單側斜撐式立井井架糾偏工藝研究

孔德才

（淮北礦業 （集團）有限責任公司機電處，安徽省淮北市，235000）

單側斜撐式立井井架糾偏工藝研究

孔德才

（淮北礦業 （集團）有限責任公司機電處，安徽省淮北市，235000）

介紹了童亭煤礦主井井架所出現的偏斜情況，分析了井架偏斜的原因，通過SAP2000有限元分析軟件對井架結構進行受力分析后，最終采用頂升法使接近臨界應力狀況的井架部分構件的受力狀態得到改善，達到了井架糾偏的目的。

單側斜撐式井架 立井井架 井架沉降 糾偏工藝

1 概況

童亭煤礦位于淮北市濉溪縣境內，設計生產能力為90萬t／a，經改擴建后礦井生產能力核定為180萬t／a。主井提升機型號為JKMD2.8×4，井架為單側斜撐式立井井架。2009年2月檢修時發現箕斗同井架鋼梁以及南側穩罐罐道出現干涉現象。經現場實測發現，位于34.5 m的罐道繩固定油缸平臺向南偏移29 mm，向西偏移13 mm，井架成撓性彎曲，影響提升安全。

2 井架偏斜的原因分析

童亭煤礦主井井架發生偏斜后，經實地勘察和分析認為，單側斜撐支架基礎坐落在表土層上，由于地表水位大幅度下降，從而導致地表沉降，單側斜撐支架基礎也隨之下沉。而立井井架基礎為井筒鎖口，鎖口下的混凝土井壁與基本不變形的基巖直接相連，因此下沉量較小，最終導致立井井架和單側斜撐式支架不能同步下沉，因而導致立井井架整體偏斜。

3 鋼結構模擬及應力分析

由于井架構件的形狀和邊界條件復雜，井架構件的強度和剛度如用傳統的力學方法求解會產生較大困難，只能對井架構件的形狀和邊界做理想化的簡化處理來求解。這種簡化處理所帶來的誤差較大，采用經驗或類比法設計也會造成更大的誤差，因此，選擇SAP2000有限元分析軟件對井架進行受力分析。首先，將井架劃分為有限個規則形狀的微小塊體并把每個小塊體稱為單元，相鄰的兩個單元之間通過若干點互相連接，每個連接點做為結點。把作用于各單元上的外載荷按虛功原理或靜力等效原理化成各單元的等效載荷向量，用劃分后的有限個小單元的集合體和等效結點載荷向量的集合體代替井架。通過有限元程序對井架在各種情況下的變形、應力和強度等進行模擬分析來確定井架構件的自振頻率和振型，進而把握井架構件的剛度特性。

3.1 井架計算機模擬測試

（1）計算依據。依據 《煤炭工業井架設計規范》和 《建筑結構載荷規范》，根據井架圖紙及竣工資料對井架進行參數校驗。

（2）建模情況。采用桿系有限元建模建立井架的整體空間結構模型，支撐桿件釋放其兩端的端彎扭，立架部分與基礎剛接，單側斜撐式支架與基礎鉸接。部分組合截面使用SAP2000有限元分析軟件的截面設計器功能實現，這樣可以增加計算的精度。按照規范進行結構的靜動分析，桿件截面形式允許是角鋼、箱形斷面及多種異型鋼面，在SAP2000有限元分析軟件的截面設計器中輸入截面的應力值后，輸出的是結構的位移和各桿件的內力值。

（3）按照 《煤炭工業井架設計規范》（GB50385-2006）的規定進行承載能力極限狀態和正常狀態組合。載荷效應組合的分項系數和組合值系數如表1所示。

表1 井架荷載效應組合的分項系數和組合值系數

3.2 井架變形分析

（1）在自重和工作荷載情況下，立架頂部和單側斜撐支架頂部水平位移較大，分別為18 mm和16 mm，單側斜撐支架在最下部橫隔處水平位移達到23 mm。

（2）在事故荷載下，當上繩斷裂時，單側斜撐支架頂部豎向變形為16 mm，立架頂部變形為18 mm，水平變形為50 mm，第一道橫隔處水平位移16 mm。當下繩斷裂時，立架頂部變形為12 mm，水平變形為65 mm，第一道橫隔處水平位移24 mm。

（3）當單側斜撐支架支座下沉50 mm時，整個井架結構水平變形較大，立架頂部變形約為100 mm，單側斜撐支架頂部水平位移143 mm，第一道橫隔處變形較小；當單側斜撐支架支座下沉100 mm時，立架頂部變形約為144 mm，單側斜撐支架頂部水平位移達到了294 mm，上天輪處水平位移為230 mm。從而可見，單側斜撐支架支座沉降引起的變形主要集中于井架結構的頂部，并且變形值較大。當單側斜撐支架支座下沉15 mm時，上天輪處水平位移為38 mm（適量過糾偏8～10mm）與實際情況基本相符。

3.3 井架強度效驗

通過計算機軟件模擬得出，井架強度方面在工作荷載和事故荷載組合下立架構架可以滿足強度要求，單側斜撐支架應力小于0.7，構架的一階振型為整體扭轉，主要表現為單側斜撐支架的扭轉振動帶動整個井架的扭轉。二階振型為構架提升工作平面內的水平振動。三階振型表現為整個構架的扭轉，但主要是由于立架部分引起的。四階振型為整個構架因單側斜撐支架部分的水平振動引起的平動。通過分析，鋼結構內應力未超過臨界值，因此可以采用頂升法糾偏。

4 施工方案

4.1 主井井架沉降位移監測點設置

（1）在井筒提升中線方向和垂直提升中線方向上布置16個監測點，組成監測主井井架水平位移的監測網。

（2）在主井井架沉降區域布置3組共24個監測點的沉降位移監測網。

4.2 主井井架變形監測點設置

分別將主井十字中線投影到天輪平臺北端和東端，作為監測點標記1，后期觀測皆以此標志為標準位置，量取主井井塔在相互垂直方向上的水平位移量。

4.3 頂升施工方法

為了解決井架基礎的不均勻沉降問題，通過頂升單側斜撐支架工藝進行調整，修正由于基礎不均勻沉降造成的提升中心線偏差。

首先，破除單側斜撐支架基礎的二次澆灌層，焊接千斤頂專用底座，并保證千斤頂活塞頂端平面和單側斜撐支架底部平面接觸。在井架載荷的狀態下，用4臺100 t液壓千斤頂對單側斜撐支架進行協調升頂，同時在井架的東側和北側布置測量儀器對井架提升中心線的變化進行觀測，根據觀測數據分析頂升效果，進而調整每臺千斤頂的操作方案，4臺液壓千斤頂同時頂升單側斜撐支架底部，每次頂升量為5 mm，同時2臺經緯儀分別讀數，最終讀取的參數如表2所示。

表2 頂升偏移量參數表

核定井架偏移量符合要求后，旋緊單側斜撐支架固定螺帽，用1∶20的楔鐵將升頂的空間楔緊并焊接牢靠，確保升頂空間不反彈。

4.4 安全監控

在頂升過程中，為確保井架在糾偏過程中構件損傷和井架整體結構不發生破壞，應該對糾偏工作進行實時監控。實時監控的主要內容包括井架主要受力部件的應力變化、關鍵構件的動應力、單側斜撐支架頂升力及頂升位移等，并根據井架受力數據模擬預測結果布置測控點。為了將監控結果及時反饋到糾偏過程中，并且使井架主要受力桿件的受力控制在安全的范圍內，整個測控系統采用計算機自動連續跟蹤監測。井架的受力情況比較復雜，有的受拉力，有的受壓力，最大的拉力應變為700～900με，應力為70～90 MPa，是臨界值200.6 MPa的45%。不管井架承受的是拉力還是壓力，其受力都未達到其極限，因而在實施頂升過程中主要受力構件是安全的。井架糾偏實測數據與理論數據基本吻合，糾偏工作增大了井架北側豎向構件的拉應力，減少了北側豎向構件的壓應力，因而使得接近臨界應力狀況的部分構件的受力狀態得到了改善。整個糾偏過程從開始升頂到井架糾偏到預定位置，井架主要構件受力和形變均在材料的彈性范圍內，糾偏工作改善了井架主要構件的受力狀態，不會給井架造成危害。

5 效益分析

單側斜撐式立井井架采用頂升單側斜撐支架方法進行糾偏，實施器材費用為2萬元，模擬軟件和專家指導費用為18萬元，共計20萬元。如果使用地表注漿法進行糾偏，僅地表沉降數據采集與分析就需用時120 d，需要資金80萬元，注漿費用約為240萬元，共計320萬元。頂升糾偏方法工藝簡捷、成本低、精度高、效果好，不僅減少了施工周期，而且節約了工程費用。

6 結論

（1）采用頂升工藝糾偏后，井架東西偏斜量為±0 mm，向北過頂8 mm后消除了重載時的井架彈性變形量，有效起到防止單側斜撐支架因受力形變的作用。該工藝簡捷、成本低、精度高、時間短，實用性強。

（2）采用SAP2000有限元分析軟件對井架進行的計算機模擬能夠準確地分析和預測井架升頂后的結構變化，為安全糾偏提供了技術支撐。

（3）單側布置的斜撐支架基礎和井架基礎易產生不同步下沉，致使立井井架產生撓性變形，而雙側斜撐式立井井架鋼度大且穩定性好，不容易出現井架偏移問題，所以新井井架應采用雙側斜撐式井架。

［1］王靜，肖興明，李占芳.新莊煤礦主井井架糾偏［J］.礦山機械，2005 （8）

［2］朱心亮，蔣劍飛，張紅星等.礦井井架偏斜分析及糾偏 ［J］.中國西部科技，2008（1）

［3］樊金志.主井提升系統技術改造及效益分析 ［J］.中國煤炭，2008（8）

Study on rectification technique of single-side inclined supporting headframe for vertical shaft

Kong Decai
（Electromechanical Department，Huaibei Mining（Group）Co.，Ltd.，Huaibei，Anhui 235000，China）

The inclination of main shaft headframe in Tongting Coal Mine was introduced and its reasons were analyzed.The force analysis of headframe structure was carried out using SAP2000 finite element analysis software.The lift-up method was adopted to improve the forced state of some components of headframe under near critical stress，realizing the rectification of headframe.

single-side inclined supporting headframe，vertical shaft headframe，headframe sedimentation，rectification technique

TD541

B

孔德才 （1965-），男，安徽廬江縣人，本科學歷，高級工程師，現任淮北礦業 （集團）有限責任公司機電處副處長，長期從事煤礦機電工作。

（責任編輯 路 強）