矿山钢井架结构设计问题研究

王 琨，耿 璐

（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

矿山开采使用的钢井架是在开采过程中的一项至关重要的设施，为了保证钢井架的稳定性和安全性，需要科学合理地完成钢井架的结构设计工作。钢井架较其他材料来说主要有以下几个明显的特点：抗震强度高、结构简单易操作、使用周期长等，可以广泛应用在矿山的开采工程中。由于钢井架结构是一个结构复杂、独立空间的受力体，在设计中需要重点关注钢井架安装区域的周边环境，以此考虑钢井架所承受的适应能力，以期设计合理的钢井架来满足矿山开采的需要[1]。

1 矿山钢井架结构布置设计

1.1 矿山钢井架结构布置设计原则

钢井架作为矿山开采过程中的重要一环，其结构的布局设计是首当其冲需要关注的重点，主要包括横向和竖向的布置，要想科学合理的设计好钢井架结构的布局，主要考虑以下几个方面原则：

首先需要注意的是在单斜撑钢井架中，用于提升钢丝绳的合力作用线上边是斜撑平面的中心线，两条线之间的距离越近越好，以使斜撑柱材料发挥其最大的受力作用，避免矿山钢井架产生移动。

其次是在提升容器之间预留出一定的空间来布置矿山钢井架结构，尤其是在提升容器和平衡锤之间。不仅是应用新工艺的需要，也是钢井架结构受力要求的需要，在矿山钢井架设计中要特别注意。

再次，矿山钢井架相关的基础之间需要预留一定的空间以避免基础之间相互干扰，从而有利于钢井架的稳定性和安全性，例如斜撑和提升机房的基础等等。

最后矿山钢井架的施工需要符合相关规定的要求，在保证钢井架的稳定性的和安全性的前提下，满足使用需求，且结构要符合规定的设计要求，立架的平面布置两端的边长需要十分之一长的立架高度。在井劲上设置四柱，避免落在井口的支撑结构框架之上。为了减少两端的边长，可以将立架的水平构件同时设计成罐道梁和托罐梁。

1.2 矿山钢井架结构布置设计

1.2.1 斜架布置

斜架布置在矿山钢井架的结构设计中非常重要，关系到钢井架的安全性和稳定性。斜架的布置能够对钢丝绳产生有力的支撑作用，同时也承载着来自钢井架结构本身所带来的荷载，如风和地震等水平荷载，斜架支撑能够保护钢井架结构，其三角构架能够提高钢井架的稳定性，防止钢井架倾斜和倒覆。一般情况下，在矿山钢井架的设计和施工过程中，斜架的中心轴线很难重合于综合力作用线，但是需要注意的是主斜架的中心轴线很容易就重合于受力大的一对四米天轮的提升钢丝绳合力中心线，这一对距离斜架中心较远的天轮受力小，斜架的断面很难增大，这样就能使斜架的轴线重合于钢井架的总合力作用线。

1.2.2 立架布置

矿山钢井架的立架是一个空间范围的结构，由四片桁架构成。除了水平方向的风荷载、地震荷载外，支架还承受着来自多个结构的荷载，如斜撑、提升容器以及平衡锤等，这就导致支架需要多个辅助结构来共同承载来自不同结构的荷载。立架的整体强度由其平面尺寸所决定。立架两端的长度要大于十分之一的立架高度，以保证钢井架的稳定性，避免出现位移的现象，在井劲上设置四柱，避免落在井口的支撑结构框架之上。立架在实际工作中能够使钢井架在受到拉力之后发挥其刚强度的优势，使立架柱断面尺寸能够减小，减少钢材料的使用，从而降低造价成本[2]。

1.2.3 构件截面布置

矿山钢井架合理布置其构件能够最大程度上避免井架的位移，不合理的构件设计和布局，或者构件遭到一定的破坏或刚度减弱，就会破坏到井架整体的稳定性，增加井架位移的风险和程度，最终导致倒塌。因此需要仔细计算和检查构件截面，根据各个构件受力情况，选择合适的构件结构、厚度、尺寸和加劲肋等，确定科学合理的构件截面布置，提高矿山钢井架的整体强度和稳定性。

2 荷载及荷载效应组合

钢井架所承受的荷载主要有三种：永久性荷载、可变荷载以及偶然荷载。这三种荷载根据其自身的特性进行分类，自重即永久性荷载，人为操作及风力等为可变荷载，突发事件及地震等自然灾害为偶然荷载。当各类荷载同时出现时，需要进行矿山钢井架结构上的荷载效应组合以应对来自各种情况下要承受的总荷载。

通过计算各种组合主要包括上、下组天轮断绳荷载和上、下组天轮工作荷载等的工作情况来保证矿山钢井架的稳定性，并且通过各项检验和复查来确保其刚度和强度，以满足在满载或空载的情况下依旧能够保障钢井架的安全性。

在荷载计算中还要注意以下几种荷载所对应的动力系数，如托罐梁荷载、缓冲器装置荷载、防坠器荷载、天轮桁架及横梁荷载等。运用空间分析法对结构复杂的钢井架进行荷载的分析和计算，可以将多绳提升钢井架分解成三个结构进行荷载计算：承担提升荷载的正面桁架、可将正面桁架连成整体的侧面桁架以及承载其他荷载的斜撑结构。

3 钢井架结构计算

按照钢井架结构安全等级来说，一般情况下分为两级，对其进行极限状态下的承载力计算时需要注意对其结构和构件的安全性和稳定性进行验算，防止出现位移和倾覆，对于易产生变形的结构还要注意变形量的预估和验算。一般来说，运用弹性理论来分析钢井架的结构荷载效应是常用的手段。对于结构复杂的平面桁架空间钢结构，需要采用空间分析法来计算荷载效应，对于钢井架的整体结构的分析和计算一般采用迈达斯系列的结构分析方法和手段[3-5]。

针对布局合理、有规则的矿山钢井架，在荷载效应计算时可以将井架拆分成几个平面构架和桁架来方便分析和数据采集。单绳和多绳提升钢井架可以分解成三个结构进行荷载计算：承担提升荷载的正面桁架、可将正面桁架连成整体的侧面桁架以及承载其他荷载的斜撑结构。单绳提升钢井架的荷载的传递途径是上部天轮桁架将力传递给钢井架分解的三个结构构件，最后利用PKPM计算软件对STS模块进行分析和计算天轮桁架、头部桁架、正面桁架、侧面桁架及斜撑所承载的荷载。

4 斜架基础设计

斜架基础设计的计算有三个方面的内容：基础承载能力、基础抗滑移、锚栓，使用CAD进行空间建模，保证斜架基础设计计算的准确性。为确保矿山钢井架的稳定性，多使用拉设缆风绳的方法来连接地锚，在水平方向上对称分布，使地面与缆风绳在一定范围内形成合适的夹角以保证地锚的强度。目前有两种可以解决斜撑柱基础位移的方法，一种与防止挡土墙位移的原理相似，是将斜撑柱改造成斜面状态的基础地面，另一种是用抗压地梁将提升基础与斜撑柱基础连接在一起，使水平方向上的推力中和，以防止斜撑柱基础的滑移问题[6]。

在进行斜架基础设计时，钢结构井架斜撑与基础的连接应为铰接，斜撑牛腿采用弧形支座，支座可采用45号高强钢制作。基础混凝土强度等级不得低于C30，二次浇灌层如果采用细石混凝土，其强度等级应不得低于基础混凝土强度等级。斜撑基础顶面宜配置不少于两层层距100mm的钢筋网，钢筋直径不应小于8mm，间距不应大于200mm。斜撑基础沿锥面四周宜配置一层钢筋网，钢筋直径不应小于8mm，间距不应大于300mm。除此之外，井架斜撑基础还应设置沉降变形观测点。

5 结语

综上，钢井架作为矿山开采主要的建筑构造物，对矿山的生产开采起着至关重要的作用。笔者对矿山钢井架结构设计相关问题进行了梳理总结和分析，在以后的设计过程中，要不断总结和创新，为矿山开采提供有力的保障。