谈矿山立井钢井架设计

谈矿山立井钢井架设计
张燕萍
【摘要】通过井架设计实践,分析了矿山钢井架布置和选型,对井架荷载计算及组合的方法进行了研究,并结合工程实例,采用SAP2000有限元分析软件对钢井架结构
设计进行了阐述,同时提出了钢井架的防腐方法,为矿山立井钢井架设计积累了经验.【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2015(041)005
【总页数】3页(P20-22)
【关键词】矿井;钢井架;结构设计;计算
【作者】张燕萍
【作者单位】煤炭工业太原设计研究院,山西太原030001
【正文语种】中文
【中图分类】TD214
井架是矿山生产的主要提升构筑物。

在整个矿井的生产中起着举足轻重的作用。

根据用途井架可分为：生产井架和凿井井架；根据提升设备井架分为：单绳式井架和多绳式井架；若根据结构材料可分为：钢井架、钢筋混凝土井架和木井架。

钢井架从结构型式来分又分为：单斜撑式钢井架和双斜撑式钢井架。

因钢材强度大、延性好、能适应大荷载、大高度的工艺要求，因而在大型矿井中，钢井架已被广泛使用。

本文以钢井架为例简单介绍其设计过程。

就结构形式而言，钢井架结构属于空间受力体系，其主要构件的受力比较复杂，以
往井架结构的计算，大都是简化为平面结构后进行手算，不仅费时间而且计算精度会有偏差。

随着社会经济的发展，计算机应用技术的不断提高，专业的结构分析软件陆续出现并不断完善，这使得应用分析软件对结构进行分析成为现实，尤其像钢井架这种受力比较复杂的空间结构，软件分析的优势就尤为明显。

目前的结构分析软件中常用的计算程序为ANSYS和SAP2000等有限元分析软件。

1.1 设计资料
井架结构设计时需要相关专业提供必要的设计资料：
1)矿井生产能力和服务年限；
2)提升系统图(井筒平面位置、直径、深度；井口标高；天轮直径及中心标高；绞车系统提升角度；防撞梁底标高)；
3)提升设备技术特征(提升机、电动机、提升钢丝绳、提升容器的型号及规格，以及提升钢绳的最大、最小静张力、提升机的提升加速度和运行阻力系数、最大破断力等)；
4)井口及立架设备安装资料(提升容器规格、进出车框口高度及下放长材料的要求高度、卸载装置、罐道形式以及连接方式、缓冲制动装置与托罐装置的布置及作用力大小、防撞梁布置)；
5)井口房的平面图及剖面图；
6)工程地质资料、地震烈度及气象资料。

1.2 井架结构的选择
在满足工艺设备要求和相关专业提供的各项资料的前提下，本着加工安装方便、结构简单、受力明确、传力简捷、适应矿井服务年限及使用环境的原则选择适合的钢井架形式。

大中型矿井井架采用井口附近预组装平移工艺或利用生产井架凿井时，采用双斜撑式提升井架，它占用井口时间短、生产与凿井可同步进行、综合经济效益高。

而单斜撑式提升钢井架一般用于小型矿井。

1.3 井架结构布置
本文以双斜撑钢井架为例介绍其平面布置和竖向布置情况，如图1～图3所示。

1)井架平面布置。

平面布置应满足提升机房位置与井架的关系及提升技术的要求。

具体要求如下：
a.确定井架前支撑柱(即提升侧斜撑)底跨平面尺寸前，应先确定前支撑柱中心线与
水平面的夹角α。

为了充分发挥前支撑柱材料受压的作用，同时为了减少井架水平位移量，应使井架前支撑柱中心线与提升钢绳合力作用线接近；但是为了避免钢丝绳合力作用线跳到前支撑柱中心线外侧，影响井架的安全使用，两线的夹角一般不小于3°。

在确定夹角α的过程中应密切结合工艺所提供的提升工艺图，必要时可
与工艺设计人员适当调整上、下天轮的水平和垂直距离,以满足各项设计要求。

b.确定前支撑柱底跨两支点间的距离A时,一般是以规范要求“提升一侧的斜撑基
础顶面中心线间的水平距离，不宜小于井架总高度的三分之一”为原则，确定其值。

c.确定非提升侧斜撑(后支撑柱)底跨平面尺寸时，根据立架悬挂平台或下天轮平台
的大小并且应同时满足井口房的用途，可适当调整后支撑柱平面与水平面的夹角β，或适当调整提升侧斜撑基础顶面中心线与非提升侧斜撑(后支撑柱)基础顶面中心线的水平距离B，以满足工艺要求。

d.天轮安装、检修平台布置时应满足平台通道净宽不小于700 mm，提升钢绳与
平台构件的净距不应小于100 mm的要求。

2)竖向布置。

井架的竖向布置主要是井架高度的确定。

井架高度的确定又取决于各个平台标高的确定。

各个平台分别为立架悬挂平台、下天轮平台、上天轮平台、起吊平台。

首先根据工艺提供的提升系统图能确定上、下天轮的中心标高，从而可以初步确定上、下天轮平台标高。

确定起吊平台标高时根据公式h6≥D/2+2 m,其中，D为天轮直径；h6为上天轮中心至吊钩的高度，由此起吊平台的标高就初步确定了，井架的总高也确定了，当然在不违反规范要求、不妨碍使用要求的情况下可适
当调整井架的总高度。

立架悬挂平台标高取决于立架的高度，一般情况下立架悬挂平台处于下天轮平台的下部。

井架上所承受的荷载分为：1)恒荷载：结构自重、设备自重和地基变形等；2)活荷载：提升工作荷载、平台活荷载、罐道系统工作荷载、风荷载、起重架安装荷载、罐道梁工作荷载等；3)偶然荷载：主要是事故荷载(断绳荷载、托罐荷载、过卷荷载和地震作用等)。

以上各种荷载的取值需通过人工核算取得，并根据规范要求进行荷载效应组合。

井架结构作整体计算时应采用空间分析方法进行作用效应计算。

目前常用的软件有ANSYS和SAP2000系列软件。

下面通过一个工程实例简要介绍一下井架结构的计算分析过程：
1)工程概况：本工程为多绳提升钢井架，为空间箱形截面钢框架结构，井架基础采用独立基础。

标高22.700 m为悬挂立架平台，下天轮平台标高为24.400 m，上天轮平台标高为31.400 m，检修起吊平台标高为37.600 m。

天轮直径为3.25 m,上、下天轮共2套。

钢丝绳的断绳拉力总和为3 848 kN。

箱形柱截面为1 200×1 200，直接支撑天轮的箱形梁为1 200×1 500(高)，钢材材质为Q235B。

2)数据准备：根据钢井架的受力特点可分为正常工作荷载组合和事故荷载组合，在对井架结构计算分析过程中选取最不利的效应组合进行设计。

对本例进行反复计算后发现上天轮钢绳发生断绳事故时其效应组合是最不利的。

3)分析设计结果：选定构件截面后，通过运行程序对井架结构进行计算分析，可以得出井架结构的位移和内力图。

从而可以判断结构位移是否满足规范要求。

从内力图分析，轴力最大的构件是前支撑柱，弯矩最大的构件是支撑天轮的钢梁，平台附近的构件弯矩也较大。

结构设计模型基本能符合实际。

在构件设计的过程中对受力较大的构件连接节点处进行适当加强。

防腐处理对钢井架而言是至关重要的，钢井架构件外表面钢材应喷砂除锈、喷漆。

其防锈和防腐蚀所采用的涂料、钢材外表面的除锈等级以及防腐蚀对钢结构的构造要求等，均应符合现行国家标准GB/T 8923涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级和GB 50046 工业建筑防腐蚀设计规范的规定。

图纸中除应注明钢材除锈等级外还应注明采用的涂料及涂层厚度，并且注明在使用过程中应定期检测和维护。

钢井架是一个空间受力体系，构件受力比较复杂。

各种荷载需要通过人工统计和组合，所以设计时应将荷载组合考虑全面，避免遗漏。

在SAP2000中，交互式的优化设计功能对钢结构的设计提供许多便利，基本能实现钢井架计算分析并且满足设计要求。

但是在程序的分析过程中对于“箱形柱内的加劲肋对轴压承载力的作用”未能考虑，设计时也只考虑箱形构件受压时设置加劲肋的构造要求。

还有许多因素需要我们在日后的设计工作中更进一步研究，使钢井架的设计更加优化。

【相关文献】
[1] GB 50385—2006，矿山井架设计规范[S].
[2] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].
[3] 钟怀磬.煤矿特种结构[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.
[4] 全吉华.矿山竖井钢井架设计分析[J].工业技术科技资讯，2011(27)：87-89.。