凿井井架的加工选型与起立技术

2023-08-18陈钉

中国科技纵横 2023年5期

陈钉

（中煤建设集团有限公司，北京 102218）

凿井井架是矿井开凿建设中必要的建井设备，属于临时性的井架。其主要作用是悬吊凿井设备以及承担运输人员、物料和矸石外运的荷载。凿井井架主要由主体架、天轮房、扶梯、卸矸台以及基础组成，其内部节点的空间结构较为复杂。为了保证其较强的承载能力和稳定性，其内部立柱常常布置成三角形，杆件安装角度要求十分严格。且每一个杆件的节点上均由多个法兰在不同的方向上进行连接。因此，在凿井井架设计加工时，特别要注意连接杆件的长度尺寸、连接角度等条件因素[1]。一旦杆件出现加工质量问题，或者是出现安装角度误差的话，都无法保证杆件与其连接件的正常连接，导致安装困难并影响矿井的开凿建设。同时，作为大型的钢结构井架，如何保证井架的平稳起立也是需要认真研究的内容。

1.凿井井架的型式与构造

凿井井架也称掘进井架，是一种用于承载各种负荷的钢结构架，是煤矿建井工程中最重要的施工结构物之一[2]。目前，最为常用的凿井井架结构型式为亭式钢凿井井架。该类型井架由于具有良好的力学性能，且结构简单、质量轻便、加工制造和运输安装都比较容易，因而在实际工程中应用最为广泛。亭式钢凿井井架的构造主要包括以下几个部分。

1.1 天轮房

天轮房位于井架的顶部，它主要用于保护天轮平台，防止其受到雨雪侵袭。此外，天轮的安装与检修也需要通过天轮房进行。天轮房结构净高的选择主要与天轮尺寸有关，其高度通常为主提升天轮半径＋2m，平面尺寸与天轮平台同水平。天轮房一般为钢结构构筑物，由不同规格的型钢、角钢等焊接搭建而成。

1.2 主体架

主体架是整个井架的主体部分，主要用来承受天轮平台的荷载，并将其传递给基础。主体架基本由钢材质杆件连接搭建而成，其四面呈梯形桁架空间结构；梯形桁架内部空间则由杆件搭建为多个三角形结构，从而保证了主体架的整体稳定性。主体架下部立于井架基础上，上部用螺栓与天轮平台的中梁及边梁连接。主体架沿高度可分为多个节间，每个节间在高度上大致相等。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。主体架内部第一层水平高度处是其内部受力较大的部位，此处设置了水平连杆使其内部形成了网格状支承结构，从而保证了井架具有较好的空间稳定性。水平连杆还可用来支承卸矸台。

1.3 卸矸台

卸矸台通常布置在主体架的下部第一层水平连杆上，来翻卸矸石，通常采用工字钢或槽钢构造。

1.4 扶梯

扶梯通常垂直设置于主体架内，通常由3 个梯段组成。上部两个梯段分别设置在卸矸台和天轮房。扶梯扶手和栏杆采用扁钢或角钢，踏步采用圆钢，梯梁采用扁钢，梯子平台采用槽钢和网纹钢板。

1.5 基础

基础是井架与地面连接、过渡的部分，一般采用钢筋混凝土材质，4 个独立的基础分别设置在井架的四个柱角处。井架所有的受力荷载最终全部由基础承担，因此要求四个基础必须稳定可靠，不会产生不均匀沉降。凿井井架基础的断面形式一般采用截锥形。为达到其稳定性要求，基础混凝土的强度等级不应低于C20。基础顶面应呈一定的倾斜角度与角柱中心线保持垂直，而基础底面是水平的。

2.凿井井架的设计要求

2.1 足够的承载能力

凿井井架在工作时要承担矸石外运、人员物料提升等各种负荷，因此对其承载能力具有很高的要求。这就需要我们从井架的设计、选材、加工制造等方面采取措施，以保证其足够的强度、刚度和稳定性。

2.2 足够的过卷高度

为防止井架在使用中出现滑架与天轮平台梁相撞等事故，井架设计时，要有足够的过卷高度。此外，设计时还要考虑吊桶翻转高度、连接装置和滑架高度、过卷高度、提升天轮公称半径等因素，留有足够的高度余量，以保证其能够安全平稳使用，减少事故的发生。

2.3 天轮平台和角跨距尺寸满足施工要求

天轮平台和角跨距尺寸设计时，需要充分考虑到对于吊盘吊挂、锁口盘安装、设备材料运输、凿井设备悬吊等方面的使用需求。使井架天轮平台和角跨距尺寸与施工时凿井悬吊设施、井筒的断面相适应。

3.凿井井架的制作与加工

随着计算机制图软件以及各种自动化加工设备的应用，凿井井架制作的精度已经很高，杆件制作时的误差和焊接变形量已经很小。这也为井架安装奠定了良好的基础。可有效提高工程质量，保证工程进度[3]。

3.1 加工准备

井架杆件制作前，应做好相关设备材料的准备。包括割管机、角度样板、杆件加工模具、豁口样板等。杆件加工模具的使用保证了杆件加工的安全、便捷和标准统一，同一构件号的管件可互换安装。加工模具的长度由井架构件中的最长管件确定，模具底座由型钢加工制作而成，使用前在水平地面上找正位置后加以固定。加工模具底座的一端装可移动法兰；另一端装固定法兰，应保证两法兰孔在同一水平上，不得有扭转的现象。使用时，根据需加工杆件的长度来回移动可移动法兰，以便制作出不同规格长度的构件。为了保证管件加工长度规格的一致，可在加工同一规格构件时，在可移动法兰一方焊接限位块，以防止管件在加工时出现长度误差。

3.2 主要制作工序

3.2.1 管件的制作

管件制作前，根据井架的类型和尺寸，对制作所需的所有管件按照规格的不同统计其数量。然后合理安排管件的制作，合理下料，以最大程度地节约管料。

3.2.2 法兰盘的制作

制作法兰盘时，首先利用切割机制作出法兰盘的外型轮廓，在法兰中心按照一定的孔径大小钻凿工艺孔。然后以中心孔定位，在分度盘中心固定定位销并压紧，旋转分度盘钻孔。这样即可最大程度保证孔的同心，保证了每个法兰孔的位置，从而减少了随机误差。

3.2.3 插板的制作

插板的制作需要使用到三角函数方面的数学理论。根据图纸上的尺寸，在插板样板上做出各短管的边线、中心线以及焊接法兰的参照线。在主管与插板相交的特殊点进行标记，然后利用切割机下料。利用样板在下好的料上留出短接上法兰的参照线、边线以及特殊点。

3.2.4 短接的制作

将下好料的短接放在法兰上，将法兰上的孔做为基准画出豁口线，然后再利用豁口样板将其豁口割开。为了防止焊接变形，可通过点焊方式将法兰与短接焊接在一起，将两短接背对背放置后用螺丝固定后再行施焊。

3.2.5 主立柱的制作

主立柱的制作主要利用模具，在计算机CAD 的辅助设计下焊接完成。在模具帮助下，将立柱两端法兰对接点焊上。以两端法兰孔为基准，找准插板开豁口的位置，使用豁口模具开插板豁口，然后在豁口处安装插板。使用水平仪找正位置后点焊。然后使用角度样板安装另一插板点焊，从而保证两插板夹角的正确性。对法兰位置、插板夹角等进行检验确定无问题后，再根据图纸安装短接。在对应点上点焊加强筋，并使用插板进行二次固定，以此来防止焊接过程中可能出现的焊接变形，然后施焊。

4.大型凿井井架的组装与起立

为了保证足够的提升高度和过卷高度，大型凿井井架具有比较高的井架高度。这也导致了大型井架比较高的重心，增加了井架起吊和起立中的风险。施工安排不当的话，甚至会发生偏架甚至是倒架事故。大型凿井井架的安装与起立，基本上都是井架主、副斜撑组装方向与凿井设备呈90°角布置。在地面分别将井架主、副斜撑整体组装后，再采用超90°角大翻转的方法起立合拢。井架安装的具体做法如下。

4.1 井架组装

主斜撑和副斜撑是井架设计和组装时作为基准的两个平面。

在地面组装时，可首先以扇面的形式分别对主斜撑和副斜撑进行组装。组装完成后，由吊车吊装整体起立。

可以分别将主斜撑和副斜撑各组装成一个扇面，然后整体起立。在地面组装斜撑时，按照标定好的中心线和各段位置，由斜撑底端开始沿各段水平方向逐渐向前行进施工。经过测量后，在地面标注好井架腿脚在地面的位置，找平找正各斜撑的位置和尺寸。然后按照三角形交叉的形式进行各斜撑的组装，待组装到转折点以上位置后，停止施工。在组装斜撑的同时，安装底部与基础之间的翻转铰链，起立抱杆。然后利用抱杆，由滑车、稳车等起吊设备，将已经组装好的下半部分井架吊起至一定高度后，保持不动。然后根据设计，在上半部分组装位置制作好临时组装平台。将已经在地面组装好的上半部分用吊车吊装到临时平台上。根据井架设计图纸，利用水平仪等仪器确定水平位置，找平找正。水平位置确认无误后，利用井架起吊设施，以上半部分为基准调整下半部分斜腿，找正对接，并校核井架整体尺寸。再次对位置尺寸等进行确认，确认无误后，焊接焊缝，完成井架整体组装。

4.2 抱杆组装起立

下半部分井架组装完成后，进行双抱杆的组装起立。双抱杆组装完成后，然后利用吊车挂住抱杆顶端将其慢慢吊起。当抱杆起立高度超过凿井井架高度之后停止起吊，调整各钢丝绳，使抱杆保持竖立状态。然后在吊车不再受力的情况下，摘掉吊钩并将吊车开到不影响施工的安全区域。

4.3 井架的调整

在井架整体组装完成后，其重心可能并不在井架提升中心线上，容易导致井架重心不稳，影响井架的安全性和稳定性。在立放井架过程中，由于井架重心不断偏移并向下滑落，极易产生冲击现象；特别是在起吊重物时容易发生偏架，甚至是倒架事故。这就需要对井架的重心进行调整，以保证其重心与井架提升中心线相吻合。首先经过测量找到井架的几何中心线，将井架虚拟成相对于提升中心线对称的结构。然后按相对应侧实体重量补齐进行计算，可使用专门的液压移架装置对井架进行微调，以使其重心与井架提升中心线相吻合，偏移量控制在要求范围内。

4.4 基础倾覆验算

井架采用大翻转法起立时，基础所承受的井架水平推力与井架水平推力方向相反，致使基础的稳定性变差。同时，在井架副斜撑高度的限制下，井架起吊点设置要低于正常水平。继而造成井架起吊力增大，井架对基础的水平推力增大，影响基础的稳定性。在井架对基础长期的水平推力作用下，增加了井架偏移和倒塌的风险。对此，应在井架起立时对井架与基础之间的水平推力、井架抗倾覆能力等进行验算。不能满足要求的，应对基础进行局部的加固处理。

5.井架加工与起立中的一些关键性技术

5.1 准确的受力计算

凿井井架做为大型的承重设施，保证其重心与井架提升中心线相吻合，保证井架各部分受力均衡是其稳定工作的关键。这就需要分析井架的受力情况，做好准确的受力计算。根据井架重心和受力特点，以保持井架整体平衡为原则，选择最佳的起吊位置，并确定起吊力的大小。同时，还要检查地锚、铰链、滑轮组等起吊受力部件的母材强度、焊接强度、偏心荷载等，留有安全余量，以确保起吊过程的安全。