淺談VI型鑿井井架的結構組成與制作施工

劉春雨

摘要：VI型鑿井井架通過對工裝和焊接工序的改進，選用整體拼裝工藝，保證了井架的焊縫質量，控制了各桿件之間的空間角度和焊接變形，使井架更具強度和穩(wěn)定性。VI型鑿井井架克服了傳統(tǒng)I型-V型鑿井井架不能滿足超大深立井施工需求的缺陷，填補了國內(nèi)空白，滿足了當前很多礦井機械化、大采深的生產(chǎn)需求，對我國大直徑井筒施工和采礦業(yè)發(fā)展提供了有力的技術支撐。

Abstract： VI-type well-drilling derrick improves the tooling and welding process， and adopts the overall assembly process to ensure the quality of the welding seam of the derrick， control the spatial angle and welding deformation between each rod and make the derrick more strong and stable. The VI-type well-drilling derrick overcomes the defect that the traditional I-V type well-drilling derrick can not meet the construction requirements of super large deep shaft， fills the domestic gap， meets the current production needs of many mine mechanization and large mining depth， and provides strong technical support for large diameter Izutsu construction and mining industry development.

關鍵詞：VI型鑿井井架;結構;制作施工

Key words： VI-type well-drilling derrick;structure;manufacture

中圖分類號：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）20-0160-02

0? 引言

井筒施工時，為了滿足掘進提升、翻卸矸石、砌筑井壁和懸吊井內(nèi)施工設施的需要，必須在施工區(qū)域上部設置鑿井井架、天輪平臺、封口盤、固定盤、吊盤、穩(wěn)繩盤以及砌壁模板等一系列的鑿井結構物。其中鑿井井架是井筒施工中最為核心的懸吊和承重設施，是專為鑿井提升及懸吊掘進設備而臨時制作設立的，建井結束后將對其進行拆除并在井口設置生產(chǎn)井架。因此，鑿井井架僅是鑿井施工中所臨時搭建的設施，亦稱為臨時井架。由中煤能源集團所屬五建公司機廠與合肥設計研究院合作開發(fā)研制VI型鑿井井架是目前在大直徑深井鑿井施工中所比較常用的井架設備。VI型鑿井井架通過對工裝和焊接工序的改進，選用整體拼裝工藝，保證了井架的焊縫質量，控制了各桿件之間的空間角度和焊接變形，使井架更具強度和穩(wěn)定性。VI型鑿井井架克服了傳統(tǒng)I型-V型鑿井井架不能滿足超大深立井施工需求的缺陷，填補了國內(nèi)空白，滿足了當前很多礦井機械化、大采深的生產(chǎn)需求，對我國大直徑井筒施工和采礦業(yè)發(fā)展提供了有力的技術支撐。本文對VI型鑿井井架的結構組成與制作工藝進行了探討。

1? VI型鑿井井架的結構組成

VI型鑿井井架由中煤能源集團與合肥設計研究院合作，于2009年聯(lián)合開發(fā)研制。該型鑿井井架為桁架空間結構，由主體桁架、天輪房、天輪平臺、中間平臺、基礎等幾部分組成。井筒用于鑿井施工的附屬物包括：主提升、安全梯、抓巖機、風筒、地面穩(wěn)車、封口盤、固定盤、吊盤、穩(wěn)繩盤以及砌壁模板等鑿井結構物;線路管路包括：壓風管、供水管、通信電纜、提升繩、砼輸料管、動力電纜、吊盤穩(wěn)繩等。

1.1 主體桁架

主體桁架是井架的主體部分，主要用來支承天輪平臺并承受立井施工時提升矸石、運送人員和物料的荷載，以及懸吊鑿井設備的荷載。主體桁架由四組支撐桿、角柱與斜撐組成，其構件均選用高強度、耐腐蝕的無縫鋼管，質量等級為Q345-B.Z。保證井架具有較好的空間穩(wěn)定性，在主體架內(nèi)部受力較大的第一層水平高度處，設置水平連桿，從而形成一個網(wǎng)格狀結構。因為主體架的主要構件都是按軸心受壓計算的，而無縫鋼管恰好在各個方向都具有相等的穩(wěn)定性，能夠充分的發(fā)揮鋼材的力學性能，使井架具有更好的穩(wěn)定性和支承性。為了便于加工和裝配，每個角柱均分為若干個節(jié)點和段，每個節(jié)點處由法蘭連接并采用高強度螺栓連接和焊接的方式予以加固。角柱的上下端均焊有連接板，分別與基礎、天輪平臺的地腳螺栓連接;角柱的各端點和中間節(jié)點以及支撐桿處都焊有連接短管和法蘭;鋼管與端部法蘭采用坡口全熔透焊縫連接，焊縫質量為二級。

1.2 天輪平臺

天輪平臺為天輪的支撐和操作作業(yè)區(qū)。VI型井架天輪平臺采用“個”型支撐，整個結構采用“人”型支撐，通過設置5號豎向支撐構件，有利于荷載往下傳遞，同時明顯改善了天輪平臺邊梁和支撐體系的內(nèi)力分布，斜撐分擔了角柱的部分荷載，各個構件共同承載，充分發(fā)揮各構件的材料性能，結構更為合理。VI型井架天輪平臺中間梁采用雙主梁結構，兩根主梁均采用高強度鋼管焊接，沿井架中心呈工字型對稱布置，其兩端采用高強度螺栓分別與框架邊梁緊固連接。工字型雙主梁結構既有利于平臺的穩(wěn)定，同時也有利于增大平臺的使用面積，便于大型鑿井設備的布置和安裝，鑿井最大井筒直徑可達十米以上。

1.3 天輪房

天輪房位于井架頂部，由四根角柱、上部橫梁、水平聯(lián)桿及兩根用來安裝和檢修天輪的工字鋼梁組成。為防雨雪，上部設有屋面并裝有避雷針。天輪房的作用是安裝、檢修天輪，保護天輪免受雨雪侵襲。其角柱為兩條角鋼對焊成十字型截面;上部橫梁為兩條14號槽鋼對焊成工字截面;斜撐為角鋼;水平交叉聯(lián)桿，以兩條角鋼對焊成倒T形截面，工字鋼吊車梁一般選用25號工字鋼，其長度要保證超出天輪平臺每邊1m。

1.4 卸矸臺

卸矸臺是用來翻卸矸石的工作平臺，為了排矸方便該平臺通常布置在主體架的下部第一層水平連桿上。根據(jù)受力大小它的主梁和次梁可采用工字鋼或槽鋼。梁上設置方木，用U形螺栓卡緊。

2? VI型鑿井井架的結構特點

VI型鑿井井架是是大直徑深井立井施工機械化配套的新型設備，是目前應用較為廣泛的井架形式，具有以下一些特點：

2.1 作業(yè)空間較寬敞

底層兩根斜向大腹桿相交于卸矸平臺上方節(jié)間中央，腹桿布置比較合理。通過合理的幾何尺寸參數(shù)設計，使底層空間開敞，井口操作更加方便，有利于天輪平臺布置和翻矸溜槽設置;也有利于大型鑿井設備進出和汽車運矸，同時避免井架基礎占據(jù)凍結管溝槽位置。

2.2 結構更具穩(wěn)定性

VI型井架結構具有四邊等穩(wěn)定性，因此井架抗扭抗振性能好。井架支腳上設有橫向聯(lián)桿，在卸矸臺上方節(jié)間四角隅處亦設置有橫向聯(lián)桿，增強了井架的整體剛度。因此，井架承載能力大，可懸吊更多的設備，能滿足多種大負荷復雜作業(yè)的需要。

2.3 通用性和適應性強

VI型井架在設計時考慮了提絞吊掛設備的不利布置與井架受力的不利因素。首先足夠的空間和穩(wěn)定的結構承載可滿足各種復雜施工條件下對大型鑿井設備的安裝使用;穩(wěn)定的架體結構和地面穩(wěn)車可更好地應對施工中可能出現(xiàn)的各種可變荷載和偶然荷載，包括提升和鑿井工作荷載、鋼繩罐道工作荷載、防墜鋼繩工作荷載、斷繩荷載、防墜器制動荷載等。

3? VI型鑿井井架的制作

井架設計與施工的原則一是能夠安全地承擔施工荷載，要求井筒四面具備相同的強度和穩(wěn)定性;并且要求天輪平臺可以同時四面出繩;二是保證足夠的過卷高度，防止提升時發(fā)生跑車事故，避免滑架與天輪平臺梁相撞。因此，井架設計高度只包括過卷高度、井蓋門開啟時最大高度、提升天輪公稱半徑、連接裝置與滑架高度等;三是角柱跨距和天輪平臺尺寸應滿足井口施工材料、設備運輸及天輪布置的需要，使角柱跨距和天輪平臺尺寸與井筒斷面、鑿井懸吊設施相符合。角柱跨距和天輪平臺尺寸在設計時要全面考慮到是否與施工材料、鎖口盤、吊掛等都布置于天輪臺上。

3.1 制作大樣模型

制作大樣模型可基本明確井架設置的位置、高度、連桿件布置等幾何參數(shù)，是下料施工前的必要環(huán)節(jié)。施工前技術負責人員應對現(xiàn)場進行詳盡的調查，利用CAD制圖軟件進行整體放樣，核較各連接桿及連接板的位置尺寸，繪制井架設計圖紙;施工人員應根據(jù)圖紙設計要求在平臺上按照1：1的尺寸比例整體放大樣，仔細核對圖紙安裝尺寸是否有誤。如發(fā)現(xiàn)問題應會同設計方、施工單位等協(xié)商調整和修改設計，經(jīng)質檢員復查無誤后方可下降。井架的設計首先應注意主體架角柱基礎應離開井壁一定距離，使井壁不致受到井架基礎荷載引起的巨大側壓力作用。當采用凍結法鑿井時，應使井架基礎能夠避開凍結管溝槽;鑿井井架在井口周圍所形成的空間，應能滿足施工人員正常工作和運輸?shù)男枨?。同時井架必須有足夠的凈空間，使大型鑿井設備進出方便。

3.2 下料施工

按照圖紙設計要求在施工區(qū)域首先進行混凝土基礎的施工，然后在進行鋼結構的焊接下料和拼裝搭建。管材下料時需根據(jù)設計尺寸采用切管機對管材進行切割加工，保證桿件的長度及尺寸誤差符合設計要求。在VI型井架中，有些桿件長度尺寸過長難以采購到，對此可采用加襯管焊接的辦法將加長管件尺寸。加長桿件的焊縫采用單面雙邊V形坡口，坡口角度為60°±5°;為保證襯管起的支撐和加固作用，要求襯管內(nèi)徑略小于鋼管內(nèi)徑1～2mm，按二級焊縫要求焊接。焊接坡口切割開制后，應將氧化鐵皮和熔渣等清理干凈，并將坡口打磨至漏出金屬光澤。為了便于鋼管等構件的安裝和準確控制井架整體尺寸，應采用移動切割機完成法蘭和節(jié)點板下料，連接孔采用鉆模加工。

3.3 構件制作

下料后將焊接制作的各種管件，包括支撐桿、水平桿、斜撐等分別與兩端法蘭組焊，制作成為比較完整的構件。對于一些尺寸較大的構件，如果直接組焊比較困難，為了控制桿件同軸度和長度誤差，保證管體連接的同心度和井架整體受力的穩(wěn)定性，可采用專門的桿件焊接工裝進行構件的加工制作。

3.4 拼裝

拼裝是將已制作好的構件焊接在一起，形成井架的主體框架。為了保證拼裝質量，符合主體桁架的尺寸要求，需按照圖紙尺寸要求在平臺上將角柱、水平桿分別與連接板進行焊接，短管與法蘭焊接。然后，用拼裝螺栓將水平桿、角柱組裝起來;組裝斜撐，調整各組件位置，點固短管與節(jié)點板。最后焊接節(jié)點板與短管，再拼裝與該節(jié)點板垂直的相鄰面。

3.5 焊接

井下外形尺寸較大，加強板和焊接節(jié)點較多，相應的焊縫也比較復雜。為了控制焊接變形量，需采用二氧化碳保護焊對主體桁架各桿件的端頭進行焊接，焊接時必須等一側端頭焊縫冷卻至常溫之后，再焊接另一端。天輪平臺、卸矸臺的支撐梁需采用二氧化碳保護焊打底、填充，填充焊的次數(shù)應視實際焊縫高度確定;采用分段焊接時，宜采用先中間后兩邊的施工順序，焊件要勤翻身，以防止構件產(chǎn)生扭曲變形。

4? 結語

傳統(tǒng)I型-V型鑿井井架鑿井最大直徑為9m，而VI型鑿井井架則可用于深度1000m以上，直徑9～12m的大直徑深立井井筒施工，為井筒深度的加大及鑿井機械化程度的提高提供了技術支撐。VI型鑿井井架的制作過程中，構件位置、尺寸誤差的控制以及焊接施工是井架質量的關鍵，應嚴格按照井架設計要求和《鋼結構工程施工及驗收規(guī)范》的有關要求進行制作。

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