立井井筒施工设备与布置

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7-1 MZJ型亭式凿井井架技术规格
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500～600 m3。

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。

第二节凿井工作盘
立井施工时，需要在井内设置一系列的凿井工作盘。

如封口盘、固定盘、吊盘、稳绳盘及其它特殊用途的作业盘等。

这些盘一般都是钢结构。

一、封口盘
封口盘是设置在井口地面上的工作平台，又称井盖。

它是作为升降人员、设备、物料和装拆管路的工作平台。

同时也是防止从井口向下掉落工具杂物，保护井上下工作人员安全的结构物。

（一）封口盘的结构
封口盘一般采用钢木结构，如图7-9所示。

封口盘由梁格、盘面铺板、井盖门和管道通过孔口盖门等组成。

封口盘一般做成正方形平台，盘面尺寸应该与井筒外径相适应，但必须盖住井口。

盘面标高必须高于最高洪水位，并应高出地面200～300mm。

封口盘的梁格布置，如图7-10所示。

它的主梁采用工字钢，次梁可采用工字钢、槽钢或木梁。

钢梁之间可以焊接、螺栓联结，钢梁和木梁之间要用埋头螺栓联结。

木梁应用200×200mm的硬质木材，盘面铺板采用木板或防滑网纹钢板。

如果采用木板，木板为75mm厚并应压缝搭接且保持盘面平整。

主梁一般支承在临时锁口或邻近井口的料石垛上，料石垛的位置，可根据主梁端部位置确定，但应尽量缩短主梁跨度，以保证主梁的承载能力。

盘面上的各种孔口，除设置盖板外，其缝隙均应以软质材料严密封口。

封口盘的梁格布置和各种凿井设备通过孔口的位置，都必须与井上下凿井设备相对应。

吊桶提升孔口上设井盖门，井盖门由厚度75mm厚的木板和扁钢组成。

提升吊桶提出井口前将井盖门打开，让吊桶通过封口盘；吊桶进入井筒后将井盖门关闭，以防坠物。

在两扇井盖门中间留有提升钢丝绳孔道，以利钢丝绳运行。

井盖门的开启和关闭由电动绞车或气动绞车拉动，控制开关一般设在井口信号房内，由信号工统一控制。

电动启闭井盖门的装置如图7-11所示。

（二）封口盘的荷载
封口盘的荷载，主要包括封口盘的自重、施工荷载、装卸设备或较重物料时的荷载等。

施工荷载是指工作人员、一般工具和物料等的重量。

封口盘的自重以及施工荷载可以近似地作为盘面均布荷载处理。

两者的总荷载集度，通常约取3kN/m2。

并且根据梁格布置情况，划分梁的承载区域，确定梁的荷载集度。

装卸设备和较重物料的荷载，例如装卸吊泵和矸石吊桶可能墩罐时的情况，按照集中荷载处理，并应作为动力荷载，适当乘以动力系数，一般约取1.2～2.0。

在计算荷载时，根据梁格布置情况，次梁通过铺板承受盘面荷载。

主梁除了承受它自己的承载区域的盘面荷载以外，还将承受由次梁传递给它的荷载，这种荷载等于次梁端的支承反力，但方向相反。

在设计计算时，应根据实际施工条件，考虑最不利的荷载组合情况。

（三）封口盘结构设计
封口盘的设计主要是设计它的梁系结构。

当梁的荷载确定后，根据支承情况，把次梁和主梁简化为简支梁或连续梁，按受弯构件选择梁的截面和验算梁的强度、刚度和稳定性。

为了保持盘面平整及构造简单，对于梁的截面型号，应该根据计算结果，予以适当调整，使梁的规格型号不致过多。

次梁与主梁连接，一般通过连接角钢，采用焊缝和螺栓连接。

木梁可采用U形卡固定。

根据工程实际经验，封口盘的常用材料规格列于表7-2，供设计时参考。

表7-2 封口盘常用材料规格参考表
二、固定盘
固定盘是设置在井筒内邻近井口的第二个工作平台，一般位于封口盘以下4～8m处。

固定盘主要用来保护井下安全施工，同时还用作测量和接长管路的工作平台。

固定盘以梯子与地面相通。

固定盘采用钢木混合结构。

它的结构和设计要求，与封口盘大致相同。

其不同点是吊桶的通过孔口不设盖门，而设置栏杆或喇叭口。

固定盘的荷载一般较小，因此固定盘的梁系结构，可根据工程实际经验，酌情选择梁的截面型号。

盘面孔口位置和大小必须与上下凿井设备布置相一致。

固定盘的常用材料规格列于表7-3，供设计时参考。

表7-3 固定盘常用材料规格参考表
三、吊盘和稳绳盘
（一）吊盘和稳绳盘的构造
吊盘是井筒内的工作平台，多以双绳悬吊，它可以沿井筒上下升降。

它主要用作浇筑井壁的工作平台，同时还用来保护井下安全施工，在未设置稳绳盘的情况下，吊盘还用来拉紧稳绳。

在吊盘上有时还安装抓岩机的气动绞车或大抓斗的吊挂和操纵设备以及其它设备。

在井筒掘砌完毕后，往往还要利用吊盘安装井筒设备。

由于吊盘要承受施工荷载（包括施工人员、材料和设备的重量），且上下升降频繁，因而要求吊盘结构坚固耐用。

吊盘采用金属结构，吊盘的盘架由型钢组成，一般用工字钢作主梁、槽钢作圈梁。

并根据井内凿井设备布置的需要，用槽钢或小号工字钢设置副梁，并留出各通过孔口（图7-13）。

盘面铺设防滑网纹钢板。

稳绳是吊桶上下运行的滑道。

为减小吊桶的横向摆动，吊桶以滑架和稳绳相连。

吊桶在滑架（导向架）的限位下，与吊桶沿稳绳共同高速运行。

为此，稳绳需要给以一定的张紧力，用来拉紧稳绳的盘体称为稳绳盘。

它是井筒内的第二个可移动盘体。

稳绳盘位于吊盘之下，离井筒掘进工作面10～20m，伴随掘进工作面的前进而下移，爆破时上提到一定安全高度处。

因此，它是掘进工作面的又一安全保护盘。

有时在稳绳盘上还安装悬挂抓岩机的气动绞车。

如稳绳不足以使盘体保持平衡时，应增设悬吊钢丝绳，使盘体保持平衡，防止偏盘事故的发生。

稳绳盘的设置与否，取决于井筒施工作业方式。

当采用长段平行作业时，一定要设稳绳盘。

在采用单行作业、混合作业或短段平行作业时，稳绳盘的作用由吊盘取代，因而也不必设置稳绳盘了。

稳绳盘的构造和设计要求，与吊盘大致相同，其各通过孔口也完全相同，因此可以参照吊盘设计稳绳盘。

稳绳盘为单层盘，梁格同吊盘。

吊盘有双层（图7-12）或多层。

当采用单行作业或混合作业时，一般采用双层吊盘，吊盘层间距为4～6m；当采用平行作业时，可采用多层吊盘。

多层吊盘层数一般为3～5层，为适应施工要求，中间各层往往做成能够上下移动的活动盘，其中主工作盘的间距也多为4～6m。

多层吊盘的盘面布置和构造要求，与双层吊盘基本相同。

吊盘（图7-13）由梁格、盘面铺板、吊桶通过的喇叭口、管线通过孔口、扇形活页、立柱、固定和悬吊装置等部分组成。

吊盘的梁格由主梁、次梁和圈梁组成（图7-14）。

两根主梁一般对称布置并与提升中心线平行，通常采用工字钢；次梁需根据盘上设备及凿井设备通过的孔口以及构造要求布置，通常采用工字钢或槽钢；圈梁一般采用槽钢冷弯制成。

梁格布置需与井筒内凿井设备相适应，并应注意降低圈梁负荷。

各梁之间采用角钢和连接板，用螺栓连接。

盘面的防滑网纹钢板也用螺栓固定在梁上。

各层盘吊桶通过的孔口，采用钢板围成圆筒，两端做成喇叭口。

喇叭口除保护人、物免于掉入井下外，还起提升导向作用，防止吊桶升降时碰撞吊盘。

喇叭口与盘面用螺栓连接。

上、下喇叭口离盘面高度一般为0.5m，操作盘上的喇叭口应高出盘面1.0～1.2m。

采用多层吊盘时，可设整体喇叭筒贯串各层盘的吊桶孔口，以免吊桶多次出入盘口而影响提升速度。

盘上作业人员可另乘辅助提升设备上下。

吊泵、安全梯及测量孔口，采用盖门封闭。

其它管路孔口亦设喇叭口，其高度应不小于200mm。

各层盘沿周长设置扇形活页，用来遮挡吊盘与井壁之间的孔隙，防止吊盘上坠物。

吊盘起落时，应将活页翻置盘面。

活页宽度一般为200～500mm。

立柱是连接上下盘并传递荷载的构件，一般采用Φ100mm无缝钢管或18号槽钢，其数量应根据下层盘的荷载和吊盘空间框架结构的刚度确定，一般为4～8根。

立柱在盘面上适当均匀布置，但力求与上、下层盘的主梁连接。

为防止吊盘摆动，通常采用木楔、固定插销或丝杆撑紧装置，使之与井壁顶住，数量不少于4个。

盘上装有环形轨道或中心回转式大型抓岩机时，为避免吊盘晃动，影响装岩和提升，宜采用液压千斤顶装置撑紧井帮。

吊盘的悬吊有单绳单绞车、双绳单绞车和多绳多绞车等方式。

目前使用最多的是双绳双叉双绞车悬吊方式。

悬吊钢丝绳的下端由分叉绳与吊盘的主梁连接，盘面上的四个悬吊点可以保证盘体平衡。

如果吊盘荷载较大，两根悬吊钢丝绳可以采用回绳悬吊。

这种悬吊方式，要求两根悬吊钢丝绳的一端固定在天轮平台上，而另一端向下并绕过与两组分叉绳相连的滑轮，然后折返井口再绕过天轮而固定在凿井绞车上。

这种悬吊方式将使每根悬吊钢丝绳承受的拉力降低一半，因此可以承受较大吊盘荷载。

（二）吊盘荷载分析
吊盘是立井施工时的主要工作平台。

它的盘面留有不少孔口，使承载区域被划分为许多部分，而且施工时的荷载情况比较复杂。

吊盘荷载通常可以按照下述几项荷载酌情考虑：
1.吊盘盘架结构自重以及施工荷载，可以近似地作为盘面均布荷载处理。

盘面的总荷载应该根据实际情况确定。

当计算均布荷载集度时，根据吊盘施工情况，应该考虑受力不均匀的影响，适当乘以受力不均匀系数。

然后根据梁格布置情况，划分梁的承载区域，确定梁的荷载集度。

2.立模或拆模时，可以按照一圈模板、一圈模板的围圈和少量钢筋的重量，根据堆放位置作为局部均布荷载处理。

模板和井圈按600kg计算，少量钢筋按750kg计算。

3.当浇筑混凝土或钢筋混凝土井壁时，如果采用管路运输，可以不必考虑混凝土荷载。

如果采用自卸式吊桶输送，应该考虑倾斜在漏斗内的混凝土荷载。

在漏斗安装处，按照局部均匀荷载处理，并应作为动力荷载，适当乘以动力系数1.2。

4.当采用平行作业，浇筑混凝土或钢筋混凝土井壁时，壁圈荷载的一部分将通过支撑装置传递给立模盘。

在支撑安装处按照集中荷载处理，并应作为动力荷载，适当乘以动力系数1.2。

5.抓岩机的气动绞车以及其它设备，可以根据安装位置作为集中荷载处理。

当悬挂于吊盘的抓岩机或环形轨道式抓岩机启动抓岩时，应该根据抓岩机和岩石的重量，按照集中荷载处理，并应作为动力荷载，适当乘以动力系数1.2。

6.悬吊钢丝绳通过分叉绳作用于吊卡的荷载，以及自下而上依次通过立柱传递的荷载，都应分别计算确定。

必须注意，吊盘荷载比较复杂，还应根据实际施工情况考虑其它荷载。

而且上述几项荷载，并不同时存在，因此在设计计算时，必须分析最不利的荷载组合，作为计算依据。

（三）吊盘结构设计原理
吊盘的设计顺序，一般自下而上依次进行。

首先设计吊盘的梁系结构，然后设计立柱、悬吊装置。

1. 吊盘梁系结构
吊盘的梁系结构应根据实际情况进行简化，去掉构造次梁，然后计算支承次梁、主梁和圈梁。

次梁一般为以主梁或圈梁为支点的单跨简支梁；主梁一般为支承于立柱（下盘主梁）或吊卡（上盘主梁）的外伸简支梁。

次梁和支撑于立柱的主梁（下盘主梁）承受均布和集中垂直荷载，因此为单向受弯构件。

支承于吊卡的主梁（上盘主梁）因受悬吊裤衩绳的斜向拉力，因此为偏心受压构件。

圈梁的计算比较复杂，要根据吊盘梁格的布置形式进行结构的合理简化。

常见的闭合形圈梁（图7-15，a）为对称布置，荷载也基本对称，圈梁与主梁的连接处可近似地看作固定端。

两固定端间圈梁跨度中点的连接处可以近似地视作铰接（图7-15，a），只要取出四段圈梁中受力最不利的一段进行计算即可。

每一段圈梁为对称结构，在对称荷载作用下，对称截面上的反对称内力为零，所以在铰接处的剪力和扭矩为零，同时铰接处的弯矩也为零，因此圈梁可进一步简化为悬臂曲梁加以计算（图7-15，b）。

作用于受力最不利一段圈梁上的荷载有该段圈梁所承受的盘面垂直均布荷载q和由与该段圈梁连接的承载次梁传来的垂直集中荷载N。

为了简化计算，可将均布荷载q作为集中荷载考虑，作用点在圈梁与次梁连接处（图7-15，c）。

2. 立柱
吊盘工作时，立柱为轴心受拉构件；吊盘组装时，立柱则为轴心受压构件。

立柱的计算长度为上下盘的层间距。

必须注意，立柱是连接上、下盘的重要构件，参照《煤矿安全规程》规定，比照吊盘悬吊绳的安全系数，其安全系数应不小于6。

3. 悬吊装置
一般采用双绳双叉悬吊时，每组分叉绳的两端与上层盘的两个吊卡相连。

四个吊卡应在盘面适当对称布置，并应安装在上层盘的主梁上。

吊盘吊卡的结构见图7-16。

在荷载确定后，要对吊卡的销轴，耳柄及吊卡底部进行强度验算。

吊卡装置是连接吊盘和分叉绳的重要部件，因此它的安全系数，亦应按照吊盘悬吊绳的安全系数考虑，吊卡采用k≥6。

销轴安全系数参考《煤矿安全规程》关于连接装置的规定，采用k≥10。

吊盘常用材料规格列于表7-4，供设计参考。

表7-4 吊盘常用材料规格参考表
（四）凿井工作盘设计要求
封口盘、固定盘、吊盘、稳绳盘和滑模工作盘等凿井施工用盘，均为立井施工时的重要施工设施。

设计时应注意以下几点：
1）各种凿井工作盘的设计计算方法步骤一般都包括盘面布置和结构布置，估算结构自重，计算荷载数值，确定计算简图，并对结构进行受力分析，按照构件类型，根据强度、刚度和稳定性的要求，选择构件截面。

2）凿井工作盘的盘面布置和结构布置要合理，要根据凿井工作盘的用途以及有关规程、规范的要求确定孔口位置和梁系布置。

吊盘和稳绳盘悬吊点的布置应注意使盘保持平稳。

3）凿井工作盘属于施工设施，构造应该力求坚固耐用。

构件之间一般采用螺栓连接，便于安装拆卸。

为了保证构件之间连接牢固，必须采取适当加固措施，并应重视连接强度验算。

4）凿井工作盘上的荷载比较复杂，设计时，应该根据实际情况，具体分析各种荷载及荷载的组合。

5）结构设计程序通常可根据传力过程进行。

例如对于梁格，由次梁到主梁；对于吊盘，由下层盘到上层盘；对于滑模，由操作盘、辅助盘到提升架。