矿山特种结构设计 凿井井架

3凿井井架凿井井架也称掘进井架，是一种临时井架，主要用来支承天轮平台并承受立井施工时提升矸石、运送人员和物料的荷载，以及悬吊凿井设备的荷载。当井筒施工完成后，一般要经过改绞，将凿井井架换成生产井架，以满足矿井生产提升的需要，因此它是煤矿建井工程中最重要的施工结构物之一。3.1钢凿井井架的型式与构造凿井井架按所用的材料来分，主要有木制的和钢制的两种。木井架由于防火性能和承载能力较差已经被淘汰，因此目前工程中主要采用钢制凿井井架，钢凿井井架的型式以亭式为主，如图3.1所示。3.1.1钢凿井井架的型式1-天轮房2-天轮平台3-主体架4-卸矸台5-扶梯6-基础

凿井井架结构型式首先必须满足凿井施工工艺的技术要求，此外还应满足以下几个方面的要求：结构简单，杆件数量少；重量轻，用料省；加工制造容易；运输、安装和拆卸方便；受力性能好；整体稳定性好等。亭式钢凿井井架由于良好的生产、施工及力学性能，在实际工程中应用最为广泛。3.1.2钢凿井井架的构造

1、天轮房天轮房位于井架的顶部，它主要用来安装和检修天轮，以及保护天轮平台，防止雨雪侵袭，因此天轮房上通常还覆以层面部分。在结构上天轮房主要由4根角柱、上部横梁、交叉连杆及两条钢轨起重梁组成，其安装简图如图3.2所示。

1-角柱2-横梁

3-斜撑4-交叉连杆

5-钢轨起重

图3.2天轮梁安装天轮房结构净高一般取D/2+2m（D为主提升天轮直径），其平面尺寸与天轮平台相同。天轮房各构件一般采用型钢，当没有适合的型钢时也可以根据设计采用焊接截面。角柱通常采用由两个角钢组成的十字形截面（图3.3a）；上部横梁采用两个槽钢组成的工字形截面（图3.3c）；水平交叉连杆可采用单角钢或两个角钢组成的T字形截面；斜撑由于受力较小通常采用单角钢（图3.3b）。

图3.3天轮房构件截面形式2.主体架主体架主要用来承受天轮平台的荷载，并将其传递给基础。主体架是一个由4片梯形桁架组成的空间结构，上部用螺栓与天轮平台的中梁及边梁连接，下部则立于井架基础上，其安装简图如图3.4所示。

图3.4主体架安装简图主体架沿高度的节间划分，主要决定于主体架本身和卸矸台的高度，此外还应尽量沿高度大致相等。这样可使角柱在各节间的自由长度相等，以便合理选择角柱截面。主体架的角柱和腹杆，通常采用无缝钢管，因为主体架的主要构件都是按轴心受压计算的，而无缝钢管恰好在各个方向都具有相等的稳定性，能够充分的发挥钢材的力学性能。为保证井架具有较好的空间稳定性，在主体架内部受力较大的第一层水平高度处，设置水平连杆，从而形成一个网格状结构（见图3.4中剖面II-II）。水平连杆还可用来支承卸矸台。为了缩短连杆的跨度和传递卸矸台的荷载，还采用四根斜向拉杆将水平连杆悬吊在主体架的上部第二层的四个角节点上。3.卸矸台卸矸台是用来翻卸矸石的工作平台，通常布置在主体架的下部第一层水平连杆上。根据受力大小它的主梁和次梁可采用工字钢或槽钢。梁上设置方木，用U形螺栓卡紧，然后铺设木板，如图3.5所示。1、2-卸矸台横梁；3-溜漕梁；4-卸矸门轴承支梁；5-溜矸槽；6-溜矸槽闸门；4-卸矸门；8-卸矸平台；9-吊桶；10-翻笼；11-翻笼回转轴承支架；12-滑轮；13-卸矸门电动启闭装置；

14-溜矸槽独立支架图3.5卸矸台4.扶梯扶梯时主体架内上下各平台之间的联系部分，通常由3个梯段组成，其中第一段梯子平台设在卸矸上。梯梁采用扁钢，踏步采用圆钢，扶手和栏杆采用扁钢或角钢，梯子平台采用槽钢和网纹钢板。5.基础凿井井架由于结构型式比较简单，荷载较小，因此在4个柱脚处各设一个独立基础。独立基础施工比较简单，但承载力和整体性较差，各基础间缺乏联系，容易使结构产生不均匀沉降。独立基础一般设在柱下，常用断面形式有踏步形、锥形、杯形，凿井井架基础采用截锥形，分别支承主体架的。基础混凝土的强度等级不应低于C20。由于柱脚与地面有一定的倾斜角度，因此基础顶面应是倾斜的，并与角柱中心线垂直，而基础底面是水平的，如图3.6所示。

图3.6井架基础3.1.3钢凿井井架的尺寸

凿井井架的主要尺寸是指井架高度、井架顶部和底部的平面尺寸。确定这些尺寸的原则是：使用方便；结构简单；井架稳定；造价低廉等。井架高度是指井口水平至天轮平台的垂直距离（图3.7），其值H可用下式计算：h1——自井口水平至卸矸台高度；h2——吊桶翻转所需高度；h3——吊桶、钩头、连接装置和滑架的总高度；h4——提升过卷高度；D——主提升天轮的直径。图3.7井架高度计算图井架顶部的平面尺寸，即为天轮平台的平面尺寸，取决于悬吊凿井设备的天轮数目及其布置方式。井架底部的平面尺寸，即为天轮平台的平面尺寸，取决于悬吊凿井设备的天轮数目及其布置方式，应满足下列要求：（1）主体架角柱基础应离开井壁一定距离，使井壁不致受到井架基础荷载引起的巨大侧压力作用。当采用冻结法凿井时，应使井架基础能够避开冻结管沟槽；（2）井架在井口周围所形成的空间，应能满足施工人员正常工作和运输的需求。同时井架必须有足够的净空间，使大型凿井设备进出方便；（3）保证井架具有足够的抗倾覆稳定性。

目前我国煤矿建井采用的凿井井架主要是钢管井架，共有九个型号，其中I、II、III、IIIG、IV、IVG型井架的形式见图3.1，新IV型和V型井架的形式如图3.8所示。除V型井架有一种采用Q345钢外，其他井架均为Q235钢。它们的主要尺寸和重量见表3.1，适用条件和计算依据见表3.2。

图3.8新IV、V型凿井井架

新Ⅳ型和V型凿井井架是大直径深井立井施工机械化配套的新型设备，是目前应用较为广泛的井架形式，具有以下一些特点：（1）底层两根斜向大腹杆相交于卸矸平台上方节间中央，腹杆布置比较合理，底层空间开敞，井口操作方便，有利于大型设备进出和翻矸溜槽设置。（2）井架结构四边等稳定性，因此井架抗扭抗振性能好。井架支脚上设有横向联杆，在卸矸台上方节间四角隅处亦设置有横向联杆，增强了井架的整体刚度。（3）井架几何尺寸参数选取合理，有利于天轮平台布置，大型凿井设备进出和汽车运矸，同时避免井架基础占据冻结管沟槽位置。（4）井架承载能力大，悬吊设备多，能满足多种复杂作业的需要（5）井架通用性和适应性强，设计时考虑了提绞吊挂设备的不利布置与井架受力的不利因素。3.2钢凿井井架荷载及荷载组合

3.2.1荷载的分类作用于井架结构上的荷载，可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载三类。永久荷载指长期作用在井架上的不变荷载，包括结构自重、附属设备重和地基变形等。结构自重主要包含天轮房、天轮平台、主体架和扶梯重量等。附属设备重包含整套天轮重量、卸矸台重量以及井架围壁重量等。根据国家标准《工程结构可靠度设计统一标准》GB50153的规定，地基变形认定为永久作用。

可变荷载指井架在使用过程中可能发生变动的荷载，包括提升工作荷载、钢绳罐道工作荷载、防坠钢绳工作荷载、平台活荷载、起重架安装荷载、罐道梁工作荷载和凿井工作荷载等。偶然荷载是指因偶然事故而作用在井架上的荷载，包括断绳荷载、防坠器制动荷载、过卷荷载、托罐荷载和地震作用等。3.2.2荷载的确定1永久荷载标准值的确定（1）结构自重标准值钢井架的自重不包括设备重、钢梯重和密闭板重。（2）附属设备重标准值设备主要包括天轮、轴承、罐道、起重设备、卸载装置、防坠器、四角罐道以及安全门等，不同的工艺设备也有所不同，此部分重量应该由工艺确定。（3）地基变形引起的作用可根据实际地基情况考虑。2可变荷载标准值（1）提升工作荷载标准值当箕斗或者罐笼上提时：当箕斗下放时：当罐笼下放时：其中、Smax,Smin分别为提升钢绳的最大、最小静张力；a为提升加速度；g为重力加速度；f为运行阻力系数，可取0.1（2）钢绳罐道工作荷载标准值钢绳罐道自重及拉紧力的标准值应该由工艺确定，其作用在井架固定钢绳罐道的节点上。（3）防坠钢绳工作荷载标准值防坠制动钢绳工作荷载为钢绳拉紧力与钢绳自重及固定在井架上的缓冲装置和缓冲绳自重的总和，应由工艺确定。（4）平台活荷载标准值天轮平台、检修平台荷载标准值当工艺无特殊要求时，单绳提升可采用3.5kN/m2、多绳提升可采用5.0kN/m2，钢梯及其他休息平台可采用2.0kN/m2。（5）起重架安装荷载标准值该部分荷载应由工艺根据安装方式确定。6）罐道梁工作荷载标准值、水平荷载可由式确定：垂直荷载可由式确定：(7)凿井提升工作荷载标准值凿井工作荷载参照原西德《矿山井架和井塔设计规范》的规定，采用事故增大系数1.5，不再考虑断绳荷载，可由式3.2确定：式中，1.3为动力系数；η为凿井事故增大系数，可取1.5；PQ为容器、载重以及钢绳等的总重量。（8）风荷载标准值风荷载分纵向和横向风荷载，纵向指提升方向，横向指垂直于提升方向，应按式3.3计算：式中，φ为挡风系数，对不封闭立架及起重架应取0.6-0.7；当立架封闭时应取1.0;对于析架式斜撑，横向作用时应取2.0，纵向作用时应取0.5；箱形断面斜撑可按实际断面.横向作用时应取2.0，纵向作用时应取1.0；为风振系数，βz根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定选取；μs为风荷载体型系数，应取1.3；μz为风压高度变化系数，根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定选取；wo为基本风压，根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定选取，或按当地气象资料确定，但不应小于0.3kN/m23偶然荷载标准值(1)断绳荷载标准值断绳荷载对于单绳提升时一根为断绳荷载，另一根为两倍工作荷载；对于多绳提升时一侧为所有钢绳的断绳荷载，另一侧为所有钢绳的0.33倍断绳荷载。断绳荷载采用整根钢绳的拉断力，即为0.85倍全部钢丝拉断力的总和。（2）防坠器制动荷载标准值防坠制动荷载一般仅用于单绳提升井架的设计，是指在断绳时，容器下坠过程中，防坠器将下落的容器抓住，通过防坠器工作，作用于固定在立架顶部的防坠器支座处。防坠器制动荷载可按右式计算：式中，3.0是动力系数；为提升钢绳的最大静张力。（3）防撞梁荷载标准值防撞梁荷载按式3.5进行计算：式中，4.0是动力系数；为提升钢绳的最大静张力。（4）缓冲装置荷载标准值缓冲装置(此处特指楔形罐道)荷载标准值是按传统的楔形木罐道设置所产生的力，不适用于其他新型的防过卷装置。对于选用其他过卷装置时，应有可靠依据并提供防过卷荷载标准值，该荷载可按下式计算：式中，2.0是动力系数；（5）托罐荷载标准值托罐荷载标准值可按式3.7计算：式中，5.0是动力系数，是参照原西德《矿山井架和井塔设计规范》的规定，取5倍的最大静张力。（6）地震作用标准值凿井井架地震作用的计算根据《构筑物抗震设计规范》（GB50191-2012）的规定进行计算。3.2.3荷载的组合

设计凿井井架结构构件时，井架应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态，分别进行荷载效应组合，并取各自的最不利的效应组合进行设计。对于承载能力极限状态，应按荷载效应基本组合或偶然组合进行荷载效应组合，并可采用下列设计表达式进行设计：对工作荷载基本组合：对偶然组合:（1）断绳、防坠制动荷载组合:（2）地震作用组合:应符合现行国家标准《构筑物抗震设计规范》（GB50191-2012）的规定。1承载力极限状态组合对于以提升工作荷载控制的基本组合，荷载效应组合设计值应按式3.8计算：式中，为永久荷载的分项系数；为第个可变荷载的分项系数，其中为可变荷载的分项系数；为风荷载的分项系数；为按永久荷载标准值认计算的荷载效应标准值；为按可变荷载标准值计算的荷载效应标准值，其中为诸可变荷载效应中起控制作用者；按风荷载标准值计算的荷载效应标准值；为第个可变荷载的组合值系数；为参与组合的可变荷载数。在基本组合中的设计值仅仅适用于荷载和荷载效应为线性的情况。2对于偶然组合，荷载效应组合的设计值计算应考虑是断绳、防坠制动荷载效应起控制作用还是地震作用效应起控制作用，当无法确定是应分别计算并取两者间的较大值。（1）当断绳、防坠制动荷载效应起控制的组合，应按下式计算：式中，SA1k为按照断绳荷载标准值A1k计算的荷载效应标准值；SA2k为按照防坠制动荷载标准值A2k计算所得的荷载效应标准值，在计算时断绳荷载A1k与防坠制动荷载A2k不同时出现，根据实际情况只选取其中一种。（2）当地震作用效应控制的组合，应按式3.10计算：式中，γG为永久荷载的分项系数；γEH、γEV分别为水平和竖向地震作用分项系数；γW为风荷载的分项系数；SGE为重力荷载效应代表值；SEHK为水平地震作用标准值的效应值；SEVK为竖向地震作用标准值的效应值；SWK按风荷载标准值计算的荷载效应标准值；ψW为风荷载组合值系数，当井架总高度小于或等于60m时可不考虑风荷载的影响，其可取0，当井架总高度大于60m时其值可取0.2。对于承载能力极限状态荷载效应组合的分项系数和组合值系数，可由表3.3确定：对于承载能力极限状态地震作用效应组合的分项系数和组合值系数，可按表3.4确定。对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载标准组合和准永久组合进行计算，其变形、裂缝的计算值，不应超过相应的规定限值，并可采用下列设计表达式进行设计:式中C为结构或结构构件变形、裂缝的规定限值。(2)标准组合，可按式3.12计算:式中为第i个可变荷载的组合值系数。（2）准永久组合，可按式3.13计算：式中，为第i个可变荷载的准永久值系数。对于正常使用极限状态荷载效应组合的组合值系数和准永久值系数，可由表3.5确定起重架安装荷载、罐道梁工作荷载、凿井提升工作荷载、防撞梁荷载、缓冲装置荷载和托罐荷载的分项系数可取1.3。对设有两台提升机的井架，应只考虑其中一台提升机断绳，另一台提升机应为正常工作。3.3钢凿井井架主体井架的计算

3.3.1主体井架的荷载计算作用在主体井架上的荷载可分为竖向荷载与水平荷载。竖向荷载主要包括作用在天轮平台主梁支承处的竖向荷载以及井架自重等荷载，水平荷载主要包括作用在天轮平台主梁两端支承处的水平荷载与风荷载。为简化计算，井架的自重计算时平均分配的主体架的各个节点上，卸矸台的荷载通过斜向吊杆传递到主体架上部第二层的节点上。作用在天轮平台主梁两端支承处的水平荷载也就是主梁在支承处的水平反力，但方向相反。在同一根主梁轴线上的水平荷载应该取其代数和。风荷载是沿着水平方向作用在井架上，计算时可将风荷载根据作用面积集中在桁架节点处作为集中荷载来处理。取上片桁架和下片桁架高度的各一半作为受风面积，然后与风荷载相乘即为节点处风荷载，其计算简图如图3.9所示。图3.9主体桁架节点风荷载计算示意图3.3.2主体井架的内力计算根据图3.9所示的结构计算简图，该结构为一次超静定的桁架，可用力法进行计算。计算时首先要去掉一个多余约束，通常去掉一个支座处的水平链杆，并用多余未知力代替多余约束，从而得到力法的基本体系，如图3.10所示。根据力法的基本原理和方法，进行内力的计算。

图3.10主体桁架力法计算基本体系3.4钢凿井井架基础的设计计算

3.4.1基础荷载的计算

井架基础的荷载主要是由主体架柱脚传递来的，并取四个基础中的最大值作为计算荷载来进行基础设计计算。计算荷载考虑基本荷载和风荷载组合效应，主要包括井架自重、附属设备重、所有钢丝绳的工作荷载以及风荷载。计算时将荷载分为水平荷载与竖向荷载，如图3.11所示。图3.11井架基础计算示意图1基础顶面荷载计算：沿方向的水平荷载为：沿方向的水平荷载为：式中，RV1、RV2为相邻两片桁架在该基础上的竖向反力；RH1、RH2为相邻两片桁架在该基础上的水平反力。2基础底面荷载计算竖向荷载为：荷载对轴产生的弯矩为：荷载对轴产生的弯矩为：式中，G为基础和其上土的重量，可不考虑此部分重量偏心的影响；e为竖向荷载N0到基础底面形心的偏心距。3.4.2基础的验算1地基承载力验算在荷载作用下基础底面会产生压应力，压力的大小与荷载、基础底面的形状和尺寸有关。基础的受力主要包括轴心受力和偏心受力，基底的压应力不能大于地基承载力设计值，因此计算时应该按照轴心荷载作用和偏心荷载作用两种情况分别进行验算。当轴心荷载作用时，基地平均压力为：当偏心荷载作用时，最大压应力为：式中，A为基础的地面面积；Mx、My为外荷载对基础底面x轴和y轴产生的偏心距；Wx、Wy为基础底面对x轴和y轴的抵抗矩。井架基础底面的压应力必须符合下式要求式中，f为地基承载力设计值。当偏心弯矩较大时，有可能在基础底面上产生拉应力，导致基础底面与地基脱离接触，这在工程上是不允许。因此，计算时不但要计算基础底面的最大压应力，还需要计算最小压应力，并应满足：

即：为减小地基偏心引起的地基不均匀沉降等问题，地基底面的压应力应尽量均匀，最大压应力与最小压应力相差不要过大。2基础顶面混凝土承压强度计算根据图3.11所示基础受力情况，垂直于井架基础顶面的法向荷载为：式中，α为基础顶面与水平面间的夹角。因此，基础顶面的承压强度可按下式计算：式中，Ac为井架柱脚底板的面积；fc为基础混凝土的抗压强度设计值。

从而可以得到基础顶面的面积为：

由上式可以得到基础顶面所需的面积，进而选择基础顶面的尺寸。一般设计时需要留出一定的富裕宽度，通常每边各留出50-150mm。在基础顶面荷载也会产生切向的力，该力可由井架柱脚底板与基础表面的摩擦力承担。如果切向力大于摩擦力时，可在底板下设置