鑿井井架的加工選型與起立技術(shù)

陳 釘

（中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102218）

鑿井井架是礦井開(kāi)鑿建設(shè)中必要的建井設(shè)備，屬于臨時(shí)性的井架。其主要作用是懸吊鑿井設(shè)備以及承擔(dān)運(yùn)輸人員、物料和矸石外運(yùn)的荷載。鑿井井架主要由主體架、天輪房、扶梯、卸矸臺(tái)以及基礎(chǔ)組成，其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了保證其較強(qiáng)的承載能力和穩(wěn)定性，其內(nèi)部立柱常常布置成三角形，桿件安裝角度要求十分嚴(yán)格。且每一個(gè)桿件的節(jié)點(diǎn)上均由多個(gè)法蘭在不同的方向上進(jìn)行連接。因此，在鑿井井架設(shè)計(jì)加工時(shí)，特別要注意連接桿件的長(zhǎng)度尺寸、連接角度等條件因素[1]。一旦桿件出現(xiàn)加工質(zhì)量問(wèn)題，或者是出現(xiàn)安裝角度誤差的話(huà)，都無(wú)法保證桿件與其連接件的正常連接，導(dǎo)致安裝困難并影響礦井的開(kāi)鑿建設(shè)。同時(shí)，作為大型的鋼結(jié)構(gòu)井架，如何保證井架的平穩(wěn)起立也是需要認(rèn)真研究的內(nèi)容。

1.鑿井井架的型式與構(gòu)造

鑿井井架也稱(chēng)掘進(jìn)井架，是一種用于承載各種負(fù)荷的鋼結(jié)構(gòu)架，是煤礦建井工程中最重要的施工結(jié)構(gòu)物之一[2]。目前，最為常用的鑿井井架結(jié)構(gòu)型式為亭式鋼鑿井井架。該類(lèi)型井架由于具有良好的力學(xué)性能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便、加工制造和運(yùn)輸安裝都比較容易，因而在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛。亭式鋼鑿井井架的構(gòu)造主要包括以下幾個(gè)部分。

1.1 天輪房

天輪房位于井架的頂部，它主要用于保護(hù)天輪平臺(tái)，防止其受到雨雪侵襲。此外，天輪的安裝與檢修也需要通過(guò)天輪房進(jìn)行。天輪房結(jié)構(gòu)凈高的選擇主要與天輪尺寸有關(guān)，其高度通常為主提升天輪半徑＋2m，平面尺寸與天輪平臺(tái)同水平。天輪房一般為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，由不同規(guī)格的型鋼、角鋼等焊接搭建而成。

1.2 主體架

主體架是整個(gè)井架的主體部分，主要用來(lái)承受天輪平臺(tái)的荷載，并將其傳遞給基礎(chǔ)。主體架基本由鋼材質(zhì)桿件連接搭建而成，其四面呈梯形桁架空間結(jié)構(gòu)；梯形桁架內(nèi)部空間則由桿件搭建為多個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，從而保證了主體架的整體穩(wěn)定性。主體架下部立于井架基礎(chǔ)上，上部用螺栓與天輪平臺(tái)的中梁及邊梁連接。主體架沿高度可分為多個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間在高度上大致相等。這樣可使角柱在各節(jié)間的自由長(zhǎng)度相等，以便合理選擇角柱截面。主體架內(nèi)部第一層水平高度處是其內(nèi)部受力較大的部位，此處設(shè)置了水平連桿使其內(nèi)部形成了網(wǎng)格狀支承結(jié)構(gòu)，從而保證了井架具有較好的空間穩(wěn)定性。水平連桿還可用來(lái)支承卸矸臺(tái)。

1.3 卸矸臺(tái)

卸矸臺(tái)通常布置在主體架的下部第一層水平連桿上，來(lái)翻卸矸石，通常采用工字鋼或槽鋼構(gòu)造。

1.4 扶梯

扶梯通常垂直設(shè)置于主體架內(nèi)，通常由3 個(gè)梯段組成。上部?jī)蓚€(gè)梯段分別設(shè)置在卸矸臺(tái)和天輪房。扶梯扶手和欄桿采用扁鋼或角鋼，踏步采用圓鋼，梯梁采用扁鋼，梯子平臺(tái)采用槽鋼和網(wǎng)紋鋼板。

1.5 基礎(chǔ)

基礎(chǔ)是井架與地面連接、過(guò)渡的部分，一般采用鋼筋混凝土材質(zhì)，4 個(gè)獨(dú)立的基礎(chǔ)分別設(shè)置在井架的四個(gè)柱角處。井架所有的受力荷載最終全部由基礎(chǔ)承擔(dān)，因此要求四個(gè)基礎(chǔ)必須穩(wěn)定可靠，不會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。鑿井井架基礎(chǔ)的斷面形式一般采用截錐形。為達(dá)到其穩(wěn)定性要求，基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20?；A(chǔ)頂面應(yīng)呈一定的傾斜角度與角柱中心線(xiàn)保持垂直，而基礎(chǔ)底面是水平的。

2.鑿井井架的設(shè)計(jì)要求

2.1 足夠的承載能力

鑿井井架在工作時(shí)要承擔(dān)矸石外運(yùn)、人員物料提升等各種負(fù)荷，因此對(duì)其承載能力具有很高的要求。這就需要我們從井架的設(shè)計(jì)、選材、加工制造等方面采取措施，以保證其足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

2.2 足夠的過(guò)卷高度

為防止井架在使用中出現(xiàn)滑架與天輪平臺(tái)梁相撞等事故，井架設(shè)計(jì)時(shí)，要有足夠的過(guò)卷高度。此外，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮吊桶翻轉(zhuǎn)高度、連接裝置和滑架高度、過(guò)卷高度、提升天輪公稱(chēng)半徑等因素，留有足夠的高度余量，以保證其能夠安全平穩(wěn)使用，減少事故的發(fā)生。

2.3 天輪平臺(tái)和角跨距尺寸滿(mǎn)足施工要求

天輪平臺(tái)和角跨距尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到對(duì)于吊盤(pán)吊掛、鎖口盤(pán)安裝、設(shè)備材料運(yùn)輸、鑿井設(shè)備懸吊等方面的使用需求。使井架天輪平臺(tái)和角跨距尺寸與施工時(shí)鑿井懸吊設(shè)施、井筒的斷面相適應(yīng)。

3.鑿井井架的制作與加工

隨著計(jì)算機(jī)制圖軟件以及各種自動(dòng)化加工設(shè)備的應(yīng)用，鑿井井架制作的精度已經(jīng)很高，桿件制作時(shí)的誤差和焊接變形量已經(jīng)很小。這也為井架安裝奠定了良好的基礎(chǔ)?？捎行岣吖こ藤|(zhì)量，保證工程進(jìn)度[3]。

3.1 加工準(zhǔn)備

井架桿件制作前，應(yīng)做好相關(guān)設(shè)備材料的準(zhǔn)備。包括割管機(jī)、角度樣板、桿件加工模具、豁口樣板等。桿件加工模具的使用保證了桿件加工的安全、便捷和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，同一構(gòu)件號(hào)的管件可互換安裝。加工模具的長(zhǎng)度由井架構(gòu)件中的最長(zhǎng)管件確定，模具底座由型鋼加工制作而成，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裝可移動(dòng)法蘭；另一端裝固定法蘭，應(yīng)保證兩法蘭孔在同一水平上，不得有扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。使用時(shí)，根據(jù)需加工桿件的長(zhǎng)度來(lái)回移動(dòng)可移動(dòng)法蘭，以便制作出不同規(guī)格長(zhǎng)度的構(gòu)件。為了保證管件加工長(zhǎng)度規(guī)格的一致，可在加工同一規(guī)格構(gòu)件時(shí)，在可移動(dòng)法蘭一方焊接限位塊，以防止管件在加工時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)度誤差。

3.2 主要制作工序

3.2.1 管件的制作

管件制作前，根據(jù)井架的類(lèi)型和尺寸，對(duì)制作所需的所有管件按照規(guī)格的不同統(tǒng)計(jì)其數(shù)量。然后合理安排管件的制作，合理下料，以最大程度地節(jié)約管料。

3.2.2 法蘭盤(pán)的制作

制作法蘭盤(pán)時(shí)，首先利用切割機(jī)制作出法蘭盤(pán)的外型輪廓，在法蘭中心按照一定的孔徑大小鉆鑿工藝孔。然后以中心孔定位，在分度盤(pán)中心固定定位銷(xiāo)并壓緊，旋轉(zhuǎn)分度盤(pán)鉆孔。這樣即可最大程度保證孔的同心，保證了每個(gè)法蘭孔的位置，從而減少了隨機(jī)誤差。

3.2.3 插板的制作

插板的制作需要使用到三角函數(shù)方面的數(shù)學(xué)理論。根據(jù)圖紙上的尺寸，在插板樣板上做出各短管的邊線(xiàn)、中心線(xiàn)以及焊接法蘭的參照線(xiàn)。在主管與插板相交的特殊點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，然后利用切割機(jī)下料。利用樣板在下好的料上留出短接上法蘭的參照線(xiàn)、邊線(xiàn)以及特殊點(diǎn)。

3.2.4 短接的制作

將下好料的短接放在法蘭上，將法蘭上的孔做為基準(zhǔn)畫(huà)出豁口線(xiàn)，然后再利用豁口樣板將其豁口割開(kāi)。為了防止焊接變形，可通過(guò)點(diǎn)焊方式將法蘭與短接焊接在一起，將兩短接背對(duì)背放置后用螺絲固定后再行施焊。

3.2.5 主立柱的制作

主立柱的制作主要利用模具，在計(jì)算機(jī)CAD 的輔助設(shè)計(jì)下焊接完成。在模具幫助下，將立柱兩端法蘭對(duì)接點(diǎn)焊上。以?xún)啥朔ㄌm孔為基準(zhǔn)，找準(zhǔn)插板開(kāi)豁口的位置，使用豁口模具開(kāi)插板豁口，然后在豁口處安裝插板。使用水平儀找正位置后點(diǎn)焊。然后使用角度樣板安裝另一插板點(diǎn)焊，從而保證兩插板夾角的正確性。對(duì)法蘭位置、插板夾角等進(jìn)行檢驗(yàn)確定無(wú)問(wèn)題后，再根據(jù)圖紙安裝短接。在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上點(diǎn)焊加強(qiáng)筋，并使用插板進(jìn)行二次固定，以此來(lái)防止焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的焊接變形，然后施焊。

4.大型鑿井井架的組裝與起立

為了保證足夠的提升高度和過(guò)卷高度，大型鑿井井架具有比較高的井架高度。這也導(dǎo)致了大型井架比較高的重心，增加了井架起吊和起立中的風(fēng)險(xiǎn)。施工安排不當(dāng)?shù)脑?huà)，甚至?xí)l(fā)生偏架甚至是倒架事故。大型鑿井井架的安裝與起立，基本上都是井架主、副斜撐組裝方向與鑿井設(shè)備呈90°角布置。在地面分別將井架主、副斜撐整體組裝后，再采用超90°角大翻轉(zhuǎn)的方法起立合攏。井架安裝的具體做法如下。

4.1 井架組裝

主斜撐和副斜撐是井架設(shè)計(jì)和組裝時(shí)作為基準(zhǔn)的兩個(gè)平面。

在地面組裝時(shí)，可首先以扇面的形式分別對(duì)主斜撐和副斜撐進(jìn)行組裝。組裝完成后，由吊車(chē)吊裝整體起立。

可以分別將主斜撐和副斜撐各組裝成一個(gè)扇面，然后整體起立。在地面組裝斜撐時(shí)，按照標(biāo)定好的中心線(xiàn)和各段位置，由斜撐底端開(kāi)始沿各段水平方向逐漸向前行進(jìn)施工。經(jīng)過(guò)測(cè)量后，在地面標(biāo)注好井架腿腳在地面的位置，找平找正各斜撐的位置和尺寸。然后按照三角形交叉的形式進(jìn)行各斜撐的組裝，待組裝到轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上位置后，停止施工。在組裝斜撐的同時(shí)，安裝底部與基礎(chǔ)之間的翻轉(zhuǎn)鉸鏈，起立抱桿。然后利用抱桿，由滑車(chē)、穩(wěn)車(chē)等起吊設(shè)備，將已經(jīng)組裝好的下半部分井架吊起至一定高度后，保持不動(dòng)。然后根據(jù)設(shè)計(jì)，在上半部分組裝位置制作好臨時(shí)組裝平臺(tái)。將已經(jīng)在地面組裝好的上半部分用吊車(chē)吊裝到臨時(shí)平臺(tái)上。根據(jù)井架設(shè)計(jì)圖紙，利用水平儀等儀器確定水平位置，找平找正。水平位置確認(rèn)無(wú)誤后，利用井架起吊設(shè)施，以上半部分為基準(zhǔn)調(diào)整下半部分斜腿，找正對(duì)接，并校核井架整體尺寸。再次對(duì)位置尺寸等進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)無(wú)誤后，焊接焊縫，完成井架整體組裝。

4.2 抱桿組裝起立

下半部分井架組裝完成后，進(jìn)行雙抱桿的組裝起立。雙抱桿組裝完成后，然后利用吊車(chē)掛住抱桿頂端將其慢慢吊起。當(dāng)抱桿起立高度超過(guò)鑿井井架高度之后停止起吊，調(diào)整各鋼絲繩，使抱桿保持豎立狀態(tài)。然后在吊車(chē)不再受力的情況下，摘掉吊鉤并將吊車(chē)開(kāi)到不影響施工的安全區(qū)域。

4.3 井架的調(diào)整

在井架整體組裝完成后，其重心可能并不在井架提升中心線(xiàn)上，容易導(dǎo)致井架重心不穩(wěn)，影響井架的安全性和穩(wěn)定性。在立放井架過(guò)程中，由于井架重心不斷偏移并向下滑落，極易產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象；特別是在起吊重物時(shí)容易發(fā)生偏架，甚至是倒架事故。這就需要對(duì)井架的重心進(jìn)行調(diào)整，以保證其重心與井架提升中心線(xiàn)相吻合。首先經(jīng)過(guò)測(cè)量找到井架的幾何中心線(xiàn)，將井架虛擬成相對(duì)于提升中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。然后按相對(duì)應(yīng)側(cè)實(shí)體重量補(bǔ)齊進(jìn)行計(jì)算，可使用專(zhuān)門(mén)的液壓移架裝置對(duì)井架進(jìn)行微調(diào)，以使其重心與井架提升中心線(xiàn)相吻合，偏移量控制在要求范圍內(nèi)。

4.4 基礎(chǔ)傾覆驗(yàn)算

井架采用大翻轉(zhuǎn)法起立時(shí)，基礎(chǔ)所承受的井架水平推力與井架水平推力方向相反，致使基礎(chǔ)的穩(wěn)定性變差。同時(shí)，在井架副斜撐高度的限制下，井架起吊點(diǎn)設(shè)置要低于正常水平。繼而造成井架起吊力增大，井架對(duì)基礎(chǔ)的水平推力增大，影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在井架對(duì)基礎(chǔ)長(zhǎng)期的水平推力作用下，增加了井架偏移和倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，應(yīng)在井架起立時(shí)對(duì)井架與基礎(chǔ)之間的水平推力、井架抗傾覆能力等進(jìn)行驗(yàn)算。不能滿(mǎn)足要求的，應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行局部的加固處理。

5.井架加工與起立中的一些關(guān)鍵性技術(shù)

5.1 準(zhǔn)確的受力計(jì)算

鑿井井架做為大型的承重設(shè)施，保證其重心與井架提升中心線(xiàn)相吻合，保證井架各部分受力均衡是其穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。這就需要分析井架的受力情況，做好準(zhǔn)確的受力計(jì)算。根據(jù)井架重心和受力特點(diǎn)，以保持井架整體平衡為原則，選擇最佳的起吊位置，并確定起吊力的大小。同時(shí)，還要檢查地錨、鉸鏈、滑輪組等起吊受力部件的母材強(qiáng)度、焊接強(qiáng)度、偏心荷載等，留有安全余量，以確保起吊過(guò)程的安全。

5.2 液壓自動(dòng)調(diào)平技術(shù)

井架整體搭建完成后，還需要對(duì)各部分進(jìn)行調(diào)整和找正，以確保井架整體受力均勻。對(duì)此，可采用液壓校正儀，根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)支撐高度。液壓自動(dòng)調(diào)平技術(shù)可有效提高施工的安全性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，加快施工速度。

5.3 無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控技術(shù)

可采用井架起吊無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控技術(shù)對(duì)起吊過(guò)程中的各關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以隨時(shí)觀察主斜架滑輪、抱桿、鋼絲繩等各受力部位的情況。該技術(shù)的使用可以更加容易地發(fā)現(xiàn)各種事故隱患問(wèn)題，并且在發(fā)現(xiàn)隱患問(wèn)題后可以及時(shí)處置，從而提高了施工的安全性。