煤矿塌陷区架空敷设供热管道安全可靠研究标准版.docx
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煤矿塌陷区架空敷设供热管道安全可靠研究标准版
煤矿塌陷区架空敷设供热管道安全可靠研究(标准版)
Safetyworkhasonlyastartingpointandnoend.Onlytheleadershipcanreallypayattentiontoit,measuresareimplemented,andassessmentsareinplace.
(安全管理)
单位:
______________________
姓名:
______________________
日期:
______________________
编号:
AQ-SN-0942
煤矿塌陷区架空敷设供热管道安全可靠研究(标准版)
前言:
安全工作只有起点,没有终点,只有真正做到领导重视,措施落实、考核到位,严格奖惩兑现,不断提高安全管理水平,才能确保安全生产。
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摘要:
以通过煤矿塌陷区的架空敷设供热管道为研究对象,对通过塌陷区边界采用常规非预应力安装的管道进行了危险性分析,采取了适当缩短支架间距及预应力安装的解决方法。
关键词:
煤矿;塌陷区;供热管道;支架;断裂带;沉降;预应力安装
StudyonSafetyandReliabilityofOverheadHeatingPipelineinCoalMineSubsidenceArea
GA0Bai-zheng,ZHANGGuo-qiang,WUWei-xun
Abstract:
Takingtheoverheadheatingpipelinepassingacrossthecoalminesubsidenceareaasresearchobject,theriskofconventionallyinstalled(withoutprestress)pipelinepassingacrosstheboundaryofsubsidenceareaisanalyzed.Thesolvingmethodsincludeappropriatelyshorteningthespacebetweenthesupportsandusingprestressinstallation.
Keywords:
coalmine;subsidencearea;heatingpipeline;support;fracturezone;sedimentation;prestressinstallation
1工程概况
河南省平顶山煤业集团的三矿、四矿、五矿、六矿、七矿、九矿、十一矿等矿井,距坑口热电厂最远的也只有9km,特别是九矿与坑口热电厂一墙之隔。
在这片矿井密集的区域内,地下大面积被采空。
煤炭行业把地下采过煤的区域称为采空区,由于地下被采空,采空区上方的地面逐步沉降,采空区上方的区域称为塌陷区。
根据采煤厚度、采空区距地面的深度、采空区上方的地质构造等情况,很难准确预测塌陷区的塌陷时间或塌陷速率。
若为这些矿井供热,部分供热管道必须通过处于沉降过程中的塌陷区。
由于在塌陷区敷设供热管道存在困难,除九矿以外,其他宜由坑口热电厂集中供热的6座矿井均采用小型锅炉房分散供热。
为了节能减排,实现塌陷区矿井集中供热尤为重要。
供热管道由非塌陷区进入塌陷区(或由塌陷区进入非塌陷区)的过程中,塌陷断裂带地面可能会逐步或突然形成落差。
因此,在煤矿塌陷区供热管道敷设技术研究的课题中,地面沉降深度对供热管道的影响是重点问题之一。
根据研究结果,在地面沉降深度不超过一定范围时,塌陷断裂带局部采用安装预应力的设计施工方法,可以保证架空敷设供热管道安全运行。
2通过塌陷断裂带的危险性分析
2.1供热管道的安装位置
供热管道在塌陷区的安装示意图见图1。
在图1中,设支架-1、-2、-3~-n位于塌陷区,支架1、2、3~n位于非塌陷区。
由于当地煤层厚度变化不大,采空区的采空高度差别较小,塌陷区内的沉降深度变化不大。
因此,在塌陷过程中,支架-2、-3、-4~-n的柱顶标高变化差别较小,根据塌陷区的塌陷情况,采取少量调整柱顶高度的方法,可以采用常规的架空敷设技术,不会由于塌陷造成管道变形破坏。
处于非塌陷区支架2、3、4~n的柱顶标高与塌陷无关,采用常规的架空敷设技术即可。
2.2危险性分析
由于支架-1位于塌陷区,支架1位于非塌陷区,相邻两个支架随地面沉降将形成落差。
设支架-1某一阶段的沉降深度为h(单位为m),支架间距为L(单位为m),塌陷前后管道均属于受匀布荷载的等距多跨连续梁,设支架-1、-2、-3~-n的沉降深度均为h。
实际数据表明,沉降深度相对支架间距较小,对于支架-1、-2、-3~-n沉降深度较小的管道,假设塌陷后支架-2和2处管道截面转角仍为0,这种假设求得的力学近似解误差较小,可以满足工程力学分析需要。
根据以上假设和材料力学中的叠加原理,绘制出地面沉降使管道变形的附加力和附加弯矩作用下的受力图,见图2。
设图2中附加弯矩所画的方向为正,反之为负;转角方向顺时针为正,逆时针为负;附加力及位移向下为正,向上为负。
图中F1
——地面沉降造成支架1处的附加力,N
F-1
——地面沉降造成支架-1处的附加力,N
F-2
——地面沉降造成支架-2处的附加力,N
M-2
——地面沉降造成支架-2处的附加弯矩,N·m
由材料力学中计算弹性梁定点定向位移及转角的莫尔定理及梁的边界条件,得到支架1、-1、-2的位移表达式及支架-2处管道截面转角的表达式[1]
:
式中s1
、s-1
、s-2
——支架1、-1、-2处管道的垂直位移,m
E——弹性梁材料的弹性模量,Pa
J——弹性梁的形心惯性矩,m4
θ-2
——支架-2处管道截面的转角,rad
联立式
(1)~(4)求解,得:
由式(5)~(8)可求得在塌陷区地面沉降深度为h时,支架1处管道附加弯矩最大,计算式为:
式中M1
——地面沉降造成支架1处管道的附加弯矩,N·m
地面沉降造成的附加弯矩产生的最大附加弯曲应力的计算式为:
式中σs,max
——地面沉降造成的附加弯矩产生的最大附加弯曲应力,Pa
Wg
——钢管的抗弯截面模量,m3
D——钢管外径,m
地面沉降前钢管按受匀布荷载的等距多跨梁计算的最大弯曲应力的计算式为[1]
:
式中σmax
——地面沉降前钢管按受匀布荷载的等距多跨梁计算的最大弯曲应力,Pa
q——管道上的匀布荷载集度,N/m
d——钢管内径,m
由式(10)、(11)得到,最大附加弯曲应力使地面沉降前最大弯曲应力增加比例的计算式为:
式中λ——最大附加弯曲应力使地面沉降前最大弯曲应力增加的比例
以本矿区敷设中的Ф630×8,Q235钢管为例,充水的保温管道加其他荷载的总匀布荷载集度为5581N/m,管道设计压力为1.6MPa。
若不考虑地面沉降,按强度条件,支架间距L可定为18m。
根据标准[2、3]
,由内压、自重和其他持续外荷载产生的轴向应力之和为93.1MPa,小于计算温度下的基本许用应力(113MPa),满足应力验算要求。
钢材的弹性模量为1.8×1011
Pa,若地面沉降深度h=0.5m,由式(12)计算得钢管在地面沉降前最大弯曲应力增加47.75%。
由内压、自重和其他持续外荷载产生的轴向应力之和加上支架沉降产生的附加弯曲应力达到123.1MPa,大于计算温度下的基本许用应力(113MPa)。
可见,塌陷区的地面沉降对供热管道造成破坏的危险性存在。
3保证管道安全运行的安装方法
对支架1实施管道预应力安装,安装方式见图3。
在滑板与滑动支架之间加设临时垫块(厚度为h/2),待安装完成后撤除临时垫块,支架1处的管道截面产生的反向安装预应力由式(10)近似计算为:
式中σ1,o
——支架1处的管道截面产生的反向安装预应力,Pa
支架-1、2处的管道截面增加的正向附加应力由式(13)计算。
因此,必须缩短支架间距,降低由内压、自重和其他持续外荷载产生的轴向应力水平,使由内压、自重和其他持续外荷载产生的轴向应力加上由预应力安装产生的正向附加弯曲应力之和小于计算温度下钢材的基本许用应力[3]
。
即:
式中p——管道的设计压力,Pa
σall
——计算温度下钢材的基本许用应力,Pa
在预测沉降深度为h时,由式(13)不难求得滑动支架的最大间距Lmax
(单位为m)。
若h=900mm,预敷设的Ф630×8,Q235供热管道,总匀布荷载集度为5581N/m,由式(13)可求得L≈14m。
也就是,塌陷断裂带附近的支架-3、-2、-1、1、2、3等支架间距为14m。
在支架1上实施预应力安装,当塌陷区的地面沉降深度h≤900mm时,可以满足标准[2]的规定,保证管道的安全运行。
同理,塌陷区内的支架-2、-3、-4、-5~-n的间距为14m,塌陷使柱顶产生高度差≤450mm,同样可以满足标准[2]的规定,保证管道的安全运行。
4管道应力验算
根据标准[2]和标准[3]的管系热胀应力范围的验算,热胀应力属于有白限性的二次应力。
煤矿塌陷区架空敷设供热管道支架沉降引起的弯曲应力同样有自限性,也可以列入二次应力范畴或把地面沉降按地震引起的管道垂直位移考虑,则:
式中σall,20
——钢材在20℃时的许用应力,Pa,为1.13×108
Pa
σa
——由内压、自重和其他持续外荷载产生的轴向应力[3]
,Pa
将式(10)代入式(15)并整理,得:
根据式(16)验算,对于该矿区预敷设的Ф630×8管道,设计压力为1.6MPa,总匀布荷载集度为5581N/m,支架间距为14m,不必采取预应力安装。
但是,采取预应力安装,有利于提高架空敷设供热管道运行的安全可靠性。
参考文献:
[1]刘鸿文.材料力学[M].北京:
人民教育出版社,1979.
[2]CJJ34—2002,城市热力网设计规范[S].
[3]SDGJ6—90,火力发电厂汽水管道应力计算技术规定[S].
XXX图文设计
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