矿山标准凿井井架极限适用深度分析与构件优化设计.pdf
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1、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
2、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
3、“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
4、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
5、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:
6、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
7、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
8、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
9、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);
10、(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)14296157
11、2091022532209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
12、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
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