矿山标准凿井井架极限适用深度分析与构件优化设计.pdf

有有色色矿矿冶冶NON-FERROUS MINING AND METALLURGY第 40 卷第 2 期2024 年 4 月Vol.40No.2April 2024文章编号：1007-967X（2024）02-07-06矿山标准凿井井架极限适用深度分析与构件优化设计*孟宪雷，王悦（沈阳有色冶金设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003）摘要：凿井井架是矿山竖井挖掘阶段的主要地上设施，现有标准图编制于 1986 年。采矿行业经过三十余年的发展，现行规范、常用工艺工法已与标准图多有不同。本文依托山东烟台某金矿 1 300 m 凿井项目，梳理了井架所受各荷载间的联动-互斥关系。根据现行规范，分析了标准凿井井架的最大适用深度，分别计算了提升荷载和断绳荷载下的杆件应力，得出了最大适用深度增加的主要原因，并根据生产单位的诉求，采用空间结构模型计算方法，对标准井架构件进行了优化。关键词：凿井井架；联动-互斥机制；空间结构；优化设计中图分类号：TD262文献标识码：A1前言凿井井架是采矿工程开凿井筒时，用以悬挂吊盘、风筒等凿井设备，提升矸石、下放材料的构筑物，是矿山挖掘阶段的主要地上设施，其设计的合理性直接关系到矿山建设的安全和效率。凿井井架使用周期较短，主要受力构件具有可重复利用的优势，对其进行标准化设计，可以明显节约建设成本，缩短建设周期1，2。现有的标准化设计文件 凿井工程图册3（以下简称“图册”）编制于 1986 年，其内容涵盖了不同深度、不同设备使用工况。但经过行业三十余年的演化，其部分设计理念与现行设计规范及工艺工法存在明显的差异。主要表现在：（1）凿井深度：图册中以 1 000 m 为最大开凿深度，目前许多凿井项目开凿深度已超过上述深度；（2）终端设备：当挖掘深度超过 800 m 时，采用3 m3料斗提升矸石，目前多数项目为提升生产效率而采用 4 m3料斗；（3）荷载系数：提升荷载作为凿井井架的最大荷载值，图册中以断绳荷载作为控制荷载进行计算。按照 2018 年实施的 矿山井架设计标准4（以下简称“设计标准”），凿井井架的控制荷载采用提升荷载标准值乘以增大系数；（4）翻矸平台布置方式：图册将翻矸平台梁大致划分为两种截面，即 I20 和 40。其中 40 用于滑动溜槽支撑梁。但两种截面高度相差较多，平台使用不便，很多项目在寻求将平台梁截面统一的方法；通过上述对比可以看出，实际项目的使用需求相比图册编制阶段已经发生了巨大的变化，而以往作为标准化模块设计、安装的井架构件是否能在当前项目中安全可靠的使用，特别是当开采深度超出1 000 m 后的适用性，亟需验证5。在原有标准井架的基础上进行精细化计算或局部改造，以适应项目需求，是目前该领域的研究热点。王博等6研发双平台系统，以满足同时布置多套提升设备的需求；常新昊7等重点关注了连接节点，分析节点形式对荷载的适应性；杨可飞等8重点分析了 V 型井架设计原理，是对图册中井架设计原理讲述内容的补充。山东烟台某金矿 1300 m 凿井，拟使用型标准井架进行挖掘井筒。笔者依托该项目（下称“本项目”），根据设备实际布置方式，分别依据 图册 和设计标准，验算了在现行设计规范和实际工况下标准井架的最大适用深度，并分析了标准井架适用深度增加的原因。同时，为解决项目实施过程中的实际问题，对标准井架进行优化。2标准凿井井架结构布置2.1主井架总高度 25.0 m，三层平面尺寸分别为 12.6 m，10.0 m，7.5 m。采用 Q345B 圆钢管+摩擦型高强螺栓制作，透视及侧视图如图 1、图 2。详细型号见表 1。*收稿日期：2023-07-25作者简介：孟宪雷（1982），男，汉族，硕士研究生，工学硕士，结构专业工程师，主要从事有色金属行业结构设计工作。8有色矿冶第 40 卷图 1透视图图 2侧视图表 1井架主要构件表杆件G-1G-2G-3G-4截面（mmmm）圆管 27310圆管 29915圆管 29915圆管 29910杆件G-5G-6G-7G-8截面（mmmm）圆管 19410圆管 21910圆管 21910圆管 19414杆件G-9G-10L-x型号（mmmm）圆管 21910圆管 19410焊接 H 型钢 1 35055014252.2水平支撑系统由于风荷载、地震作用、钢丝绳拉动水平仰角的存在，井架还受到水平力。因此在翻矸平台与滑架层结构构件下部均布置了水平支撑系统。其构件截面较小，主要采用 7585 mm 等肢角钢。因该部分构件截面主要受所在地抗震等级、风荷载、钢丝绳仰角等因素影响，本文未将其作为主要分析对象。标高 10.000 m 水平支撑和标高 17.800 m 水平支撑见图 3，图 4。图 3标高 10.000 m 水平支撑（mm）图 4标高 17.800 m 水平支撑（mm）3工作平台及其荷载的联动-互斥机制井架的竖向荷载主要来自天轮平台、滑架层、翻矸平台和溜槽。3.1翻矸平台标高 10.100 m，平面尺寸为 12.6 m12.6 m。其主要作用为支撑溜槽。溜槽在矸石桶翻转后，将矸石传递至运输车辆，将其矸石运出。除此之外，翻矸平台还承担人员操作、设备临时堆放的功能，是井架上主要人员活动空间。结构构件包括活动溜槽支撑梁，平台主、次梁。翻矸平台梁布置见图 5。活动溜槽荷载传递体系见图 6。图 5翻矸平台梁布置图第 2 期孟宪雷等：矿山标准凿井井架极限适用深度分析与构件优化设计图 6活动溜槽荷载传递体系翻矸平台的主要荷载包括：（1）平台活动荷载 2kN/m2；（2）活动溜槽下放，支撑到翻矸平台后，来自溜槽的压力。包括活动溜槽和吊桶、矸石的一部分。3.2滑架层标高 17.800 m，平面尺寸 10.0 m，无人员活动。滑架层的主要功能是辅助吊桶翻转。受力包括：（1）滑架、保护伞重量；（2）活动溜槽拉起时，反作用于井架时的荷载；（3）滑架托自重。滑架层布置见图 7。图 7滑架层布置图3.3天轮平台标高 25.000 m，平面尺寸 7.5 m，是井架最主要是受力层。包括“日”字型主梁和天轮梁（次梁）。天轮梁划分为提升天轮所对应的组合梁和其他天轮所对 应 的 天 轮 梁（I56a）。天 轮 平 台 主 梁 布 置见图 8，天轮及次梁布置见图 9。图 8天轮平台主梁布置图图 9天轮及次梁布置图天轮平台主要荷载包括：（1）次梁及平台板自重；（2）天轮自重；（3）钢丝绳及终端重量、绞车提升所带来水平及竖向力、因天轮形心较高所产生的附加弯矩（上述动荷载考虑 1.3 动力系数）；（4）平台活荷载。不论掘进阶段还是安装、拆除阶段，4 个模板天轮同步作用，6 个吊盘天轮同步作用，即同类天轮为联动荷载，同时作用。各天轮的基本信息见表 2，天轮工作示意图见图 10，天轮平台受力示意图见图 11。表 2天轮基本信息表天轮动力电缆模板吊盘主提升中心回转安全梯爆破电缆副提升个数14612111天轮自重（kN）2.32.35222.32222提升重量（kN）1671172082361203539236仰角（）32.034.941.227.732.345.434.927.7天轮轴心高度（m）0.720.720.671.920.720.700.701.92水平分力（kN）142961572091022532209竖向分力（kN）1671172082361203539236图 10天轮工作示意图图 11天轮平台受力示意图910有色矿冶第 40 卷3.4固定支架与活动溜槽固定支架通过活动溜槽梁与井架结构保持联系。活动溜槽拉起时，固定支架承担活动溜槽的大部分重量。活动溜槽下放时，固定支架与井架翻矸平台共同承担活动溜槽自重及矸石、料桶的荷载。活动溜槽工作原理见图 12，现场照片见图 13。图 12活动溜槽工作原理图图 13现场照片3.5荷载互斥机制（1）主、副提升吊桶（包括吊桶和矸石重量）及配套的活动溜槽不同时作用在翻矸平台上。即翻矸平台不同时承受双侧活动溜槽荷载；（2）单侧活动溜槽作用在翻矸平台时，滑架层同侧不受拉起溜槽的反作用荷载；（3）矸石与吊桶作用在滑动溜槽上时，天轮平台提升荷载不作用，滑架层同侧不受滑架、保护伞的重力荷载；（4）下放吊盘、整体模板、安全梯及电缆时，主、副提升系统均不提升；（5）整 体 模 板、吊 盘、安 全 梯 和 电 缆 不 同 时下放。4 图册 标准 V 型井架的极限适用深度根据 图册 的分类标准，V 型井架适用开凿深度为 8001 000 m，是图册中适用深度最大的井架。随着挖掘技术的提升，国内及国外很多项目挖掘深度超过 1 000 m。对于超深部分，其荷载的变化主要在钢丝绳重量的变化。以本项目为例，钢丝绳重量平均值为 5.5 kg/m。图 14、图 15 为 V 型标准井架的主要杆件，在深度超过 1 000 m 后的应力比变化情况。图 14G-1 随深度变化应力比曲线图 15深 1 400 m 时杆件应力比曲线由图 14 和图 15 可知，在本项目中，V 型井架理论最大适用深度约为 1 400 m。其最先超载的位置为三层斜柱。当深度 1 400 m 后，可按照图中应力比由大至小的顺序调整或补强杆件。5荷载取值与荷载系数对极限承载能力的影响现行国家标准 矿山井架设计标准，借鉴了西德 矿山井架和井塔设计规范 的规定，对提升荷载标准值采用事故增大系数 1.5。同时考虑 1.3 动力系数。而 图册 则采用了断绳荷载作为控制值。以本项目为例，钢丝绳型号为 187+FC-48-1870，断绳荷载 1 720 kN，最终荷载系数取 7.5，即断绳荷载取值为 1 770 kN。旧新荷载比为 3.85。尽管现行规范减小了提升荷载的设计值，但相应提升了其分项系数和组合值系数。井架效应组合的分项系数和组合值系数见表 3。第 2 期孟宪雷等：矿山标准凿井井架极限适用深度分析与构件优化设计表 3井架效应组合的分项系数和组合值系数工作荷载断绳荷载组合荷载分项系数组合值系数组合荷载分项系数组合值系数永久荷载1.21.0永久荷载1.01.0提升荷载1.31.0断绳荷载1.00.85钢丝绳罐道1.21.0钢丝绳罐道1.00.85防坠钢丝绳1.21.0防坠钢丝绳1.00.85其他可变荷载1.41.0其他可变荷载1.00.6按工作荷载和断绳荷载计算得出的主要杆件应力比见图 16。图 16两种方法计算得出的主要杆件应力比根据图 16，相比断绳荷载计算方法，按现行规范所得出的杆件应力比出现明显的下降，下降比约为 20%，且最大应力比构件由竖向斜支撑转化为竖向斜柱。由此可知，标准井架实际承载能力超出 图册设计值的主要因素，即荷载设计值由断绳荷载调整为提升荷载。这种调整，在保持主要杆件规格不变的情况下，可使用更大吊桶，从而提升生产效率；可使用更优质的钢丝绳，从而提升安全冗余度。但同时也对生产企业的安全管理提出更高要求，在生产过程中，严禁出现错误操作以至于造成钢丝断绳。表 4井架提升能力对比表图册本项目吊桶体积(m3)34终端荷载(t)12.220.8钢丝绳拉断力(kN)11351710凿井深度(m)100013006翻矸平台优化设计翻矸平台是井架主要操作平面，其结构布置除应满足受力要求外，尚应满足平台上人员走动安全、平台下操作舒适的要求。按照 图册 的做法，翻矸平台梁次梁采用 20a。因活动溜槽荷载较大，活动溜槽支撑梁采用 40a。以上情况，造成了平台各梁高差达到 200 mm，无论将高差上置或者下置，均会影响平台使用，须对平台结构进行优化。优化目标为，将图 17 中 40a 钢梁压缩为 I28a。图 17 图册 平面连续梁体系（mm）图册 分析活动溜槽支撑梁所采用的结构体系，即平面连续梁体系。并考虑平台 200 kg/m2的活动荷载。按上述体系，活动溜槽支撑梁（40a）控制项为强度，应力比约为 0.9，无优化空间。为尽量压缩活动溜槽支撑梁与平台梁的截面高差，本文引入空间结构体系。利用“翻矸平台不同时承受双侧活动溜槽荷载”的互斥机制，将两侧的滑动溜槽支撑梁翼缘连接，使两根梁共同承担一个滑动溜槽的重力。空间结构体系见图 18 所示。图 18空间结构体系溜槽支撑梁采用 I28a，通过上下翼缘连接板（宽300 mm，300 mm）连接滑动溜槽支撑梁，活动溜槽梁可视为其四个空间支点。活动溜槽支撑梁局部节点如图 19 所示。1112有色矿冶第 40 卷图 19活动溜槽支撑梁局部节点平面连续梁体系下所得滑动溜槽支撑梁弯矩图见图 20，该方法没有考虑两根梁之间的相互协作机制，所以在单根梁受弯时，平面外弯矩为零，另一根梁弯矩为零。图 20平面连续梁体系弯矩图（kNm）图 21空间结构体系弯矩图（kNm）空间结构体系下所得滑动溜槽支撑梁弯矩图见图 21，该方法通过翼缘板传递荷载，另一根梁的弯矩如图 2223。由于上下连接板的作用，使两根支撑梁产生绝对值相等的平面外弯矩。图 22空间结构体系对侧梁强轴弯矩图（kNm）图 23空间结构体系对侧梁弱轴弯矩图（kNm）按照空间结构体系计算后，活动溜槽支撑梁采用 I28a，考虑双向受弯后的应力比，可控制为 0.81。从而实现了优化目标。7结语（1）多个荷载间的联动互斥工作机制，是区别凿井井架与普通钢结构塔架的关键性因素。将联动荷载拆分成不同工况，或将互斥荷载同时加载，都将使计算结果出现严重偏差。（2）凿井井架标准化设计文件 凿井工程图册中的主要杆件，按照现行井架设计规范，承载力尚有余量。在本项目条件下，理论极限适用深度大约在1 400 m；次要杆件，如角钢支撑、天轮棚等，须根据项目所在地风荷载、钢丝绳仰角等做具体设计。（3）现行井架设计规范对提升荷载的数值进行了调整，由断绳荷载调整为提升荷载荷载系数。这种调整使井架承载能力实现了提升，也对安全生产提出更高要求。（4）翻矸平台梁截面尺寸统一，可以提升凿井工作效率。通过空间结构计算模型，可以实现活动溜槽支撑梁截面的大幅优化。该设计方法比平面连续梁方法更先进。（5）鉴于现有标准图编制年代久远且与现行规范存在差异，建议对标准图进行适当的更新、升级。参考文献：1 谭杰，刘志强，宋朝阳.我国矿山竖井凿井技术现状与发展趋势 J.金属矿山，2021（5）：13-24.2 谢军，田玉萍，谢军娜.V 型钢管凿井井架快速安装作业方法J.中州煤炭，2008（6）：66-67.3 王介峰.凿井工程图册 M.北京：煤炭工业出版社，1988.4 王宗祥，邵一谋，马中成.矿山井架设计标准（GB50385-2018）s.5 罗海艳，赵丹，司德凯.新型凿井井架结构国内外的研究现状J.科技视界，2015（1）：350.6 王博，刘志强，杜健民.双平台大型立井凿井井架设计方法J.煤炭科学技术 2017，45（11）：161-167.7 常新昊，王博，刘志强.凿井井架空间 KK 型钢管板节点极限承载力研究 J.现代矿业，2021，37（10）：167-172.8 杨可飞.V 型凿井井架设计 J.山东矿业学院学报，1982（2）：103-115.Analyses of the Extreme Allowed Depth of Standard Sinking Shaft Headframeand Optimal Design of its Construction MembersMENG Xian-lei，WANG Yue（Shenyang Nonferrous Metallurgy Design&Research Institute Co.，Ltd.，Shenyang 110003，China）Abstract:Sinking shaft headframe is the main installation above the ground during the sinking shaft excavating period.Current standard atlas was formed in 1986.After more than 30 years development of mining industry,there are so many differences between standard atlas and design code or conventional process.Depending on the project with 1 300 metres sinking shaft in Yantai of Shandongprovince,the synchronous-incompatible relationship between the loads was sorted out.According to current design code,the extreme allowed depth of standard sinking shaft headframe was figured out.The stress ratio was calculated respectively by using thehoisting load and broken rope load,then the main reason why the standard headframe have more allowed depth was found out.According to the demands to solve the problem of producer,spatial models was adopted to optimize the members of headframe.Key words:sinking shaft headframe;synchronous-incompatible relationship;spatial models;optimization design