3凿井井架

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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：
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3 凿井井架
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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。
（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：
A2k 3.0S max
S max为提升钢绳的最大静张力。 式中，3.0是动力系数；
（3）防撞梁荷载标准值 防撞梁荷载按式3.5进行计算：
QPk 1.3PQ
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。
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（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：
Wk z s z w0
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/m2 中国矿业大学出版社
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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 3-斜撑
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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。
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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：
a Q1k S max (1 f ) g
a f) g a Q1k S max (1 f ) g Q1k S min (1
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
2-横梁 4-交叉连杆
5-钢轨起重
图3.2 天轮梁安装
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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
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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
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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。
图3.5 卸矸台
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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。
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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。
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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。
图3.8 新IV、V型凿井井架
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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。
1-天轮房 2-天轮平台 3-主体架 4-卸矸台
5-扶梯
6-基础
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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。
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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
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。
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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：
QHk
QVk (7)凿井提升工作荷载标准值
1 Q1k 12 1 Q Hk 4
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：
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（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3.5 kN/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。
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3.1钢凿井井架的型式与构造
3.1.1 钢凿井井架的型式
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。
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H h1 h2 h3 h4 D / 4
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。
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图3.7 井架高度计算图 中国矿业大学出版社
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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。
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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。
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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。