超大井径竖井临时改绞天轮平台布置及钢梁选择计算

许辉

摘要：竖井井筒形成贯通后，凿井期间的凿井设备及设施，已不能满足井巷工程转入井底车场及大巷掘砌的需要，必须对回风竖井进行临时改绞，以便施工后期平巷工程。

Abstract： After the vertical shaft is formed， the sinking equipment and facilities during the drilling process can not meet the needs of the tunnel engineering and the underground roadway and the main roadway. The return shaft must be temporarily modified to facilitate the construction of the later roadway.

关键词：超大井径竖井；临时改绞；受力计算

Key words： super large diameter shaft；temporary modification；force calculation

中图分类号：TD538 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0242-02

0 引言

回风竖井井筒净直径10.0m，井筒深度659.7m，井筒已掘砌完成并贯通，现对井筒进行临时改绞。

1 改绞的内容

临时改绞利用原有Ⅶ型凿井井架，配置2JKZ-3.6×1.7/15.6型矿井提升机，双钩提升两个1.5T单层双车临时铝合金罐笼，考虑到下放5t无轨胶轮车的需要，将其中一个罐笼加宽为2.2m。每部罐笼设1套防坠器，1根提升钢丝绳，2根防坠制动钢丝绳，4根罐道钢丝绳。防坠制动绳的缓冲装置上端安装在天轮平台上，下部固定装置安装在井底防坠制动绳锁绳梁上；罐道绳上端固定在天轮平台上，下端固定在井底罐道绳锁绳梁上，锁绳梁均采用梁窝固定，每根罐道绳采用1套SLT-20型绳罐道拉紧装置来张紧。

2 天轮平台设计

2.1 天輪平台布置 由于回风竖井采用的是Ⅶ型凿井井架，考虑到天轮平台梁的跨距大以及天轮的载荷大等情况，我们对天轮平台做了如下布置：2个Φ3m天轮、8套钢丝绳罐道液压拉紧装置、2套防坠绳液压拉紧装置；提升天轮梁试采用HN700×300型钢、钢丝绳罐道张紧梁试采用[40b槽钢。

2.2 天轮平台各梁验算

2.2.1 天轮平台主梁的选型

2.2.1.1 提升天轮梁的选择验算 提升天轮梁试选择HN700×300H型钢，天轮梁的载荷按钢丝绳的断绳荷载进行计算：S=KSg=867kN

式中：K-钢丝绳的破断拉力换算系数取0.85；Sg-钢丝绳的破断拉力，1020kN。

①天轮荷载的竖向分力和水平分力：

Vs=[S（1+Sinα）]=1310kN；Ts=Scosα=745kN

式中：Vs-工作天轮的竖向载荷；Ts-工作天轮的水平载荷；α-提升钢丝绳的平均仰角，30.75°。

②作用在一根天轮梁上的竖向荷载V和水平荷载T：

V=（Vs+QL）/2=671.5kN；T=Ts /2=372.5kN

式中：QL-工作天轮及轴承全部重量，32.9kN。

2.2.1.2 天轮梁的内力计算 支座反力计算（如图1所示）

由∑MB=0 4.5RA-3.5V+1.02T=0，得：RA=437.8kN

由∑MA=0 1.0V+1.02T-4.5RB=0，得：RB=233.7kN

由∑x=0 H-T=0，得：H=372.5kN

作图得：最大剪力Qmax=437.8kN

最大弯矩Mmax=817.8kN·m

2.2.1.3 天轮梁的截面计算

①按照弯曲强度条件试选截面。

Wx= =5192cm3

式中：Wx-毛截面抵抗矩，cm3；C-钢梁的截面削弱系数0.9；[σ]-钢材的抗弯容许应力，按断绳荷载计算时取210N/mm2。

②按照压弯构件验算。

1）强度验算：σmax= =183N/mm2<210N/mm2

式中：σ-钢材的允许应力210N/mm2；C-钢梁的截面削弱系数0.9；Wx-梁的截面抵抗矩231.54cm2；A-梁的毛截面面积5532cm3。

τmax= =64.5N/mm2≤125N/mm2

式中：Sx-受剪截面在中性轴一侧的毛截面对中性轴面积矩，3709cm8；Ix-梁的毛截面惯性矩，193622cm4；d-梁的腹板厚度，13mm；τ-钢材抗剪切容许应力125N/mm2。

2）刚度验算：

式中：l—梁的跨度，4.5m；E-钢材弹性模量，取2.1×105N/mm2； —容许相对饶度，取 。

3）整体稳定性验算：

弯距作用平面内：

偏心率

查表得 ，则 =149N/mm2<210N/mm2

弯距作用平面外：

查表得 ，则 =157N/mm2<210N/mm2

式中：M-弯矩，最大弯矩的一半，取408.9kN·m；N-轴向力，372.5kN；lx-钢梁的长度，4.5m；ix-惯性半径，28.92cm；iy-惯性半径，6.83cm。

通过计算，所选HN700×300型钢截面强度、刚度和整体稳定性都满足要求。

2.2.2 罐道梁的选择验算

2.2.2.1 罐道梁的内力计算

支座反力计算（如图2所示），应用三弯矩方程计算支点弯矩：

MB=- × [1.7G1×2.8（4.5+1.7）+4.05G2×0.45（4.5+4.05）+1.8G3×2.7（4.5+1.8）]=-70.2kN·m

计算支座反力：

左跨：

由∑MA=0 1.7G1+4.05G2-4.5RB′-MB=0，得：RB′=145.6kN

由∑MB=0 2.8G1+0.45G2-4.5RA+MB=0，得：RA=36.1kN

右跨：

由∑MA′=0 2.7G3-4.5RB″-MB=0，得：RB″=54.1kN

则RB=RB′+RB″=199.7kN

由∑MB=0 1.8G3-4.5RA′+MB=0 得：RA′=10.1kN

作Q图和M图得：最大剪切力Qmax=145.6kN

最大弯矩Mmax=70kN·m

式中：G1、G3-取64.1kN；G2-取117.5kN。

2.2.2.2 罐道梁的截面验算

①按照弯曲强度条件试选截面。

Wx= =549cm3

式中：Wx—毛截面抵抗矩，cm3；C-鋼梁的截面削弱系数0.9；[σ]—钢材的抗弯容许应力，按工作载荷计算时取170N/mm2。

②按照压弯构件验算。

1）强度验算：

σmax= =84N/mm2<170N/mm2，符合要求

τmax= =40.7N/mm2≤125N/mm2，符合要求

式中：Wx-梁的截面抵抗矩，932cm3；Sx-受剪截面在中性轴一侧的毛截面对中性轴面积矩，649cm8；Ix-梁的毛截面惯性矩，18600cm4；d-梁的腹板厚度，12.5mm；τ-钢材抗剪切容许应力125N/mm2。

2）刚度验算：

式中：l-梁的跨度，4.5m；E-钢材弹性模量，取2.1×105 N/mm2； -容许相对饶度 ，取

3）整体稳定性验算：

查表得 =0.95>0.8，改查 =0.85

=89N/mm2<[σ]=170N/mm2

式中：b-梁的翼缘宽度，102mm。

通过计算，所选[40b槽钢的截面满足强度、刚度和整体稳定性都满足要求。

2.3 天轮平台稳定性保障措施 将天轮平台各梁用U型螺栓与井架天轮平台主梁连接好以后，将提升天轮梁和罐道绳张紧梁用角钢连接起来，使天轮平台组成一个整体，增加了天轮平台的整体稳定性，也大大增加了天轮平台的整体受力性能。

3 结语

天轮平台承载力的可行性，使回风竖井成功改绞！在临时改绞后，多台5t无轨胶轮车顺利下放，大大提高了井下运输系统工作效率。人员乘坐罐笼上下井；设备及支护材料在地面装入矿车，通过罐笼下放至井底，由胶轮车运至各工作面，矸石在井底装入矿车，通过罐笼提升至地面。整套提升系统满足矿井人员、材料、设备、矸石等上下井的提升需要，极大的缩短了建井周期，带来可观的经济效益。

参考文献：

[1]简明建井工程手册[M].煤炭工业出版社，2000.

[2]宋爱东.稳绳张紧装置在临时改绞中的应用[J].建井技术，2013，6（3）.

[3]刘耀明，秦江艳，张智山.蒙西超大直径立井临时改绞混合提升新技术[J].价值工程，2013（11）.