礦山豎井施工中液壓平衡吊具的研制與應用

楊宗仁 張西坤 史學偉

(1河北大直徑工程井建設有限公司 河北石家莊 050031)

(2河北建設勘察研究院有限公司鉆探機械廠 河北石家莊 050031)

(3黑龍江省第一地質(zhì)勘察院 黑龍江牡丹江 157011)

1 引言

機械鉆井法施工礦山豎井,具有機械化程度高、勞動強度低、生產(chǎn)安全、成井質(zhì)量好等特點。其中預制鋼筋混凝土井壁的起吊、運輸、安放是關(guān)系到鉆井法施工礦山豎井質(zhì)量和安全的重要環(huán)節(jié)。單節(jié)預制鋼筋混凝土井壁的重量一般在150噸左右,大型礦山豎井單節(jié)井壁的重量達到200噸以上,單節(jié)長度一般為5～6m,設置有12～16個預埋吊點,它的起吊、運輸、安放等工作需要借助龍門吊等大型起重設備完成。龍門吊游動吊鉤和井壁吊點之間連接的吊具是整個鋼筋混凝土井壁起吊、運輸、安放環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設備。我公司經(jīng)過幾年的礦山豎井施工,井壁安放的起吊由傳統(tǒng)的使用鋼絲繩索吊具連接,發(fā)展到目前的使用液壓平衡吊具起吊、運輸鋼筋混凝土井壁。

2 鋼絲繩索連接起吊鋼筋混凝土井壁

鋼絲繩索連接起吊鋼筋混凝土井壁是使用鋼絲繩索將混凝土井壁的預埋吊點與龍門吊的游動吊鉤直接連接在一起,每兩個吊點使用一根獨立的鋼絲繩索連接。鋼絲繩索的規(guī)格由井壁的單個吊點所承受的重量來確定。鋼絲繩索連接起吊方法存在的問題:

(1)由于各個吊點鋼絲繩索套相互獨立,在加工制作使用鋼絲繩索套時很難保證其長度完全一致或井壁的預埋吊點不能保證在同一個水平面上時,出現(xiàn)起吊井壁過程中吊點和鋼絲繩索受力不均勻的現(xiàn)象,易產(chǎn)生破壞,存在重大安全隱患。

(2)由于吊索和井壁的端平面存在一定的夾角α,井壁起吊、運輸過程中,鋼絲繩索沿井壁徑向方向有水平分力,預制好的井壁初期強度較低,剛滿足起吊運輸強度時,徑向水平分力易導致鋼筋混凝土井壁產(chǎn)生破壞。當夾角α越小時,沿徑向方向產(chǎn)生的水平分力越大,對井壁的破壞影響越明顯。

(3)使用鋼絲繩索起吊井壁,鋼絲繩索與井壁端平面的夾角α應滿足一定的要求,當井壁吊點的中心圓直徑為 D時,鋼絲繩吊索的最小長度為L=D/2cosα。要求起重龍門吊要有足夠的有效起重高度。當井壁的預制場地面積有限,需要將井壁疊放起來存放時,一般龍門吊的有效起重高度無法滿足需要。

(4)使用鋼絲繩索連接起吊井壁,由于各個吊點的鋼絲繩索受力不均勻時,有時會導致起吊的井壁不能自動調(diào)整水平,井壁安放連接時,相鄰兩節(jié)井壁在井孔對接時垂直度的不易調(diào)整,影響井壁的連接質(zhì)量及豎井的垂直度。鋼絲繩索連接起吊混凝土井壁示意圖見圖1。

圖1 使用鋼絲繩索連接起吊鋼筋混凝土井壁示意圖

3 液壓平衡吊具起吊鋼筋混凝土井壁

使用鋼絲繩索起吊存在的問題是:各個吊點在工作過程中是相互獨立的,不能通過吊具的自身結(jié)構(gòu)調(diào)整各個吊點的受力完全均勻,給井壁的起吊、運輸、連接安放等環(huán)節(jié)帶來不安全因素和施工操作上的不方便。液壓平衡吊具是通過其自身的結(jié)構(gòu)形式調(diào)整工作狀態(tài)時各個吊點的受力相同,有效解決了傳統(tǒng)的鋼絲繩索連接起吊多吊點、大重量物件工作不易解決的技術(shù)問題。

3.1 液壓平衡吊具的工作原理及結(jié)構(gòu)形式

液壓平衡吊具的工作原理:如圖2所示,在吊盤與起吊重物之間使用數(shù)個液壓油缸連接,將液壓油缸的無桿腔和有桿腔分別串連,組成兩個閉合的液壓回路。在起吊重物的作用下,活塞吊桿所受拉力為:

式中:F—起吊重物作用下油缸吊桿所受的拉力;

P—起吊重物作用下有桿腔回路內(nèi)的壓強;

S—吊桿活塞的截面積。

圖2 液壓平衡吊具工作原理示意圖

根據(jù)液體傳遞壓強的原理,有桿腔閉合回路內(nèi)作用在各活塞處的壓強P相同,當每個油缸吊桿活塞的截面積S相等時,在起吊重物的作用下,各個液壓活塞吊桿和起重物吊點所受的拉力F相同:

式中:G——起吊物的重量;

N——液壓油缸吊桿的數(shù)量。

液壓平衡吊具的結(jié)構(gòu)型式:液壓平衡吊具(如圖3所示)的主要構(gòu)件是圓形吊盤2和液壓油缸4,在吊盤的上面安裝有吊座1,龍門吊的游動滑輪組通過鉸接的形式與吊具的吊座1連接。在吊盤下面的圓周方向不同中心距的位置均布有一定數(shù)量的液壓油缸4,油缸的殼體端部通過鉸鏈與吊盤2連接,將所有液壓油缸的有桿腔和無桿腔分別用高壓油管串連在一起,形成兩個閉合的回路。油缸的活塞桿前端連接有吊桿5,吊桿5通過鉸鏈與鋼筋混凝土井壁的預埋吊點連接,通過龍門吊實現(xiàn)鋼筋混凝土井壁的起重、運輸作業(yè)。起重量200t液壓平衡吊具的油缸直徑為100mm,活塞直徑為150mm。吊盤選用厚度為25mm的鋼板和型鋼組焊制成。為方便運輸,通過法蘭連接將吊盤做成可拆解的組合型式。在吊盤的圓周方向,安裝有不同系列中心距的鉸鏈,通過調(diào)整油缸所在的中心距位置,可以滿足起吊不同直徑鋼筋混凝土井壁的要求。

圖3 液壓平衡吊具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 液壓平衡吊具的工作特點

(1)根據(jù)液壓平衡吊具的工作原理,在使用吊具起吊、運輸鋼筋混凝土井壁時,吊具的可伸縮液壓吊桿在閉合的液壓回路里,能夠有效保證井壁各個預埋吊點和吊具的吊桿受力完全相同。避免了使用鋼絲繩索吊具起重作業(yè)過程中,井壁吊點受力不均一的現(xiàn)象,保證了起重作業(yè)過程中的安全。

(2)液壓平衡吊具的液壓吊桿把鋼筋混凝土井壁的預埋吊點和吊盤垂直連接起來,避免了起吊時井壁沿徑向方向的受力,保證了井壁初期強度較低時起吊、運輸預制鋼筋混凝土井壁的受力安全。

(3)使用液壓平衡吊具在起吊、安放連接鋼筋混凝土井壁時,由于液壓平衡吊具的可伸縮液壓吊桿,能夠自動將起吊的井壁調(diào)整成自由垂直狀態(tài),便于相臨兩節(jié)井壁連接時垂直度的調(diào)整,有效保證了鋼筋混凝土井壁連接的整體垂直度。

(4)使用液壓平衡吊具,在吊具的吊盤外圓周方向加工不同中心距的鉸鏈軸孔,通過調(diào)整油缸鉸鏈的位置,同一件吊具可以實現(xiàn)起吊不同直徑鋼筋混凝土井壁的要求。

(5)由于液壓平衡吊具的總體高度可以控制在2m以內(nèi),能夠有效地解決使用鋼絲繩索吊具起重鋼筋混凝土井壁作業(yè)時龍門吊的有效高度不足的問題。

3.3 液壓平衡吊具使用中應注意的問題

(1)起吊大直徑混凝土井壁的液壓平衡吊具,為了便于運輸,一般要制作成可拆解的型式。使用前拼裝時,要將全部定位銷安裝定位,所有的緊固件均一擰緊。

(2)安裝完畢后,將活塞的有桿腔用高壓油管串連連接,向系統(tǒng)管路里加注滿液壓油,使油缸的活塞桿大部收回缸體內(nèi),再將各個油缸的無桿腔用高壓油管串連連接。起吊作業(yè)時,不能將油缸的活塞吊桿全部伸出,以保證各個活塞吊桿和鋼筋混凝土井壁吊點的受力相同。

(3)拼裝好的吊具正式使用前要進行試吊檢查,檢查緊固件的連接情況,檢查兩個閉合回路系統(tǒng)管路的密封可靠情況等等,以防在起吊井壁的過程中出現(xiàn)意外。

(4)在吊具的使用、運輸過程中,要保證所有管路及密封的完好。

4 液壓平衡吊具在礦山豎井施工中的具體應用

通過幾年來的礦山豎井施工,使用液壓平衡吊具已經(jīng)完成了近十口豎井施工的鋼筋混凝土井壁安放任務。河北遵化天河鐵礦豎井工程是其中之一。遵化天河鐵礦豎井工程鋼筋混凝土井壁的基本參數(shù)見表1。

表1 遵化天河鐵礦豎井工程預制鋼筋混凝土井壁的基本參數(shù)

在井壁的起吊、運輸安放施工過程中,使用QM—200/20龍門吊及起重量2000kN的液壓平衡吊具,歷時7天的時間完成了十余節(jié)預制鋼筋混凝土井壁的安放任務。如圖4通過龍門吊使用液壓平衡吊具起吊鋼筋混凝土井壁的情形。經(jīng)檢測,井壁的安放連接質(zhì)量滿足設計及規(guī)范要求。2000kN液壓平衡吊具的性能參數(shù)見表2。

表2 2000kN液壓平衡吊具性能參數(shù)

圖4 液壓平衡吊具起吊鋼筋混凝土井壁

5 結(jié)語

液壓平衡吊具是通過其自身的結(jié)構(gòu)型式來調(diào)整工作狀況時各個吊點的受力狀態(tài),在起吊多吊點、大重量的預制鋼筋混凝土井壁時,能夠有效保證工作過程中各吊點的受力相同,有效解決了傳統(tǒng)的使用鋼絲繩索連接起吊存在的問題,確保了礦山豎井施工過程中的質(zhì)量和安全。

1 崔云龍.簡明建井工程手冊.北京:煤炭工業(yè)出版社,2007

2 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設計指南(第二版).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004

3 洪伯潛.我國深井快速建井綜合技術(shù).煤炭科學技術(shù),2006(1)