黃博華，楊福珍，陳 哲，茹加宏，葛 輝

(1.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤礦立井提升容器在裝卸載過程中，為了方便容器內(nèi)煤炭、人員或貨物的進(jìn)出，同時確保容器穩(wěn)定性，均需要由井筒內(nèi)的端罐道固定轉(zhuǎn)換為四角罐道固定。在裝卸煤炭或進(jìn)出貨物、人員時，提升容器在四角罐道內(nèi)會產(chǎn)生終端載荷的劇烈變化，使得提升容器發(fā)生水平平動和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動，并對四角罐道產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，導(dǎo)致四角罐道受到水平作用力。另外，在上、下行啟動時，提升容器緩慢加速離開井口或井底過程中會發(fā)生小幅度擺動，也會碰撞到四角罐道并產(chǎn)生水平作用力。上述兩種工況下的撞擊點、撞擊次數(shù)、最大撞擊力均難以確定，給四角罐道水平力研究帶來困難。

目前，國內(nèi)外仍缺乏提升容器對四角罐道作用水平力的研究?，F(xiàn)行《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》[1]中，只給出了端罐道水平力計算公式。四角罐道因受力特征不明確、設(shè)計理論研究不足等影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在結(jié)構(gòu)形式無法確定、結(jié)構(gòu)安全性無法評估等問題，嚴(yán)重制約了四角罐道設(shè)計的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

因此，進(jìn)行煤礦立井提升容器對四角罐道的水平力特征研究，可為煤礦立井井口、井底金屬支持結(jié)構(gòu)受力分析[2-4]和煤礦立井四角罐道設(shè)計參數(shù)研究[5-9]提供依據(jù)。本文依據(jù)四角罐道水平力現(xiàn)場測試結(jié)果，找出四角罐道的水平力特征和變化規(guī)律，并通過回歸分析建立提升容器作用于四角罐道的水平力與提升終端荷載的關(guān)系，得到水平力計算公式。

1 四角罐道水平力現(xiàn)場測試

1.1 測試煤礦概況

陜北大海則煤礦礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為20.00 Mt/a，主井井筒凈直徑?9.6 m，垂深675 m，采用兩對立井提升容器提升設(shè)備，提升容器總質(zhì)量74 t，提升容器名義載煤量50 t。

四角罐道的平面位置如圖1所示，提升容器通過自身的金屬滑靴與四角罐道發(fā)生碰撞。圖1中y方向?qū)?yīng)提升容器在停罐加卸載過程中，提升容器內(nèi)進(jìn)出物資方向。

圖1 四角罐道示意

1.2 測試方案

采用了動態(tài)測量方式，對四角罐道受到水平力作用時的振動加速度及應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行實時測試。測試系統(tǒng)主要包括IEPE型三向加速度傳感器、120-3CA型三向免焊接應(yīng)變片、DH5922D高速數(shù)據(jù)采集分析儀和220V交流電源。

現(xiàn)場測試時，依據(jù)提升容器的運(yùn)行特征，可將提升工況分為提升容器上行進(jìn)入四角罐道、停罐加卸載、提升容器下行離開四角罐道。加卸載工況中，把測試儀器布設(shè)在提升容器上、中、下盤對四角罐道的固定撞擊點展開測試。在上、下行工況中，提升容器在四角罐道區(qū)域以3 m/s的平均速度低速滑行，主要將測試儀器布設(shè)在四角罐道的跨中位置和懸臂梁位置展開測試。

1.3 測試結(jié)論

經(jīng)現(xiàn)場測試，得到作用四角罐道水平力特性。主要包括以下幾條測試結(jié)論：

1)水平力為低頻沖擊荷載，荷載作用頻率在0.19～1.27 Hz之間。當(dāng)水平力的作用頻率接近或等于井筒裝備結(jié)構(gòu)自振頻率時，井筒裝備結(jié)構(gòu)可能發(fā)生動力失穩(wěn)破壞，設(shè)計時應(yīng)關(guān)注井筒裝備結(jié)構(gòu)及布置方式。

2)單次提升工況測試組中，提升容器會多次撞擊四角罐道從而產(chǎn)生側(cè)面水平力峰值Px，max與正面水平力峰值Py，max，且二者是同時出現(xiàn)的。

3)提升容器在停罐加卸載工況下作用于四角罐道的水平力峰值要遠(yuǎn)大于其在上、下行工況下作用于四角罐道的水平力峰值。

4)在加卸載工況中，提升容器下盤滑靴作用于四角罐道的水平力峰值大于上、中盤滑靴作用于四角罐道的水平力峰值。

基于上述測試結(jié)果，四角罐道水平力分析時，可將低頻沖擊荷載轉(zhuǎn)化為等效靜力，并分析得到加卸載工況時，提升容器下盤滑靴撞擊四角罐道正面引起的水平力峰值與提升終端荷載的關(guān)系。

2 四角罐道水平力公式選型

目前煤礦立井四角罐道水平力計算無文獻(xiàn)報道。四角罐道水平力的確定需參照端罐道設(shè)計理論[10-13]。目前主要有“西德公式”和“中礦大公式”兩個理論公式可供參考。

2.1 西德公式

20世紀(jì)初德國提出的水平力經(jīng)驗公式：

Py=Q/12

(1)

式中，Py為罐道與罐道梁正面水平力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Q為提升裝備終端荷載，kN。該公式適用于提升載重小于300 kN，上、下行速度小于14 m/s的提升工況[14-16]。

該公式是目前我國《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》[1]中推薦使用的端罐道水平力計算公式。該公式所適用的提升載重較小，在大載重條件下是否適用值得商榷。另外，端罐道使用工況中，提升容器是高速運(yùn)動中的，這也與四角罐道主要分析停罐后裝卸載條件下的受力工況有所差異。

2.2 中礦大公式

中國礦業(yè)大學(xué)經(jīng)大量實測和總結(jié)，回歸分析提升速度v、提升裝備終端荷載Q對水平力的影響，采用最小二乘法分析水平力，得出了三參數(shù)水平力計算公式[17-19]，即：

Py=0.35avQ0.25

(2)

式中，a為動靜比，建議取2.5。該公式得到了廣泛的使用和推廣，能較為準(zhǔn)確地反映在高速上、下行過程中，提升容器作用端罐道水平力的基本規(guī)律。

該公式引入了動靜比的概念，能更準(zhǔn)確的反應(yīng)端罐道的受力特點。另外，該公式考慮了提升速度的影響。對于四角罐道來說，當(dāng)加卸載工況時提升速度為0，此時應(yīng)忽略速度項，僅代入提升終端荷載進(jìn)行計算。則“中礦大公式”可以簡化為：

Py=7/8Q0.25

(3)

2.3 公式分析及選型

因四角罐道與端罐道的上、下行工況存在較大差異。因此，端罐道設(shè)計理論是否能夠運(yùn)用于四角罐道值得商榷。依據(jù)現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，將上述兩種水平力公式得到的水平力計算值和現(xiàn)場實測值進(jìn)行對比，見表1。

表1 陜北大海則煤礦水平力實測值與計算值對比

表1顯示，西德公式和中礦大公式確定的水平力計算值與現(xiàn)場實測值之間均有較大誤差。西德公式計算值大于實測值。相對誤差介于50.5%～52.7%之間，在1倍左右。說明若按西德公式計算四角罐道受力偏于安全，但過于保守。中礦大公式計算值遠(yuǎn)小于實測值。相對誤差在-842%～-927%之間。這主要是由于提升速度的影響被忽略。說明由于兩者的測試工況不同，導(dǎo)致使用中礦大水平力公式對作用四角罐道的水平力進(jìn)行計算時，計算值遠(yuǎn)小于水平力實測值，與實測值出現(xiàn)較大誤差。

考慮到采用上述兩種主流的端罐道水平力計算公式進(jìn)行計算時，其計算值與實測的四角罐道水平力均存在較大誤差。且端罐道的測試工況與四角罐道存在較大差異，無法直接借用端罐道的水平力計算公式估算四角罐道的水平力，故四角罐道的水平力計算公式需另行分析。

通過分析中國礦業(yè)大學(xué)與西德水平力計算公式可知，當(dāng)忽略速度的影響時，作用于提升容器正面的水平力Py隨終端荷載Q的變化均采用冪函數(shù)形式，即：

Py=βQα

(4)

式中，α、β為經(jīng)驗系數(shù)。對于西德公式，α取1，β取1/12；對于中礦大公式，α取0.25，β取7/8。那么在計算四角罐道水平力時，也考慮采用相同的函數(shù)型式。為方便分析，可對該式兩邊取對數(shù)，得：

lnPy=lnβ+αlnQ

(5)

式中，lnPy與lnQ呈線性變化關(guān)系。本文據(jù)此，研究建立提升容器作用于四角罐道水平力計算公式。

3 四角罐道水平力計算

3.1 正面水平力Py計算

考慮到陜北大海則煤礦實測水平力數(shù)據(jù)中，提升容器在停罐加卸載時，其下盤滑靴作用于四角罐道正面的水平力為發(fā)生水平力峰值的位置。依據(jù)實測的提升容器作用四角罐道正面水平力峰值Py，max數(shù)據(jù)，將該測點的水平力峰值數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的提升終端荷載數(shù)據(jù)取對數(shù)處理，如圖2所示。

圖2 lnPy，max-lnQ散點圖

由圖2可發(fā)現(xiàn)，lnPy，max與lnQ大體上呈正相關(guān)的變化趨勢，但個別數(shù)據(jù)存在差異性?？紤]到現(xiàn)場實測過程中，場地情況復(fù)雜，容器偏心情況不一致、裝卸煤時籠內(nèi)煤塊飛濺觸碰到四角罐道、多提升容器同時作業(yè)影響四角罐道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化等均可能導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差，故回歸分析水平力計算公式時，應(yīng)去除離散程度較大的數(shù)據(jù)。采用一元線性回歸模型，選用80%置信區(qū)間對圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到不同保證率下的水平力公式參數(shù)α、β，具體計算方法[20]如下：

對于給定的置信度1-α和對于任意的x，與x對應(yīng)的Y滿足：

其中，

即故對于任意的x，Y的置信區(qū)間為：

上述式中的相關(guān)參數(shù)由表2計算得出。

表2 回歸參數(shù)計算公式

依據(jù)計算結(jié)果，得到80%置信區(qū)間的取值范圍，選取在區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到圖3所示的擬合曲線。

圖3 80%保證率lnPy，max-lnQ回歸分析計算

依據(jù)圖3中的曲線擬合計算結(jié)果，可得β=2.067，α=0.439。因此，提升容器作用于四角罐道正面的水平力計算公式為：

Py=2.067Q0.439

(7)

式中，Py為作用四角罐道正面水平力，kN；Q為提升終端荷載，kN。將水平力實測值與計算值進(jìn)行比較，見表3。

表3 陜北大海則煤礦水平力實測值與計算值對比

從表3中可知，基于80%保證率處理實測數(shù)據(jù)，回歸分析得到的作用四角罐道正面水平力計算公式，其計算值與實測值誤差不超過3%，可較準(zhǔn)確的反應(yīng)在不同提升終端荷載下，提升容器作用于四角罐道正面的水平力峰值特征。

3.2 側(cè)面水平力Px計算

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果可知，四角罐道受提升容器作用時產(chǎn)生的側(cè)面水平力峰值Px，max與正面水平力峰值Py，max是同時出現(xiàn)的。側(cè)面水平力Px的計算可在正面水平力Py的基礎(chǔ)上進(jìn)行折減。

統(tǒng)計在不同測試工況中，提升容器作用于四角罐道正面和側(cè)面的水平力峰值Py，max、Px，max，得到每組測試組中的側(cè)面水平力峰值與正面水平力峰值的比值Px，max/Py，max。為了便于計算水平力，將作用四角罐道側(cè)面水平力峰值與作用四角罐道正面水平力峰值之比，即水平力側(cè)正比，記為b。計算不同分位數(shù)下的側(cè)正比b，如圖4所示。

圖4 側(cè)正比b分位數(shù)

圖4中，25%分位數(shù)對應(yīng)較小四分位數(shù)，50%分位數(shù)對應(yīng)中位數(shù)，75%分位數(shù)對應(yīng)較大四分位數(shù)。由圖4可發(fā)現(xiàn)，提升容器作用于四角罐道側(cè)面的水平力峰值要小于作用于四角罐道正面的水平力峰值，兩者的比值Px，max/Py，max介于0.5～0.7之間，平均數(shù)為0.62，中位數(shù)為0.61。平均數(shù)與中位數(shù)接近，說明側(cè)正比b的數(shù)據(jù)分布集中，離散程度低，可考慮采用正態(tài)分布的區(qū)間估計方式，計算得到在不同保證率下的側(cè)正比參考值。

經(jīng)過統(tǒng)計計算，得到了四角罐道水平力側(cè)正比b在不同保證率下的計算結(jié)果見表4。

表4 陜北大海則煤礦實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算結(jié)果

依據(jù)表4統(tǒng)計計算結(jié)果，取水平力側(cè)正比b=0.628時，保證率>90%。

基于以上對比分析提出提升容器作用于四角罐道側(cè)面水平力計算公式：

Px=bPy

式中，Px為作用四角罐道側(cè)面水平力，kN；b為側(cè)正比，建議b取0.628。帶入相關(guān)參數(shù)，最終得到提升容器作用于四角罐道側(cè)面水平力計算公式為：

Px=1.298Q0.439

式中，Px為作用四角罐道側(cè)面水平力，kN；Q為提升終端荷載，kN。

4 結(jié) 語

本文基于煤礦立井提升容器在井口和井底處作用于四角罐道的水平力展開研究。依據(jù)四角罐道水平力現(xiàn)場測試結(jié)果，找出四角罐道的水平力特征和變化規(guī)律。通過回歸分析建立提升容器作用于四角罐道正面水平力與提升終端荷載的關(guān)系，得到作用四角罐道正面水平力計算公式；通過分析水平力側(cè)正比的測試數(shù)據(jù)關(guān)系，采用正態(tài)分布的計算方式，得到作用四角罐道側(cè)面水平力計算公式。通過對四角罐道水平力計算方法的研究，可為井口及井底立井提升井筒裝備的設(shè)計體系提供重要依據(jù)。