矿山竖井钢井架设计分析

刘磊　朱张军

摘要：详细分析与探讨了矿山竖井常用钢井架的总体结构确定与布置，望能给类似工程设计带来一定参考价值。

关键词：矿山；竖井钢井架；井架设计

前言

矿山竖井钢井架属于空间受力体系，主要构件受力都比较复杂，目前还没有一个完全适合钢井架设计的专用计算软件。所以在这里，笔者根据以往的工程设计实践，对钢井架的设计、计算过程进行了总结和论述，根据手工计算过程，利用北京富技通科技发展有限公司开发的矿山井架有限元分析软件VSAP进行计算，以期对今后矿山工程井架设计提供参考。

1.结构布置

1.1设计参考数据收集

钢井架结构设计首先应满足提升工艺的使用要求，所以需要矿山机械等其他相关专业提供有关提升系统和竖井的相关设计资料。所需要设计资料主要包括：井筒位置、深度及井口标高；提升设备数目及用途；提升容器的规格、自重及矿物的自重；卸载标高及卸载曲轨：所用的天轮规格及自重：提升机滚筒的直径；提升最大速度与加速度；钢丝绳规格、破断力、工作荷载、最大静张力及静张力差：制动钢丝绳规格及自身重力：提升系统图；井筒锁口平、剖面图；井口运输线路布置图等。

1.2井架总体结构的选择

在满足提升工艺要求的前提下，本着保证安全、制造组装方便、经济节约、施工时间短的原则，并根据相关专业所提供的接口资料，选择合适的钢架结构形式。最终要尽量满足结构简单、受力明确、传力简捷，适应矿井服务年限及使用环境的要求。

常用的井架形式按提升方式分为两大类，即单绳和多绳提升钢井架。大中型矿井一般多采用多绳提升钢井架，而小型矿井则一般采用单绳提升钢井架。井架结构一般分为立架、斜撑、起重架、天轮平台、支撑框架和基础6个部分。下面我们分别对这几个部分的布置进行分析。

1.3井架平面的布置

井架平面布置最重要的是要满足提升技术的要求，也就是说，要处理好井架与提升机房位置的关系。具体注意事项有以下几点。

（1）确定井架斜撑底跨平面尺寸时，应使提升钢丝绳合力作用线在井架斜撑轴线的内侧，且两条线宜接近，以便充分发挥斜撑柱受压作用及减少井架水平位移，并防止提升制动或发生事故时井架产生过大的振动，

（2）确定斜撑底跨量支点间跨度时（垂直于提升平面），应满足斜撑纵向的刚度要求，保证能够有效抵御风载和地震作用。斜撑基础顶面中心线之间的距离一般大于井架总高度的三分之一，

（3）立架平面布置应处理好立架与井口平面锁口、摇台设备的关系，并保证提升容器与井架杆件之间必要的净空。同时，应满足立架整体稳定性要求，两个方向边长大于立架高度的十分之一。立架柱尽可能落在井颈上。

（4）多绳提升井架为了控制井架的初位移。斜撑牛腿联系铰由立架中间向斜撑方向移动0.15～1.10米，并使井架斜撑与立架顶或井口建筑保持一定距离，以免相碰。

1.4井架的竖向结构设置

井架的竖向结构设置则主要需要考虑提升技术要求以及天轮安装检修的需要，设置天轮平台、工作平台及天轮起吊平台。各层平台应综合考虑天轮布置、检修操作所需空间以及安全间隙要求，同时注意满足竖向交通所需的空间。井架立架的竖向布置需考虑罐道、防撞装置、托罐装置、罐笼等安装及检修方便。井架高度应由工艺专业确定。

1.5支撑框架设置

应根据井架的平面布置支撑框架的位置，需要考虑因素有井简装备平面布置、托罐装置、摇台、罐道及罐道梁、安全门等构件的安装及联结要求。在罐笼井架中支撑框架与托罐梁通常结合在一起。支撑框架设置深度视托罐梁的位置而定，不能影响摇台的工作范围，箕斗井架中支撑框架的顶面与井口同一标高或降低100毫米，以便设置井口防火门或安全门。支撑框架主梁支点位置一般在离开井筒外壁300～400毫米处，主梁的锚栓离开井筒内壁应大于200毫米。

1.6立架构件的布置

立架是由四个平行架或框架组成的空间结构，除承受斜撑传来的力、风荷载及地震作用外，还承受提升容器或平衡锤传来的各种力，因此立架需设置辅助构件来承担这些力，例如罐道梁、防撞梁、托罐梁等。立架构件布置应考虑以下几点。

（1）过卷制动力缓冲装置布置在提升容器或平衡锤的两侧。并且承受很大的向上拉力。因此提升容器之间或容器与平衡锤之间须布置受力很大的构件。在提升过程中，罐道梁除了承受垂直力外，还要承受双向水平力。

（2）当提升发生事故时，防撞梁承受向上撞击力，而断绳后容器或平衡锤落下，托罐梁又承受向下冲击力。这2种力都很大，但不同时发生。防撞梁截面比较大，布置在立架顶梁的下方，与立架顶梁组成刚度很大的平面，对整个井架的稳定起重要作用。

（3）立架更换容器框口内布置可拆构件，更换容器时拆除这些构件。整体计算中可不考虑这些构件的作用，而把整个框口当作铰接框架计算。

2.防腐处理

防腐处理对钢井架投入使用后的寿命十分重要，仿佛是所采用的涂料以及钢材表面的除锈等级以及其它防腐蚀技术处理，都应当符合现行国家标准GB50046-2008《工业建筑防腐蚀设计规范》和GB/T8923-1988《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》的规定中所规定的技术标准，而在刚加的设计文件中，也应该注明钢材的仿佛是等级、涂料种类以及涂层厚度。钢井架防腐蚀所采用涂料、钢材表面除锈等。应符合现行国家标准设计文件中应注明钢材除锈等级和采用的涂料及涂层厚度。

3.结语

钢井架是一个空间受力体系，主要构件受力比较复杂，其计算过程也比较繁琐，宜进行整体荷载效应计算与分析，对于布置规则的钢井架，可将其简化为若干平面框架或桁架。并利用平面分析软件计算荷载效应。这种做法在类似工程设计中取得了成功。