3凿井井架

中国矿业大学出版社矿山特种结构设计3凿井井架中国矿业大学出版社矿山特种结构设计凿井井架也称掘进井架，是一种临时井架，主要用来支承天轮平台并承受立井施工时提升矸石、运送人员和物料的荷载，以及悬吊凿井设备的荷载。当井筒施工完成后，一般要经过改绞，将凿井井架换成生产井架，以满足矿井生产提升的需要，因此它是煤矿建井工程中最重要的施工结构物之一。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计3.1钢凿井井架的型式与构造凿井井架按所用的材料来分，主要有木制的和钢制的两种。木井架由于防火性能和承载能力较差已经被淘汰，因此目前工程中主要采用钢制凿井井架，钢凿井井架的型式以亭式为主，如图3.1所示。3.1.1钢凿井井架的型式中国矿业大学出版社矿山特种结构设计1-天轮房2-天轮平台3-主体架4-卸矸台5-扶梯6-基础中国矿业大学出版社矿山特种结构设计凿井井架结构型式首先必须满足凿井施工工艺的技术要求，此外还应满足以下几个方面的要求：结构简单，杆件数量少；重量轻，用料省；加工制造容易；运输、安装和拆卸方便；受力性能好；整体稳定性好等。亭式钢凿井井架由于良好的生产、施工及力学性能，在实际工程中应用最为广泛。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计3.1.2钢凿井井架的构造1、天轮房天轮房位于井架的顶部，它主要用来安装和检修天轮，以及保护天轮平台，防止雨雪侵袭，因此天轮房上通常还覆以层面部分。在结构上天轮房主要由4根角柱、上部横梁、交叉连杆及两条钢轨起重梁组成，其安装简图如图3.2所示。1-角柱2-横梁3-斜撑4-交叉连杆5-钢轨起重图3.2天轮梁安装中国矿业大学出版社矿山特种结构设计天轮房结构净高一般取D/2+2m（D为主提升天轮直径），其平面尺寸与天轮平台相同。天轮房各构件一般采用型钢，当没有适合的型钢时也可以根据设计采用焊接截面。角柱通常采用由两个角钢组成的十字形截面（图3.3a）；上部横梁采用两个槽钢组成的工字形截面（图3.3c）；水平交叉连杆可采用单角钢或两个角钢组成的T字形截面；斜撑由于受力较小通常采用单角钢（图3.3b）。图3.3天轮房构件截面形式中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.主体架主体架主要用来承受天轮平台的荷载，并将其传递给基础。主体架是一个由4片梯形桁架组成的空间结构，上部用螺栓与天轮平台的中梁及边梁连接，下部则立于井架基础上，其安装简图如图3.4所示。图3.4主体架安装简图中国矿业大学出版社矿山特种结构设计主体架沿高度的节间划分，主要决定于主体架本身和卸矸台的高度，此外还应尽量沿高度大致相等。这样可使角柱在各节间的自由长度相等，以便合理选择角柱截面。主体架的角柱和腹杆，通常采用无缝钢管，因为主体架的主要构件都是按轴心受压计算的，而无缝钢管恰好在各个方向都具有相等的稳定性，能够充分的发挥钢材的力学性能。为保证井架具有较好的空间稳定性，在主体架内部受力较大的第一层水平高度处，设置水平连杆，从而形成一个网格状结构（见图3.4中剖面II-II）。水平连杆还可用来支承卸矸台。为了缩短连杆的跨度和传递卸矸台的荷载，还采用四根斜向拉杆将水平连杆悬吊在主体架的上部第二层的四个角节点上。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计3.卸矸台卸矸台是用来翻卸矸石的工作平台，通常布置在主体架的下部第一层水平连杆上。根据受力大小它的主梁和次梁可采用工字钢或槽钢。梁上设置方木，用U形螺栓卡紧，然后铺设木板，如图3.5所示。1、2-卸矸台横梁；3-溜漕梁；4-卸矸门轴承支梁；5-溜矸槽；6-溜矸槽闸门；4-卸矸门；8-卸矸平台；9-吊桶；10-翻笼；11-翻笼回转轴承支架；12-滑轮；13-卸矸门电动启闭装置；14-溜矸槽独立支架图3.5卸矸台中国矿业大学出版社矿山特种结构设计4.扶梯扶梯时主体架内上下各平台之间的联系部分，通常由3个梯段组成，其中第一段梯子平台设在卸矸上。梯梁采用扁钢，踏步采用圆钢，扶手和栏杆采用扁钢或角钢，梯子平台采用槽钢和网纹钢板。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计5.基础凿井井架由于结构型式比较简单，荷载较小，因此在4个柱脚处各设一个独立基础。独立基础施工比较简单，但承载力和整体性较差，各基础间缺乏联系，容易使结构产生不均匀沉降。独立基础一般设在柱下，常用断面形式有踏步形、锥形、杯形，凿井井架基础采用截锥形，分别支承主体架的。基础混凝土的强度等级不应低于C20。由于柱脚与地面有一定的倾斜角度，因此基础顶面应是倾斜的，并与角柱中心线垂直，而基础底面是水平的，如图3.6所示。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计图3.6井架基础中国矿业大学出版社矿山特种结构设计3.1.3钢凿井井架的尺寸凿井井架的主要尺寸是指井架高度、井架顶部和底部的平面尺寸。确定这些尺寸的原则是：使用方便；结构简单；井架稳定；造价低廉等。井架高度是指井口水平至天轮平台的垂直距离（图3.7），其值H可用下式计算：h1——自井口水平至卸矸台高度；h2——吊桶翻转所需高度；h3——吊桶、钩头、连接装置和滑架的总高度；h4——提升过卷高度；D——主提升天轮的直径。4/4321DhhhhH中国矿业大学出版社矿山特种结构设计图3.7井架高度计算图中国矿业大学出版社矿山特种结构设计井架顶部的平面尺寸，即为天轮平台的平面尺寸，取决于悬吊凿井设备的天轮数目及其布置方式。井架底部的平面尺寸，即为天轮平台的平面尺寸，取决于悬吊凿井设备的天轮数目及其布置方式，应满足下列要求：（1）主体架角柱基础应离开井壁一定距离，使井壁不致受到井架基础荷载引起的巨大侧压力作用。当采用冻结法凿井时，应使井架基础能够避开冻结管沟槽；（2）井架在井口周围所形成的空间，应能满足施工人员正常工作和运输的需求。同时井架必须有足够的净空间，使大型凿井设备进出方便；（3）保证井架具有足够的抗倾覆稳定性。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计目前我国煤矿建井采用的凿井井架主要是钢管井架，共有九个型号，其中I、II、III、IIIG、IV、IVG型井架的形式见图3.1，新IV型和V型井架的形式如图3.8所示。除V型井架有一种采用Q345钢外，其他井架均为Q235钢。它们的主要尺寸和重量见表3.1，适用条件和计算依据见表3.2。图3.8新IV、V型凿井井架中国矿业大学出版社矿山特种结构设计新Ⅳ型和V型凿井井架是大直径深井立井施工机械化配套的新型设备，是目前应用较为广泛的井架形式，具有以下一些特点：（1）底层两根斜向大腹杆相交于卸矸平台上方节间中央，腹杆布置比较合理，底层空间开敞，井口操作方便，有利于大型设备进出和翻矸溜槽设置。（2）井架结构四边等稳定性，因此井架抗扭抗振性能好。井架支脚上设有横向联杆，在卸矸台上方节间四角隅处亦设置有横向联杆，增强了井架的整体刚度。（3）井架几何尺寸参数选取合理，有利于天轮平台布置，大型凿井设备进出和汽车运矸，同时避免井架基础占据冻结管沟槽位置。（4）井架承载能力大，悬吊设备多，能满足多种复杂作业的需要（5）井架通用性和适应性强，设计时考虑了提绞吊挂设备的不利布置与井架受力的不利因素。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计3.2钢凿井井架荷载及荷载组合3.2.1荷载的分类作用于井架结构上的荷载，可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载三类。永久荷载指长期作用在井架上的不变荷载，包括结构自重、附属设备重和地基变形等。结构自重主要包含天轮房、天轮平台、主体架和扶梯重量等。附属设备重包含整套天轮重量、卸矸台重量以及井架围壁重量等。根据国家标准《工程结构可靠度设计统一标准》GB50153的规定，地基变形认定为永久作用。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计可变荷载指井架在使用过程中可能发生变动的荷载，包括提升工作荷载、钢绳罐道工作荷载、防坠钢绳工作荷载、平台活荷载、起重架安装荷载、罐道梁工作荷载和凿井工作荷载等。偶然荷载是指因偶然事故而作用在井架上的荷载，包括断绳荷载、防坠器制动荷载、过卷荷载、托罐荷载和地震作用等。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计3.2.2荷载的确定1永久荷载标准值的确定（1）结构自重标准值钢井架的自重不包括设备重、钢梯重和密闭板重。（2）附属设备重标准值设备主要包括天轮、轴承、罐道、起重设备、卸载装置、防坠器、四角罐道以及安全门等，不同的工艺设备也有所不同，此部分重量应该由工艺确定。（3）地基变形引起的作用可根据实际地基情况考虑。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2可变荷载标准值（1）提升工作荷载标准值当箕斗或者罐笼上提时：当箕斗下放时：当罐笼下放时：其中、Smax,Smin分别为提升钢绳的最大、最小静张力；a为提升加速度；g为重力加速度；f为运行阻力系数，可取0.1)1(max1fgaSQk)1(in1fgaSQmk)1(max1fgaSQk中国矿业大学出版社矿山特种结构设计（2）钢绳罐道工作荷载标准值钢绳罐道自重及拉紧力的标准值应该由工艺确定，其作用在井架固定钢绳罐道的节点上。（3）防坠钢绳工作荷载标准值防坠制动钢绳工作荷载为钢绳拉紧力与钢绳自重及固定在井架上的缓冲装置和缓冲绳自重的总和，应由工艺确定。（4）平台活荷载标准值天轮平台、检修平台荷载标准值当工艺无特殊要求时，单绳提升可采用3.5kN/m2、多绳提升可采用5.0kN/m2，钢梯及其他休息平台可采用2.0kN/m2。（5）起重架安装荷载标准值该部分荷载应由工艺根据安装方式确定。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计6）罐道梁工作荷载标准值、水平荷载可由式确定：垂直荷载可由式确定：(7)凿井提升工作荷载标准值凿井工作荷载参照原西德《矿山井架和井塔设计规范》的规定，采用事故增大系数1.5，不再考虑断绳荷载，可由式3.2确定：式中，1.3为动力系数；η为凿井事故增大系数，可取1.5；PQ为容器、载重以及钢绳等的总重量。k1k121QQHHkVkQQ41QPkPQ3.1中国矿业大学出版社矿山特种结构设计（8）风荷载标准值风荷载分纵向和横向风荷载，纵向指提升方向，横向指垂直于提升方向，应按式3.3计算：式中，φ为挡风系数，对不封闭立架及起重架应取0.6-0.7；当立架封闭时应取1.0;对于析架式斜撑，横向作用时应取2.0，纵向作用时应取0.5；箱形断面斜撑可按实际断面.横向作用时应取2.0，纵向作用时应取1.0；为风振系数，βz根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定选取；μs为风荷载体型系数，应取1.3；μz为风压高度变化系数，根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定选取；wo为基本风压，根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定选取，或按当地气象资料确定，但不应小于0.3kN/m20wWzszk中国矿业大学出版社矿山特种结构设计3偶然荷载标准值(1)断绳荷载标准值断绳荷载对于单绳提升时一根为断绳荷载，另一根为两倍工作荷载；对于多绳提升时一侧为所有钢绳的断绳荷载，另一侧为所有钢绳的0.33倍断绳荷载。断绳荷载采用整根钢绳的拉断力，即为0.85倍全部钢丝拉断力的总和。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计（2）防坠器制动荷载标准值防坠制动荷载一般仅用于单绳提升井架的设计，是指在断绳时，容器下坠过程中，防坠器将下落的容器抓住，通过防坠器工作，作用于固定在立架顶部的防坠器支座处。防坠器制动荷载可按右式计算：式中，3.0是动力系数；为提升钢绳的最大静张力。（3）防撞梁荷载标准值防撞梁荷载按式3.5进行计算：式中，4.0是动力系数；为提升钢绳的最大静张力。max20.3SAkmaxSmax30.4SAkmaxS中国矿业大学出版社矿山特种结构设计（4）缓冲装置荷载标准值缓冲装置(此处特指楔形罐道)荷载标准值是按传统的楔形木罐道设置所产生的力，不适用于其他新型的防过卷装置。对于选用其他过卷装置时，应有可靠依据并提供防过卷荷载标准值，该荷载可按下式计算：式中，2.0是动力系数；（5）托罐荷载标准值托罐荷载标准值可按式3.7计算：式中，5.0是动力系数，是参照原西德《矿山井架和井塔设计规范》的规定，取5倍的最大静张力。max40.2SAkmax50.5SAk中国矿业大学出版社矿山