纳林河二号煤矿主井井塔设计*

刘彦东

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

乌审旗蒙大矿业有限责任公司纳林河二号煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗无定河镇，生产能力800万t/a。该矿井设2个主井井塔，一号主井井筒直径6.0 m，二号主井井筒直径6.5 m，井深均为550 m，2个主井井塔工艺布置、结构型式相近。提升机采用上海冶金机械厂的6绳摩擦轮提升机，直径5 m，井塔设一对箕斗，每个箕斗载重40 t，自重62 t。

1 结构选型

1.1 结构分类

立井井塔的结构型式应根据平面布置、竖向布置、工艺设备布置、矿井通风方式、气候、地震烈度、地基条件、服务年限等条件综合比较后确定。目前国内广泛应用的是钢筋混凝土结构井塔，主要有框架、筒体结构、箱形、箱框形等，钢结构井塔较少应用。框架结构的优点是空间大、材料用量少，造价低，设备布置灵活；缺点是井塔刚度较小，结构延性较差，抗震性能差。筒体结构承载能力及抗侧刚度均较大，结构安全度较高，耐久性好，滑模施工方便；其缺点是结构重量大，混凝土用量大，施工周期较长，综合费用高[1-5]。

1.2 选型确定

框架结构适用于较低的且提升能力小的井塔，筒体结构适用于平面尺寸较小的井塔。纳林河二号立井井塔采用外箱内框的结构型式，外箱上设壁柱，位置与内柱对应，在柱与外箱之间设框架梁，该结构型式将箱形及框架2种结构形式结合起来，优缺点互补，竖向荷载主要由内柱承担，外箱主要提供抗侧刚度和体现多道设防。

2 平面及竖向布置

2.1 平面布置

总体布置：井塔的平面尺寸26 m×21 m，井塔的左上角布置楼梯间，右上角布置电梯间，分开布置减小刚度集中。井塔外箱的4个角部为了保证整体刚度，且满足楼、电梯间的自然通风，开1 500 mm宽的小窗，中间跨之间开较大的窗，开窗的位置兼顾外立面的效果，窗户均匀对称布置。

首层布置：内柱首先要避开上部提升系统的罐道留洞、提升孔留洞，还应考虑井筒及周围冻结管的布置，应避开井壁一定距离，由于工艺布置井筒右偏，为了传力直接，该井塔布置6个内柱。考虑运输煤炭的出口位置尽量设置在井塔的中间跨内，避免布置在井塔的角部，对剪力墙开洞造成应力集中。皮带机尾部分用隔墙与主空间分开，防止煤炭灰尘污染。如工艺需要，还需设置存在备用箕斗的空间。本层平面布置如图1所示。

提升大厅层布置：本层的设备主要有提升机及其配套减速器、电机等，主要的房间有配电控制室、司机操作室。在布置上首先要满足工艺设备的布置、安装距离及检修场地要求，其次要使得提升机大梁的传力简单直接。司机操纵室应正对提升机布置，且要求视线良好，能够清楚地观测到提升机的运行情况，对面的窗户挂窗帘，防止太阳光线对司机操作的影响。如果空间允许，卫生间尽量布置在本层，该工程由于地方受限布置在大厅层的下一层。本层平面布置如图2所示。

2.2 竖向布置

各层标高：主井井塔的竖向布置主要满足矿井的提升系统设置，其受煤层、防撞梁层、导向轮层、提升大厅层高度由工艺确定。首层标高为±0.0 m，受煤层标高为15.5 m，防撞梁层标高为48.8 m，导向轮层标高为54.722 m，提升大厅层标高67.072 m，提升大厅层上设100 t吊车，轨面标高78 m，结构总高度83.5 m。

装备布置：导向轮层至大厅层高度为12.35 m，层高过大，在中间设一层设备层，布置变频器室、风机房等，风机房内冷却空气所经过的墙面做法选用磁漆墙面，保证空气质量。导向轮层的高度应满足导向轮安装和检修要求，设备层的高度应考虑大厅层梁的高度，并保证人员及设备的正常通行。由结构专业控制的空层有3层，层高均取11.1 m。正负零以下距基础顶有4.5 m的高度，为了减小首层结构高度，方便热风道、排水、电缆等接入井筒，在地面设架空层。井塔内设封闭楼梯间一部，客货两用兼消防电梯一部，额定载重量1 t，额定速度1.5 m/s，保证从首层至顶层的运行时间不超过60 s。首层及空层电梯相邻两层门地坎间距超过11 m，在中间设置安全门，高度不小于1.8 m，宽度不小于0.35 m。竖向布置及1-1剖面如图3所示。

图3 竖向布置及1-1剖面

3 结构受力分析

立井井塔的结构安全等级为一级，结构重要性系数取1.1，抗震设防类别为重点设防类。

3.1 荷载及取值

井塔荷载：立井井塔的荷载除正常的永久荷载、可变荷载外还有摩擦轮事故荷载和过卷荷载。其中摩擦轮事故荷载是在提升容器全速提升的过程中，意外地受到某种阻碍，而使提升容器突然卡住，或者由于操作失误和电控失灵，引起容器过卷被楔形罐道和防撞梁卡住，而提升机仍继续向上提升容器，导致一侧提升钢丝绳全部被拉断[6-7]。摩擦轮事故荷载是井塔结构计算最关键的荷载。

荷载取值：《矿山提升井塔设计规范》[8]给出的提升机直径>4.0 m，提升机大厅层楼面活荷载取25～30 kN/m2，本工程提升机直径5 m，取30 kN/m2。摩擦轮事故荷载根据规范取1.33倍摩擦轮一侧所有钢丝绳破断力之和，过卷荷载根据规范取4倍提升钢丝绳最大静张力。

3.2 结构验算

采用中国建筑科学院PKPM软件，考虑正常使用工况、过卷工况(2个)、提升机电机短路工况、提升机摩擦轮事故工况5种工况进行计算[9-11]。当计算摩擦轮事故工况时，作用在导向轮上钢丝绳荷载取一侧所有钢丝绳破断力之和，摩擦轮事故工况仅用于提升机大厅层及下一层构件计算，荷载效应及抗力应满足式(1)要求

(1)

式中，Sd—荷载组合效应设计值；Rd—结构构件抗力设计值；SGk—按永久荷载标准值计算的荷载效应标准值；SAk—按摩擦轮事故荷载标准值计算的荷载效应标准值；ψQi—第i个可变荷载的准永久值系数，楼面活荷载取0.6，钢丝绳罐道荷载取1.0，风荷载取0.2；SQik—第i个可变荷载标准值计算的荷载效应标准值。

计算过卷工况时，过卷荷载的方向是向上的，不考虑楼面均布活荷载，永久荷载分项系数取0.9，过卷工况与正常使用工况控制防撞梁层的配筋。

3.3 抗震设计

本工程所在区域地震基本烈度为6°，框架及剪力墙的抗震等级为二级。

楼板开洞影响水平力的有效传递：标高15.5 m受煤层、标高26.6 m层考虑装卸箕斗，从吊装孔至套架留洞楼板贯通开洞，楼板开洞率23%；空层楼板有吊装孔开洞、套架开洞等，楼板开动率在15%左右。设计中板厚取0.15～0.2 m，双层双向配筋，加大开洞周圈梁的截面和配筋，补强楼板刚度，保证水平力的有效传递。

层刚度和质量分布不均匀：井塔层高因受工艺的限制，层高差异较大，首层层高15.5 m，空层层高11.1 m，防撞梁层层高5.922 m，导向轮层层高7.5 m，设备层层高4.85 m，而且井塔的主要设备集中布置在提升大厅层和导向轮层，层刚度和质量分布极不均匀。设计中保证门窗洞口上下对齐布置，剪力墙双向均匀布置，且上下连续，空层层高尽量一致，尽可能保证竖向刚度的连续性，减小刚度突变。

3.4 主要构件截面尺寸

内柱从基础顶至防撞梁层取1 100 mm×1 100 mm，防撞梁层以上取1 000 mm×1 000 mm；外箱墙从基础顶至防撞梁层取400 mm，防撞梁层至提升大厅层取350 mm，提升大厅层以上取250 mm；外箱扶壁柱从基础顶至防撞梁层取800 mm×1 000 mm，防撞梁层至提升大厅层取600 mm×1 000 mm，提升大厅层以上取600 mm×800 mm。提升机基础梁跨度11.2 m，截面取1 120 mm×4 000 mm。

4 基础设计

场地位于毛乌素沙漠边缘地带，以砂土为主，地质勘查最大揭露深度为50 m，未见岩石层。基底的土层为松散细砂土，地基承载力特征值fAk80 kPa，不能直接作为持力层，采用钢筋混凝土灌注桩加梁筏的基础型式，受力明确，承载力高，沉降量小。灌注桩采用C35的混凝土，桩径取0.8 m，桩长38 m，桩数104跟，单桩承载力特征值为3 800 kPa。在冻结管周围的桩采用后注浆施工，减小冻融循环对桩承载力的影响。桩位选择时考虑把桩尽量布置在竖向传力构件下和井筒一周冻结影响区域，筏板及基础梁底标高-6 m，厚度取1.5 m。基础平面布置图如图4所示。

图4 基础平面布置

5 结语

主井井塔是煤矿生产的重要建筑物，通过对纳林河二号煤矿的主立井井塔的结构选型、平面布置、竖向布置、荷载取值、受力分析、抗震设计及基础设计做一些介绍，可以为以后工程提供参考。在设计过程中可以明确的是，井塔工程首先要满足工艺的提升要求，而与普通民用高层建筑在使用功能和受力特点上有显著的不同，在设计中还有诸多因素需要做进一步的研究论证，例如，壁柱的剪力墙稳定验算，设计中应考虑设备振动的影响及相关的构造要求，以及如何实现大型井塔的钢结构设计等。