济宁市运河煤矿三斜腿主井井架设计

摘要　介绍济宁市运河煤矿三斜腿主井井架结构设计,内容包括:结构总体方案概述、构
造、与已建四斜腿钢井架技术经济比较。
关键词　井架　主斜腿　副斜腿
      前言
运河煤矿原设计生产能力60 万t/ a ,在主副井井筒已经开始施工的情况下,业主要求矿井的
实际生产能力要达到150 万t/ a ,因而对主井提升系统进行了修改,箕斗细长且提升速度较快,增加了过卷高度,由于原设计为减小占地,缩短原煤走廊的长度,采用半高架卸煤方式,卸载口较高,故井架总高度达58.229m。通常,该井架应采用橹式井架结构,其立架将高达40m ,高宽比较大,且立架为受压状态,轴向压缩变形较大,因而对箕斗的运行带来不利的影响,且杆件截面较大,费材料,故考虑采用四斜腿A 式井架,将立架悬挂于主斜腿上,使立架由受压
状态改为受拉状态。由于该矿井初步设计时采用井塔而非井架,场地布置较紧凑,若采用A 式井架,其副斜腿将影响到其它建筑物,经研究决定采用三斜腿钢井架设计方案。目前,关于三斜腿钢井架,国内还没有实践过,也缺少可供参考的设计资料,因此,从结构布置、结构分析到构造处理等方面都提出了新的课题。
一、结构布置
11 主斜腿倾角:主斜腿主要用以承担提升荷载,主斜腿的倾角大小则决定了主斜腿与副斜腿承担提升荷载的多少,为此在确定主斜腿倾角α(即主斜腿轴线与水平地面的夹角) 时, 应力求主斜腿轴线与钢丝绳合力作用线相重合, 以减小副斜腿承担的提升荷载。由图1 知, 提升钢丝绳工作荷载的合力有两个,其作用线互不平行,其数值也不相等,且由于提升与下降交替作用,其结果值也随之发生反复变化, 故该二力的总合力的方向与数值成为不定值, 因而主斜腿的轴线也难于与其总合力的作用线相重合。同时,从经济合理的观点分析,使主斜腿轴线与总合力的作用线完全重合也不尽合理, 因为这样将导致井架各部分承受的荷载极不均匀。本设计考虑总合力作用线位于立架与主斜腿所成夹角之间, 使副斜腿承受总合力的15 %～20 % ,主斜腿承受总合力的80 %～85 % ,最后选取主斜腿倾角α= 75.34325 度。
21 在标高41.70m 处设有一矩形平台,井架的两条主斜腿在平台角部与平台梁刚接,而另一
独立的副斜腿与对边平台梁在其中点刚接,图2示。显然,井架为一“品”字结构,其刚度中心与形心不重合,在y 向水平荷载作用下,易发生较大的扭转变形,为防止这种情况的发生。设计时考虑增大由两条主斜腿组成的平面刚架的抗侧移刚度,使其承担大部分的水平荷载,同时,通过平面刚度很大的平台为副斜腿在水平荷载作用下提供一定的侧向约束,由主斜腿组成的平面刚架的抗侧移刚度越大,为副斜腿提供的侧向约束越强;为加强由两条主斜腿组成的平面刚架的抗侧移刚度,设计时考虑了2 种方案:方案1 ,在两主斜腿之间增加一道连梁;方案2 ,在两主斜腿之间增加二道连梁,经分析比较方案2 比方案1 效果好但不明显,考虑到加工安装方便等方面因素,最终选择了方案1。

　31 立架上端悬挂于标高41.700m 平台梁上,下端可活动(竖向) 支撑于井口上,一方面,立架受力状态由受压变为受拉,改善了其受力状态,减少其截面尺寸,另一方面,减轻了用以安设立架的支承框架负担的竖向荷载;尽管立架悬挂于平台梁上,增加了主副斜腿的负担,但由于立架自重较轻,对主副斜腿产生的影响甚少。
41 主斜腿为变截面箱形截面,截面尺寸为1400 ×1400～1400 ×2000 ;副斜腿为箱形截面,截
面尺寸为1200 ×1400 ,标高41.700m 平台梁为箱形截面,截面尺寸为1400 ×1500。
二、结构分析
井架为一空间结构,毫无疑问,应按空间结构分析方法对其进行结构分析,设计过程中,采用
SAP91 软件,将井架按空间梁单元进行分析,共考虑了7 种工况,分别是: (1) 自重; (2) 平台活荷载;(3) 正常提升工作荷载; (4) 上天轮断绳,下天轮两倍工作荷载; (5) 下天轮断绳,上天轮两倍工作荷载; (6) 上天轮更换时起吊荷载; (7) X 向风荷载;(8) Y向风荷载。对各种荷载工况下,结构计算分析结果进行比较,得出如下结论:
11 荷载工况(4) 或工况(5) 作用时井架的结构内力最大,起控制作用。
21 荷载工况(1) 作用时井架的变形最大,起控制作用,其他荷载工况下,变形较小,对井架总
变形影响较小。
31 由于在结构布置时采取了上述的措施,在Y向水平风荷载作用下,井架的扭转变形较小; Y
向水平风荷载主要由两条主斜腿承担(96.5 %) ,副斜腿仅承担(3.5 %) 。由此,按《钢结构设计规范》对各个构件进行强度和稳定验算,主斜腿及副斜腿均按双向压弯构件考虑,其计算长度系数取为2.0 (下端铰接,上端不能转动但可以平移) 。
三、技术经济分析
主副斜腿高度:58.289m ,用钢量:285.522t ;立架总高度: 41.700m ,用钢量: 63.927t ; 总用钢量:
349.449t ,计:6.00t/ m。与已投产的同类型工程进行技术经济综合对比为:
11 龙口矿务局梁家煤矿主井井架,橹式,高度51m , 总用钢量371.274t , 每米高度用钢量:
7.28t/ m。
21 开滦矿务局东欢坨煤矿副井井架,四斜腿,高度47m ,总用钢量407.47t ,每米高度用钢量:8.67t/ m。
31 兖州矿务局济宁二号副井井架,四斜腿,高度52m ,主斜腿用钢量316.30t ,每米高度用钢量:6.08t/ m(不含立架) 。
41 河南永城矿区陈四楼矿井副井井架,四斜腿,高度38.65m ,总用钢量300.11t ,每米高度用钢
量:7.76t/ m。
51 山西路安矿务局常村煤矿副井井架,四斜腿,高度32120m ,总用钢量288.20t ,每米高度用钢
量:8.95t/ m。通过与已投产的同类型工程比较可见,本设计的用钢量仅为6.00t/ m(含立架) ,明显低于其他同类工程,具有较好的技术经济指标。
四、结论
该井架于1998 年8 月完成现场吊装,1998 年10 月设备安装调试完成后开始试运行,至今已运
转4 年多的时间,使用情况良好,达到了设计目的。本设计通过调整主斜腿与水平面的夹角,使其承担大部分的竖向荷载;增强主斜腿刚架平面内刚度,使其承担大部分的水平荷载,较好地解决了三条腿钢井架由于抗侧刚度不均匀,在水平荷载作用下易发生较大扭转变形的问题;该型井架与一般的4 腿A 式井架相比,减小了一条副斜腿,故具有较好的技术经济指标;同时本设计也为特殊条件下钢井架的设计提供了一定的经验。

参考文献
[1 ] 黄道生主编1 矿山特种结构1 北京: 煤炭工业出版社,1992121～75
[2 ] 国家标准1 钢结构设计规范
[3 ] 陈绍蕃著1 钢结构设计原理(第二版) 1 北京:科学出版社,1998186～89