浅谈矿山钢井架结构设计

郝宁刚　吕波

摘要：矿山开采过程中，尤其是铁矿开采必不可少的一项设施就是钢井架，其是矿山能否正常施工的关键因素，是连通井上和井下的咽喉，其重要性不言而喻，因此钢井架结构设计在矿山建设和运行中必须要给予足够的重视，在确保安全、适用的基础上，也要确保其经济性和美观性，本文就矿山钢井架结构设计做出探讨，希望为矿山开采事业做出一定的贡献。

关键词：矿山钢井架；结构设计；斜架

钢井架是矿山开采过程中重要设施，其结构设计的是否科学合理将直接影响到钢井架的质量和使用安全。钢井架和其他材料的井架作一比较，可以发现钢井架具有本身特有的优点，比如具备高强耐震、制造和安装简单，安装过程中对井口占据的时间短等等，因此钢井架在矿山中是最受欢迎的，尤其是铁矿更是必须要建设钢井架。钢井架是一个独立的空间受力体系，结构设计对其非常重要，因为钢井架的每一个构件受力都特别复杂，所以在结构设计的过程中必须考考虑到钢井架的适应性和周围环境，力求能够让钢井架结构设计科学合理满足矿井需求。

一、钢井架结构设计时需要考虑整体布局

钢井架结构布局是设计中需要进行的第一步，包括竖向布置与平面布置，这是进行矿山钢井架结构设计需要考虑的首要问题，矿山钢井架结构整体布局必须要考虑好下面这些方面：

首先，在设计的过程中必须要考虑到单斜撑钢井架它的斜撑平面中心线处于提升钢丝绳合力作用线的上面，两线间的距离越接近越好，这样能够最大程度的发挥斜撑柱材料受压作用，也能够尽量的防止矿山钢井架发生水平位移。

其次，矿山钢井架一定要注意提升容器之间或者容器与平衡锤之间必须要适当的留出布置构件的空间。这在矿山钢井架结构设计的过程中是为新工艺的应用打好基础，同时也是为了钢井架结构受力的需要。

再次，矿山钢井架斜撑的基础和提升机房的基础必须要根据需要留出合理科学的距离，这样能够防止基础发生互相碰撞。

最后，钢井架的立架平面布置不仅需要达到矿山的工艺与使用要求，而且必须要符合规定时限整体稳定的要求，两方向的边长必须要大于立架高度的十分之一。四柱在条件允许的情况下必须要落在井颈上，防止落在井口支撑框架上。立架的水平构件在设计的过程中可以将其兼做罐道梁以及托罐梁，最大程度的减少两方向边长。

（一）斜架布置

矿山钢井架结构设计中斜架布置是非常关键的一步，也是钢井架能否安全高效运行的基础，其主要作用就是来支撑钢丝绳的作用力，此外也需要担负起整个钢井架立架结构在水平荷载，例如地震荷载、风荷载等作用下，确保钢井架结构的稳定性防止倾覆的任务。但是在实际情况中非常难以确保斜架的轴线和总合力作用线的重合，此外在进行矿山钢井架设计过程中，需要注意到主斜架的轴线和受力大的一对四米天轮的提升钢丝绳合力中心相重合或者接近。尽管一对2.5m天轮中心距斜架中心偏远，可是因为它受到的力较小，且下天轮位于防撞粱平台上，斜架断面几乎没有增大，从而有效保证了斜架的轴线与总合力作用线重合。

（二）立架布置

矿山钢井架立架通常是由四片桁架或框架组成的空间结构。它除了承受斜撑传来的力、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，因此立架还要设置很多辅助构件来承担这些力。立架平面尺寸决定立架的整体刚度。立架两方向的平面尺寸除了满足工艺要求外，还不宜小于立架高度的十分之一。设计时为保证钢架的整体稳定性，控制位移，一定要在设计的时候把立架的四根立柱落在井口锁口盘上，尽量防止发生落在支承框架梁上的情况。矿山钢井架在日常工作过程中立架受拉力作用，能够在第一时间最大程度发挥钢结构抗拉强度高的优点，从经济方面来说在减小立架柱断面尺寸的同时能够在一定程度上减少用钢量。

（三）构件截面布置

工程中井架的整体位移是通过钢井架整体和构件的合理布置大体来控制的，但如果某构件截面刚度不足，失稳破坏，井架位移会猛增，以致倒塌。调整截面再计算，如此反复计算多次确定合理的构件截面。选择构件截面时先满足局部稳定的要求，各构件根据受力情况来确定构件尺寸、厚度及加劲肋的设置。满足高厚比、宽厚比、长细比等基本要求。

二、钢结构计算

作用在井架上的荷載主要有3类。一是永久荷载：结构自重、设备自重及地基变形等；二是可变荷载：提升工作荷载、钢绳罐道工作荷载、平台荷载及风荷载等；三是偶然荷载：断绳荷载、过卷荷载及地震荷载等。在定义荷载工况时可以根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，取最不利的效应组合进行设计。分别按上组天轮断绳荷载、下组天轮工作荷载，下组天轮断绳荷载、上组天轮工作荷载等各种组合进行控制计算。并按2组天轮工作情况下分别满载及空载等各种组合进行验算。确保钢井架的强度、刚度、挠度及稳定性均能满足要求。

另外对于天轮桁架及横梁荷载、防坠器荷载、缓冲器装置荷载、托罐梁荷载还应乘以不同的动力系数。对于体形复杂的井架结构应采用空间分析方法进行荷载效应计算。对于该工程中的多绳提升钢井架。可以分解为正面桁架（主要用于承担提升荷载）、侧面桁架（将两侧正面桁架联系为一个整体的平面桁架）和斜撑（承受工作荷载和特殊荷载）。

三、斜架基础设计

斜架基础计算设计主要包括基础承载能力计算、基础抗滑移计算及锚栓的计算三个方面。基于CAD三维空间建模，为斜架基础设计尺寸的精确性和可靠性提供了有力的保证。其中，拉设缆风绳是保证钢井架架体的稳定采取较多的措施。缆风绳在同一水平面内对称布置，与地面的夹角在合适的范围内，下端与地锚连接，因此地锚是保证架体稳固的基础。解决斜撑柱基础滑移问题另有两种方法：①把基础底面做成斜面，与挡土墙抗滑移原理相同；②斜撑柱基础与提升机基础用抗压地梁相连，使水平推力互相抵消，联合抗滑移。

四、总结

钢井架是矿井地面主要的构筑物，尤其是铁矿在运行的过程中对整个矿井的生产起着重要作用。在矿山钢井架设计过程中要不断总结经验，开发计算软件，不断探索、不断改进、不断创新，更好的满足设计要求。

参考文献：

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[2]高金锁，李兴坡.矿井钢井架结构设计方法探讨[J].煤炭工程.2016（02）

[3]张文斌.基于SAP2000矿山钢井架的结构设计[J].中国矿山工程.2015（02）endprint