第七章 立井井筒施工设备与布置

第七章立井井筒施工设备与布置立井井筒施工时，为了满足掘进提升、翻卸矸石、砌筑井壁和悬吊井内施工设施的需要，必须设置凿井井架、天轮平台、卸矸台、封口盘、固定盘、吊盘、稳绳盘、以及砌壁模板等凿井结构物。有一些凿井结构物是定型的，可以根据施工条件选取（如凿井井架），有一些则要根据施工条件进行设计计算。本章重点介绍几个主要凿井结构物的结构特点和设计的原则，以及凿井设备的布置。第一节凿井井架凿井井架是专为凿井提升及悬吊掘进设备而设立的，建井结束后将其拆除，再在井口安装生产井架。因此，凿井井架亦称临时井架。我国凿井时大都采用亭式钢管井架（图7-1），这种井架的四面具有相同的稳定性，天轮及地面提绞设备可以在井架四周布置。亭式井架采用装配式结构，其优点是：可以多次重复使用，一般不需要更换构件；每个构件重量不大，安装、拆卸和运输都比较方便；防火性能好；承载能力大，坚固耐用，可以满足井下和井口作业的需要。除亭式钢管井架外，个别地方还使用过三腿式钢凿井井架，在地方小煤矿也使用过木井架。近年来，一些单位开始利用永久井架或永久井塔代替凿井井架开凿立井，省去了凿井井架的安装拆卸，虽延长了凿井准备期，但对整个建井工期影响不大，提高了投资效益。最近设计单位又设计出生产建井两用井架，它既服务于建井提升用，又服务于矿井生产提升用，是一种将凿井井架和生产井架的特点相结合的新型井架。永久井架和永久井塔是专为生产矿井设计的，利用永久井架和永久井塔凿井，必须对其改造或加固，以满足凿井的要求。两用井架的问世，将此问题彻底解决，显示出极大的优越性，如济宁2号和3号井副井均应用生产凿井两用井架进行立井井筒的施工。亭式钢凿井井架在目前建井工程中使用最为广泛。根据井架高度、天轮平台尺寸及其适用的井筒直径、井筒深度等条件，亭式钢管井架共有六个规格，其编号为I、II、III、IV、新IV和V型，分别适用于井深200、400、600、800及1100m。随着我国井筒深度的加大及凿井机械化程度的提高，IV型以下的凿井井架已很少应用。新IV型与原IV型井架相比，主要是增大了天轮平台面积，提高了井架全高及基础顶面至第一层平台的高度，便于在卸矸台下安设矸石仓及用汽车运矸，也便于伞形钻架等大型设备进出井筒，同时亦增大了井架的承载能力。而V型井架则是专为使用千米立井而设计的。它具有较大的天轮平台，满足多种凿井设备的吊挂，具有较大的工作荷重和断绳荷重。各型号井架的技术规格见表7-1。表7-1MZJ型亭式凿井井架技术规格井架型号井筒深度/m井筒直径/m主体架角柱跨距/m天轮平台尺寸/m由基础顶面至第一层平台高度/m井架总质量/t悬吊总荷重/kN工作时断绳时I2004.6～6.010×105.5×5.55.025.649666.4901.6II4005.0～6.512×126.0×6.05.830.5841127.01470.0III6005.5～7.012×126.5×6.55.932.2841577.81960.0IV8006.0～8.014×147.0×7.06.648.2152793.03469.2新IV8006.0～8.016×167.25×7.2510.483.0203243.83978.8V11006.5～8.016×167.5×7.510.398.0004184.610456.6选择凿井井架的原则是：能够安全地承担施工荷载；保证足够的过卷高度；角柱跨距和天轮平台尺寸应满足井口施工材料、设备运输及天轮布置的需要。一般情况下，可参照表7-1选用井架。当施工工艺及设备与井架技术规格有较大差异，如总荷载虽相近但布置不平衡时，必须对井架的天轮平台、主体架及基础等主要构件的强度、稳定性及刚度进行验算。一、凿井井架结构亭式钢凿井井架是由天轮房，天轮平台、主体架、卸矸台、扶梯和基础等主要部分所组成的，如图7-1所示。（一）天轮房天轮房位于井架顶部，由四根角柱、上部横梁、水平联杆及两根用来安装和检修天轮的工字钢梁组成。为防雨雪，上部设有屋面并装有避雷针。天轮房的作用是安装、检修天轮，保护天轮免受雨雪侵袭。其角柱为两条角钢对焊成十字型截面；上部横梁为两条14号槽钢对焊成工字截面；斜撑为角钢；水平交叉联杆，以两条角钢对焊成倒T形截面，工字钢吊车梁一般选用25号工字钢，其长度要保证超出天轮平台每边1m。（二）天轮平台天轮平台位于凿井井架顶部，为框形平台结构，用于安置天轮梁。天轮由天轮梁支撑，并直接承受全部提升物料和悬吊掘砌设备的荷载。荷载经由天轮、天轮梁、天轮平台主梁传递给凿井井架的主体架。天轮平台是由四条边梁和一条中梁组成的“曰”字型框架，如图7-2所示。边梁为焊接钢板组合工字型梁，中梁为焊接组合工字型变截面梁。边梁和中梁称为天轮平台主梁，各主梁的挠度不应超过其跨度的1/400。天轮梁一般都成双地摆放在天轮平台上，承托各提升天轮和悬吊天轮。天轮梁在天轮平台上的位置以井内施工设备布置而定。其规格一般是根据其承担的荷载计算选型。除验算其强度和稳定型外，还要使天轮梁的挠度不超过其计算跨距的1/300。天轮梁以计算选型，其规格必定繁多。为了简化安装，保持天轮平台上天轮梁的平整，一般尽量选用同规格的工字钢加工。现场多用25号工字钢。其长度要求搭接时超过主梁不少于150mm，以便在其上钻孔，用U形螺栓将其与主梁固定，主梁上不准打孔，亦不准焊接。有时在天轮平台上还要设置支承天轮梁的支承梁。天轮梁和支承梁通称副梁，它们之间可搭接，可焊接，也可用螺栓联结。如果副梁的计算内力较大或者结构需要时，也可采用焊接组合梁。在天轮梁上架设天轮时，应尽量使天轮轴承座直接支撑在天轮梁的上翼缘上，如图7-3，a所示。但有时为了调整钢丝绳的高度，避免与井架构件相碰，而不得不将天轮轴承座安装得高于或低于天轮梁的上翼缘，如图7-3，b、c、d所示。或者增设导向轮，如图7-4所示。应该注意，不论采用哪种方式，天轮、钢丝绳与井架结构之间的安全间隙不得小于60mm。天轮梁支承在主梁上时（图7-5，a），天轮梁与主梁之间通常都采用U形螺栓连接，如图7-5，b所示。天轮梁与天轮梁、天轮梁与支承梁之间通常采用连接角钢和螺栓进行连接，如图7-5，c所示。（三）主体架主体架是一个由四扇梯形桁架组成的空间结构。上部与天轮平台的中梁和边梁用螺栓连接，下部则立于井架基础上。主体架主要承受天轮平台传递来的荷载，并将其传给基础。主体架的每扇桁架通常采用双斜杆式。最上节间的斜杆布置形成天轮平台边梁的中间支点，使边梁在其桁架平面内，由单跨变为双跨。在桁架下部第一层水平腹杆上，利用水平连杆组成平面桁架，以便支撑卸矸平台。主体架的角柱和撑柱一般用无缝钢管制成。构件之间用法兰盘和螺栓联结。（四）卸矸台立井施工时，井内爆破下的岩石，由抓岩机装入矸石吊桶，由提升机提到井口上方的卸矸台上，经卸矸装置卸矸入矸石仓，由运输设备运往排矸场。卸矸台是用来翻卸矸石的工作平台，它是一个独立的结构。通常布置在主体架的第一层水平联杆上。它的主梁和次梁采用工字钢或槽钢。梁上设置方木，用U形螺栓卡紧，然后铺设木板，如图7-6所示。溜矸槽的上端连接在中间横梁上，下端支撑在独立的金属支架上。卸矸台下设矸石仓，仓体由型钢及钢板制成，下有支架及基础。仓体容积一般为20～30m3。落地式矸石仓容积为500～600m3。卸矸台的高度应保证矸石仓的设置与溜矸槽的倾斜角度，而且矸石溜槽下要有足够的装车高度，此外，应便于大型设备如伞形钻架等出入井口。（五）扶梯为了便于井架上下各平台之间的联系，在主体架内设置有轻便扶梯，通常有三个梯段组成。梯子架采用扁钢，踏步采用圆钢，扶手和栏杆采用扁钢或角钢制作。第一段梯子平台设在卸矸台上。梯子平台采用槽钢和防滑网纹钢板制作。（六）基础凿井井架基础有四个，成截锥形，分别支承主体架的四个柱脚。基础材料通常为C15以上的混凝土。浇筑基础时，将底脚螺栓预埋在基础内，安装井架时，就利用伸出基础顶面的螺栓来固定井架柱脚。基础顶面应抹平，并与柱脚中心线垂直（图7-7）。而底面则应保持水平，基础底面积以地基土的允许承载力而定，一般地基土体允许承载力为0.25MPa。二、凿井井架结构验算（一）凿井井架主要尺寸的验算立井施工时要选择相应的凿井井架，其原则是：满足施工要求，保证施工安全，设备配套合理，使用操作方便。凿井井架的主要尺寸都应进行验算，为设备选型提供依据。井架的主要尺寸是指井架高度、天轮平台及井架底部平面尺寸。1．井架高度验算井架高度是指井口水平至天轮平台的垂距H（图7-8），可用下式验算：（7-1）式中h1－井口轨面水平至卸矸台高度，m；h2－吊桶翻转所需高度，与卸矸台装置的结构有关，用人力卸矸及座钩式自动卸矸时，可取1.5m；用链球式卸矸装置时须根据溜槽及链球的总长确定，m；h3－吊桶、钩头、连接装置和滑架的总高度，m；h4－提升过卷高度，按《煤矿安全规程》规定采用吊桶提升时不小于4m；R－提升天轮的公称半径，m。当已有井架的卸矸台高度不能满足卸矸和设置矸石仓的需要或妨碍大型施工材料和设备出入井口时，应将井架增高。当增加高度在1.5m以内时，可采用加高井架基础或在井架柱脚与基础顶面间设置钢垫座的方法。2．天轮平台尺寸验算天轮平台的形式为正方形，其平面尺寸取决于井筒净直径和悬吊凿井设备的天轮数量及其布置方式。天轮平台的面积在满足使用要求的情况下，应尽量缩小，因为这样可以选用较小规格的井架。I～V型凿井井架的天轮平台尺寸为5.5×5.5m～7.5×7.5m。3．井架底部的平台尺寸验算井架底部的平台尺寸，亦即主体桁架角柱在下部张开的距离，应满足下列要求：（1）基础应离开井壁一定距离，使井壁不致受到井架基础的侧压力影响。用冻结法凿井时，应使井架基础避开环形沟槽的位置；（2）要有足够的底面面积，保证施工人员的正常工作与运输需要；（3）保证井架有足够的稳定性。（二）凿井井架的荷载验算1．井架荷载的种类作用于井架上的荷载有恒荷载、活荷载和特殊荷载三类。恒荷载是指长期作用在井架上的不变荷载，如井架自重和附属设备重量等。（1）井架自重：包括天轮房、天轮平台、主体架和扶梯的重量等；（2）附属设备重量：包括整套天轮重量、卸矸台重量以及井架围壁板重量等；活荷载是指井架在使用过程中，可能发生变动的荷载，如悬吊设备钢丝绳的工作荷载、风荷载等。（1）悬吊设备钢丝绳的荷载：包括各悬吊设备和钢丝绳自重；（2）风荷载：即作用在井架迎风面上的风力。特殊荷载是指因偶然事故而作用在井架上的荷载，如提升钢丝绳拉断时的断绳荷载等。2．井架荷载的确定（1）井架自重在立井施工之前，可根据井内设备的多少和地面稳绞的数量确定选用标准井架，其自重及其它参数均可从设备手册中查得。若不采用标准井架（乡镇矿山建井时），需要自己设计井架时，通常是根据已有的类似井架进行估算，估算的井架重量与计算后的井架实际重量比较，如果相差不超过10％，一般认为可以满足设计要求。根据设计经验，钢凿井井架的自重，也可以根据所有悬吊设备钢丝绳工作拉力总和的15％～25％来估算。井架验算时，应按实际自重考虑。（2）附属设备重量整套天轮的重量，可根据所选用的天轮规格从设备手册中查得；卸矸台的荷载可根据实际情况取值，或者按4～5kN/m2估算；井架围壁的重量按所采用的材料进行计算。当采用石棉瓦时，可按200N/m2计算；当采用25mm厚的木板时，可按250N/m2计算；当采用1.5mm厚的薄钢板时，可按120N/m2计算；当采用油毡时，连同木板条重量，可按50N/m2计算。（3）悬吊钢丝绳的工作荷载悬吊凿井设备钢丝绳的工作荷载，是指钢丝绳与天轮轮缘相切处的静拉力，它等于钢丝绳自重及其悬吊设备重量的总和。当用1根钢丝绳悬吊时，钢丝绳的工作拉力可按下式计算：，N（7-2）当用两根钢丝绳悬吊时，每1根钢丝绳的工作拉力可按下式计算：，N（7-3）式中Q－悬吊于钢丝绳的凿井设备的重量，N；q－每米钢丝绳重量，N/m；H－井筒最大掘进深度，m；h－井架天轮平台高度，m。凿井设备重量Q，包括设备自重、附属件重以及荷载重量等，可以根据选用设备实际情况通过计算确定。需要指出，稳绳作为滑架的导