于安徽理工大学,现在煤炭工业合肥设计研 究院主要从事矿井设计和管理工作。 冻结井筒内壁少筋混凝土结构理论分析 汪春芹 煤炭工业合肥设计研究院,安徽 合肥 230041 摘 要通过理论分析和计算表明,冻结井筒内层井壁在均匀水压力作用下,其承载能力主 要取决于混凝土强度等级和厚径比,配置钢筋对提高井壁的承载能力作用甚微;而在不均匀压力 作用下,通常设计厚度的内层井壁中也不会出现拉应力。因此,冻结井筒内层井壁采用单内排少 筋混凝土结构形式,不但节约了大量的钢材,而且还可以减少施工难度、加快施工速度、增加混 凝土的密实性,提高井壁的实际承载能力和防水性能。 关键词冻结井筒;内层井壁;单排钢筋;少筋混凝土 中图分类号TD26513 4 文献标识码 B 文章编号 1671 - 0959 2007 0520013203 0 引 言 近年来,随着施工技术的进步和管理水平的提高,我 国冻结法凿井技术取得了较大进步,但随着矿井建设投资 主体的变化,企业多采用市场化的资金运作为矿井建设筹 集资金,还贷压力大,要求新井建设速度快、周期短,以 降低投资成本,这就相应要求设计的冻结井壁在确保质量 的前提下能满足快速施工需要。 在冻结井筒支护设计时,通常采用双层钢筋混凝土内、 外壁夹塑料层的复合井壁结构。内层井壁通常采用双层钢 筋混凝土结构形式。根据过去的研究和工程实测表明,冻 结井筒内层井壁作为一种承压结构,配置的钢筋对提高井 壁承载能力作用不大,内层井壁可以研究采用少筋单内排 配筋混凝土结构形式。为此,对冻结井筒内壁在均匀水压 和不均匀水压作用下井壁强度进行分析论证。 1 均匀水压作用下井壁强度分析 某新建大型矿井设计生产能力118Mt/a,工业场地内设 有主井、副井和中央回风井三个井筒,设计净直径分别为 510m、615m和610m,穿过的新生界松散层厚度分别为 220128m、218112m和22115m,三个井筒表土段均采用冻 结法施工。 冻结表土段井筒内层井壁是一种圆形厚壁筒结构,在 内、外壁间的均匀水压力作用下,由弹性理论可知,其应 力分布可按拉麦公式计算 [1] σt R 2 P R 2 - r 2 1 r 2 ρ 2 σr R 2 P R 2 - r 2 1- r 2 ρ 2 1 当按平面应变问题处理时 σZ 2μPR 2 R 2 - r 2 2 式中 σt、 σr、 σZ 内壁的切向、径向和轴向应力 , MPa; P 内壁承受均匀水力, MPa; R 井壁的外半径, m; r 井壁的内半径, m; μ 泊松比; ρ 井壁截面内某点到井筒中心的距离, m。 由式1、2可知,三向应力 σt 、σ r 、σ Z均为压应 力,井壁截面内任意点都处于三向或双向受压状态。如考 虑到截面内应力非均匀分布,截面轴向压力的偏心距e0 e0 r 1 2 - rRln R r R 2 - r 2 3 按此式计算出的偏心距e0值很小,接近于轴心受压状 态。其应力分布图如图1。因此,冻结井筒内层井壁在均匀 水压力作用下完全可按构造要求配筋,采用少筋混凝土 结构。 目前,设计中在进行均匀水压作用下的内层井壁强度 计算时,钢筋混凝土井壁的强度计算公式为 2kPR 2 R 2 - r 2 ≤fcμRg P f c μRg R 2 - r 2 2kR 2 4 式中 fc、Rg 混凝土和钢筋的设计强度, MPa; k 荷载分项系数; μ 井壁配筋率, 。 以采用二级钢筋为例,不同配筋率对提高井壁承载能 31 2007年第5期 煤 炭 工 程 设计技术 图1 井壁截面应力分布图 力的百分数如表1和图2。 表1 不同配筋率对井壁承载能力的影响 井壁配筋率/012013014015016017018 井壁承载 能力P/MPa 1189119211951198210121042107 图2 配筋率与井壁承载力的关系曲线 由图2和表1可见,钢筋对井壁补强作用非常有限, 混凝土强度等级愈高,钢筋的作用愈小。例如C40钢筋混 凝土井壁,配筋率μ每增加012 ,井壁的承载能力仅提高 约2～3。 试验研究表明内壁井壁混凝土在二向和三向压缩应 力状态下,其抗压强度大大超过单轴抗压强度 [2, 3] ,实际上 配筋对提高井壁承载能力的百分数低于上述计算值,故采 用钢筋来提高井壁强度作用甚微,在技术和经济上都是不 合理的。 由式4可知,井壁承载能力P与混凝土的轴心抗压 设计强度fc成正比关系。以某矿井副井井筒为例,井筒净 直径为615m、内壁壁厚550mm、配筋率 μ按012计算, 采用不同混凝土强度等级的井壁设计承载能力提高百分数 如表2和图3所示。 由表2和图3可见,混凝土的强度等级对井壁承载力 影响显著。如提高一级混凝土强度等级5MPa ,井壁强度 可提高约15。由此可见,对于冻结井筒内壁来说,提高 混凝土强度等级远比增大配筋率有效,故采用少筋混凝土 结构是合理的。 图3 混凝土强度等级与井壁承载力关系曲线 表2 混凝土强度等级对井壁强度的影响MPa 混凝土强度等级C30C35C40C45C50C55C60 混凝土抗压强度设计值1413161719112111231125132715 井壁承载能力P1143116611892108212721492170 2 不均匀压力作用下井壁内力分析 在井壁结构设计中,不均匀地压按下式计算 Pa PA1βsinα 式中 Pa 计算截面侧向压力, MPa; PA 最小侧向压力, MPa; α 计算截面与最小侧向压力截面的夹角, ; β 不均匀侧压系数,β PB PA - 1。 在这种不均匀侧压作用下井壁危险截面的内力可近似 按下式计算 N PAr0101785β M -01149PAr 2 0β 5 式中 N 危险截面上的轴力, kN; M 危险截面上的弯矩, kNm; r0 井壁的平均半径, m。 在不均匀压力作用下,井壁截面所受轴力和弯矩大小, 决定井壁受拉或受压程度的大小,也决定井壁是否需要配 筋或配筋的多少。如井壁不受拉,则通常不需要配筋。井 壁截面内不产生拉应力的条件是 σ N F - M W ≥06 由公式5、6得井壁不产生拉应力的条件是 h≥ 01894β 101785β r07 或 β≤ h 01894r0-01785h 8 41 设计技术 煤 炭 工 程 2007年第5期 收稿日期 2007 - 11 - 04 作者简介秦 强1966 - ,男,安徽南陵人,正高级工程师,合肥工业大学在读博士研究生, 1989年毕业于合肥工 业大学机械系,现就职于煤炭工业合肥设计研究院,从事煤矿机械的研究、设计工作,发表论文20余篇。 立井箕斗装卸载协同性分析 秦 强 1, 2 ,吴焱明 1 ,赵 韩 1 1 1合肥工业大学,安徽 合肥 230009; 21煤炭工业合肥设计研究院,安徽 合肥 230041 摘 要煤矿主立井提煤箕斗装卸载过程中的不协调现象,在我国立井煤矿中广泛存在,其 结果是设备资源未得到充分利用、工作效率低下。文章对立井箕斗装卸载协同性进行了分析,通 过理论研究和工程实践验证,认为在主井生产系统的方案设计阶段应对生产系统进行分析,并调 整系统设计方案,可使箕斗装卸载过程达到协同。 关键词定量斗;箕斗;装载;卸载;时间;协调 中图分类号TD531 11 文献标识码 B 文章编号 1671 - 0959 2007 0520015203 在煤矿生产过程中经常会出现井口箕斗卸载以下简称 卸载完毕后,井底箕斗装载以下简称装载过程还没有 结束,需要等待井底装载结束后,提升机才可以工作,进 行下一个提升循环;也有井底装载完毕后,井口没有卸完, 同样需要等待。其结果是关键设备不能得到充分利用,影 响提升效率。以上装卸载协同性不好的现象在我国大部分 矿区均普遍出现,某些矿井则比较突出。装卸载协同性问 题是影响主井提升系统工作效率的重要因素之一。 为实现主井装卸载协同工作、提高提升系统的效率, 我国一些煤矿科技人员曾做过一些努力,如装载时间大于 卸载时间时,采用将定量斗闸门尺寸加大的方法,以提高 装载效率。该方法虽解决了一些问题,但难以达到井上下 箕斗互不等待的目的,装卸载的协同性还是难以实现。 装载时间的过分减少,有时会出现因箕斗剧烈振荡而 引起物料洒落,文献[1]针对此现象设计了专门机构,以 减少物料的洒落。 所以,要实现箕斗装卸载协同工作,应该在方案设计 阶段对主井生产系统进行系统性的分析研究与计算,一是 要考虑装卸载时间规律,在方案设计阶段对装卸载时间作 出估计,并调整影响装卸载时间的箕斗、定量斗的关键尺 寸,使装卸载时间趋于合理、协调;二是要考虑装卸载过 程中的钢丝绳及箕斗的动态响应,避免箕斗振荡动态力对 系统造成的安全隐患,以及箕斗振荡造成的撒煤现象;此 外,钢丝绳永久变形伸长引起的箕斗在装载口处的沉降, 也是箕斗装载口纵向尺寸设计的考虑因素。 式中 h 井壁厚度, m。 现以某矿副井井筒内层井壁设计参数为例,其厚度h 452～550mm,井壁下部平均半径r0 3525mm,若取 β 0115,由公式8得h≥ 018940115 1 017850115 3525 423mm, 取h450mm。 故副井内层井壁在不均匀压力作用下不会出现拉应力, 同理,可验算得主井和风井内层井壁中也不会出现拉应力, 所以没有必要在内壁内配置多余的钢筋。 3 结 论 1 冻结井筒内层井壁在壁间均匀水压作用下,其承载 能力主要取决于混凝土强度等级和厚径比,配置钢筋对提 高井壁的承载能力作用甚微,因而可以大幅度减少内层井 壁配筋量,采用少筋混凝土井壁结构形式。 2 本文推导出了冻结井筒内层井壁在不均匀压力作用 下不出现拉应力的条件。并通过验算设计的某矿副井井筒 内层井壁中不会出现拉应力,因此,没有必要在内壁配置 多余的钢筋。 3 减少内层井壁钢筋,不但节约了大量钢材,而且可 以减少施工难度、加快施工速度和增加混凝土的密实性, 提高井壁的实际承载能力和防水性能。 4 建议某矿井三个井筒表土段内层井壁采用单内排少 筋混凝土结构。 参考文献 [1] 张荣立,何国纬,李铎.采矿工程设计手册[M ].北京 煤炭工业出版社, 2002. [2] GB 50010 - 2002,混凝土结构设计规范[ S].北京中国 建筑工业出版社, 2002. [3] 过镇海.混凝土的强度和本构关系原理与应用[M ].北京 中国建筑工业出版社, 2004.责任编辑 马光辉 51 2007年第5期 煤 炭 工 程 设计技术