摘 要 运河煤矿主井井筒装备采用了钢-玻璃钢罐道代替球扁钢组合罐道，冷弯矩形型钢罐道梁代替工字钢罐道梁，采用电弧喷涂长效防腐代替油漆防腐。对设计改进的主要过程和方法及技术经济效果进行了比较。
关键词 井筒装备 钢-玻璃钢罐道 冷弯矩形型钢罐道梁 设计改进
运河煤矿位于山东省济宁市境内，为济宁市煤炭冶金工业公司落陵煤矿的接续矿井，原设计生产能力0.6Mt/a，1995年8月矿井正式开工。应建设单位要求，1996年8月进行了设计调整，设计按1.5Mt/a的综放面生产能力对矿井各主要系统进行核定调整和配套，生产系统也相应进行简化，主井井筒装备由原1对6t多绳箕斗、钢罐道、玻璃钢梯子间(层间距4m)改为1对8t多绳箕斗、玻璃钢梯子间(层间距6m)。修改后的井筒平面布置与修改前基本相近，故井筒装备结构也基本相似。
根据井筒装备技术的最新进展状况，设计对井筒装备构件材料、结构及防腐方法进行了改进，改进后的井筒装备首次在山东地方煤矿立井井筒中采用了钢-玻璃钢复合材料罐道、冷弯矩形型钢罐道梁及电弧喷涂防腐技术。改进后的井筒装备结构受力合理、材料省、防腐效果好，技术经济效益显著。
1 原设计概况
主井井筒位于矿井工业场地中央，净径φ4.5m，全深为528.7m，井筒内装备1对6t多绳箕斗，提升钢丝绳最大终端荷载252.16kN，球扁钢组合罐道和25b型工字钢罐道梁、玻璃钢梯子间(层间距4m)。罐道梁层间距为4m，所选用的罐道强度和刚度均满足要求，见图1。根据所选用的井筒装备构件材料性能和防腐技术现状，设计上对井筒装备钢结构构件均采用当前常用的涂刷有机防腐漆的防护方法。
图1 设计改进前井筒平面布置
1—工字钢罐道梁；2—球扁钢罐道；3—6t多绳箕斗
2 改进后设计概况
为使改进后井筒装备技术上更先进，经济上更合理，保留了原井筒平面布置的形式与结构，而从材料性能和防腐方法两个方面着手改进。设计参考当前井筒装备技术发展，对罐道和罐道梁进行了方案比较，确定选用冷弯矩形型钢罐道梁代替工字钢罐道梁并采用电弧喷涂防腐技术，以钢-玻璃钢罐道代替球扁钢组合罐道，见图2。
图2 设计改进后井筒平面布置
1—冷弯矩形型钢罐道梁；2—玻璃钢罐道；
3—8t多绳箕斗
2.1 钢-玻璃钢复合材料罐道
长期以来，我国一般采用金属组合罐道，由于井筒淋水有酸、碱性，对井筒装备腐蚀严重，使其强度降低。调查资料表明，由于井筒装备长年处于淋水潮湿环境中，腐蚀速度平均1a可达到厚0.2～0.5mm。因此，钢罐道使用寿命一般在10a左右，含酸、碱性水大的井筒，其装备构件寿命更短。
为解决以上问题，在该井井筒中采用了钢-玻璃钢复合材料罐道，截面采用全封闭式，选用一定厚度的钢板焊接成矩形作钢芯，再在其外面敷设1层一定厚度的具有强度高、耐磨、耐腐蚀、阻燃性能好、抗静电的玻璃钢保护层，钢芯内侧涂刷1层树脂胶作为内防腐层。
该罐道外观平整、光滑、规格尺寸精确，预计使用寿命可达30a以上。
该罐道材料设计，在外形规格尺寸确定条件下，主要依据钢芯钢板厚度来保证罐道强度和刚度，也即先选定罐道钢芯钢板的厚度，计算出罐道截面系数Wx，Wy和惯性矩Ix，Iy，根据提升容器钢丝绳最大终端荷载Q的大小，按德国经验公式计算出作用于罐道上的垂直水平力Px=Q/12和侧向水平力Px=0.8Py，并求出罐道内的最大弯矩Mmax和最大挠度fmax，通过验算其刚度fmax=〔f〕和强度σ≤〔σ〕，最终确定其型号和截面尺寸。
井筒设计中，罐道每根长12m，罐道梁层间距为6m，罐道按两跨简支梁受力模型计算，按终端荷载252.16kN计算确定罐道截面尺寸为200mm×180mm，采用8mm厚钢板作为钢芯，外包4mm厚玻璃钢作为防腐层。
2.2 冷弯矩形型钢罐道梁
冷弯成形的封闭形型钢特点是材料的硬度和强度高，力学性能优于现有的工字钢、槽钢及其他组合的普通热轧型材。作为一种经济高效钢材，比截面周边厚度不均匀的焊接结构钢组合罐道梁可节省材料约1/4。此外，由于其采用整体冷弯制成封闭型，减少了焊接工作量，抗腐蚀性能好，现场加工简单，有利于缩短安装周期和节约加工费用，技术经济效益明显。
冷弯矩形型钢现已定型生产多种规格型号，其技术特性见表1。
冷弯矩形型钢罐道梁型号，按以下步骤选用：初选出规格Wx,Wy,Ix,Iy，按德国经验公式计算出作用于罐道梁上的水平力Py=Q/12和垂直力Pv=0.25Py，求出罐道内的最大弯矩Mmax和最大挠度fmax=〔f〕，最终确定其型号。
在井筒装备设计中，经过计算，确定选用180mm×180mm×8mm冷弯矩形型钢做罐道梁，其强度和刚度均满足要求。为了与钢-玻璃钢复合材料罐道的使用相配套，该罐道梁设计采用电弧喷涂防腐，其使用寿命可达30a以上，与钢-玻璃钢罐道使用寿命基本相同，提高了井筒装备设计的整体效益。
3 技术经济比较
钢-玻璃钢罐道、冷弯矩形型钢罐道梁的应用改变了传统的井筒装备形式，在材料选型和构件形式上有了突破，井筒装备使用寿命可达30a以上，故能减少井筒装备构件更换次数。
表1 冷弯矩形型钢技术特性
| 型钢规格 (高/mm×宽/mm×厚/mm) |
截面积 /cm2 |
理论质量 /kg*m-1 |
惯性矩/cm4 | 截面系数/cm3 | |||
| Ix Iy | Wx Wy | ||||||
| 160×160×8 | 46.4 | 36.5 | 1 741 | 1 741 | 213 | 213 | |
| 180×180×8 | 52.8 | 41.5 | 2 546 | 2 546 | 283 | 283 | |
| 200×200×8 | 59.2 | 46.5 | 3 566 | 3 566 | 357 | 357 | |
| 220×220×8 | 65.6 | 51.5 | 4 829 | 4 829 | 439 | 439 | |
| 200×120×8 | 46.4 | 36.5 | 2 386 | 1 079 | 239 | 180 | |
| 220×140×10 | 63.7 | 50.0 | 3 910 | 1 945 | 355 | 278 | |
| 250×150×10 | 71.7 | 56.3 | 5 687 | 2 584 | 455 | 345 | |
| 100×5×5 | 13.4 | 10.5 | 158 | 52 | 32 | 21 | |
| 150×80×6 | 25.2 | 19.8 | 710 | 264 | 95 | 66 | |
| 100×100×6 | 31.2 | 24.5 | 1 310 | 524 | 146 | 105 | |
| 200×120×10 | 55.7 | 43.77 | 2 717 | 1 230 | 272 | 205 | |
| 改进后的井筒装备基本保持了原设计平面布置形式和几何特征，仅改变了构件材料和防腐方法。设计改进前后井筒装备技术经济效果比较见表2。
表2 设计改进前后井筒装备技术经济效果比较 |
| 项 目 | 设计改进前 | 设计改进后 | |
| 井筒装备 | 构件材料 防腐方法 |
工字钢罐道梁，球扁钢组合罐道 油漆 |
冷弯矩形型钢罐道梁，钢-玻璃钢罐道 罐道梁用电弧喷涂，罐道用玻璃钢 |
| 罐道 | 列数/根 每根长度/m 质量/kg*m-1 材料费及防腐费/元*层-1 |
4 12 47.48 16 685 |
4 12 43.5 17 098 |
| 罐道梁 | 质量/kg*m-1 每层数量/根 每层质量/kg 材料费及防腐费/元*层-1 |
62.8 2 467.23 3 982 |
56.18 2 417.98 5 100 |
| 使用寿命/a 特点 |
10 焊接量大，加工费用高，使用寿命短 |
30 加工容易，施工方便，受力合理，使用寿命长 |
| 由表2可见，设计改进后比设计改进前罐道及罐道梁材料单位质量有所降低，罐道梁层间距增至6m，使井筒减少了36层罐道梁，相应减少了防腐和安装工作量，累计钢材用量由原设计的39.4t降至33.9t，综合费用由80.9万元降至66.6万元，但由于采用电弧喷涂防腐，其初期投资比设计改进前增加7%左右。改进前每年都要发生油漆维护费用50万元，至多10a就要更换井筒装备；而设计改进后，使用寿命大大增加，可减少更换2次井筒装备构件，节省构件材料费用及安装费用70万元，减少停产2～3个月，增加出煤10～15万t，带来经济效益1 000万元。此外，采用冷弯矩形型钢罐道梁，由于其加工精度高，安装方便，可缩短安装工期约30%。 综上分析可见，该井筒装备的设计改进，在技术上是先进的，经济上是合理的，效益明显，为地方煤矿立井井筒装备设计提供了新的经验 作者简介 作者单位：原煤炭工业部济南设计研究院，250031 |
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