納林河二號煤礦主井井塔設計*

劉彥東

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

烏審旗蒙大礦業有限責任公司納林河二號煤礦位于內蒙古鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮，生產能力800萬t/a。該礦井設2個主井井塔，一號主井井筒直徑6.0 m，二號主井井筒直徑6.5 m，井深均為550 m，2個主井井塔工藝布置、結構型式相近。提升機采用上海冶金機械廠的6繩摩擦輪提升機，直徑5 m，井塔設一對箕斗，每個箕斗載重40 t，自重62 t。

1 結構選型

1.1 結構分類

立井井塔的結構型式應根據平面布置、豎向布置、工藝設備布置、礦井通風方式、氣候、地震烈度、地基條件、服務年限等條件綜合比較后確定。目前國內廣泛應用的是鋼筋混凝土結構井塔，主要有框架、筒體結構、箱形、箱框形等，鋼結構井塔較少應用。框架結構的優點是空間大、材料用量少，造價低，設備布置靈活；缺點是井塔剛度較小，結構延性較差，抗震性能差。筒體結構承載能力及抗側剛度均較大，結構安全度較高，耐久性好，滑模施工方便；其缺點是結構重量大，混凝土用量大，施工周期較長，綜合費用高[1-5]。

1.2 選型確定

框架結構適用于較低的且提升能力小的井塔，筒體結構適用于平面尺寸較小的井塔。納林河二號立井井塔采用外箱內框的結構型式，外箱上設壁柱，位置與內柱對應，在柱與外箱之間設框架梁，該結構型式將箱形及框架2種結構形式結合起來，優缺點互補，豎向荷載主要由內柱承擔，外箱主要提供抗側剛度和體現多道設防。

2 平面及豎向布置

2.1 平面布置

總體布置：井塔的平面尺寸26 m×21 m，井塔的左上角布置樓梯間，右上角布置電梯間，分開布置減小剛度集中。井塔外箱的4個角部為了保證整體剛度，且滿足樓、電梯間的自然通風，開1 500 mm寬的小窗，中間跨之間開較大的窗，開窗的位置兼顧外立面的效果，窗戶均勻對稱布置。

首層布置：內柱首先要避開上部提升系統的罐道留洞、提升孔留洞，還應考慮井筒及周圍凍結管的布置，應避開井壁一定距離，由于工藝布置井筒右偏，為了傳力直接，該井塔布置6個內柱。考慮運輸煤炭的出口位置盡量設置在井塔的中間跨內，避免布置在井塔的角部，對剪力墻開洞造成應力集中。皮帶機尾部分用隔墻與主空間分開，防止煤炭灰塵污染。如工藝需要，還需設置存在備用箕斗的空間。本層平面布置如圖1所示。

提升大廳層布置：本層的設備主要有提升機及其配套減速器、電機等，主要的房間有配電控制室、司機操作室。在布置上首先要滿足工藝設備的布置、安裝距離及檢修場地要求，其次要使得提升機大梁的傳力簡單直接。司機操縱室應正對提升機布置，且要求視線良好，能夠清楚地觀測到提升機的運行情況，對面的窗戶掛窗簾，防止太陽光線對司機操作的影響。如果空間允許，衛生間盡量布置在本層，該工程由于地方受限布置在大廳層的下一層。本層平面布置如圖2所示。

2.2 豎向布置

各層標高：主井井塔的豎向布置主要滿足礦井的提升系統設置，其受煤層、防撞梁層、導向輪層、提升大廳層高度由工藝確定。首層標高為±0.0 m，受煤層標高為15.5 m，防撞梁層標高為48.8 m，導向輪層標高為54.722 m，提升大廳層標高67.072 m，提升大廳層上設100 t吊車，軌面標高78 m，結構總高度83.5 m。

裝備布置：導向輪層至大廳層高度為12.35 m，層高過大，在中間設一層設備層，布置變頻器室、風機房等，風機房內冷卻空氣所經過的墻面做法選用磁漆墻面，保證空氣質量。導向輪層的高度應滿足導向輪安裝和檢修要求，設備層的高度應考慮大廳層梁的高度，并保證人員及設備的正常通行。由結構專業控制的空層有3層，層高均取11.1 m。正負零以下距基礎頂有4.5 m的高度，為了減小首層結構高度，方便熱風道、排水、電纜等接入井筒，在地面設架空層。井塔內設封閉樓梯間一部，客貨兩用兼消防電梯一部，額定載重量1 t，額定速度1.5 m/s，保證從首層至頂層的運行時間不超過60 s。首層及空層電梯相鄰兩層門地坎間距超過11 m，在中間設置安全門，高度不小于1.8 m，寬度不小于0.35 m。豎向布置及1-1剖面如圖3所示。

圖3 豎向布置及1-1剖面

3 結構受力分析

立井井塔的結構安全等級為一級，結構重要性系數取1.1，抗震設防類別為重點設防類。

3.1 荷載及取值

井塔荷載：立井井塔的荷載除正常的永久荷載、可變荷載外還有摩擦輪事故荷載和過卷荷載。其中摩擦輪事故荷載是在提升容器全速提升的過程中，意外地受到某種阻礙，而使提升容器突然卡住，或者由于操作失誤和電控失靈，引起容器過卷被楔形罐道和防撞梁卡住，而提升機仍繼續向上提升容器，導致一側提升鋼絲繩全部被拉斷[6-7]。摩擦輪事故荷載是井塔結構計算最關鍵的荷載。

荷載取值：《礦山提升井塔設計規范》[8]給出的提升機直徑>4.0 m，提升機大廳層樓面活荷載取25～30 kN/m2，本工程提升機直徑5 m，取30 kN/m2。摩擦輪事故荷載根據規范取1.33倍摩擦輪一側所有鋼絲繩破斷力之和，過卷荷載根據規范取4倍提升鋼絲繩最大靜張力。

3.2 結構驗算

采用中國建筑科學院PKPM軟件，考慮正常使用工況、過卷工況(2個)、提升機電機短路工況、提升機摩擦輪事故工況5種工況進行計算[9-11]。當計算摩擦輪事故工況時，作用在導向輪上鋼絲繩荷載取一側所有鋼絲繩破斷力之和，摩擦輪事故工況僅用于提升機大廳層及下一層構件計算，荷載效應及抗力應滿足式(1)要求

(1)

式中，Sd—荷載組合效應設計值；Rd—結構構件抗力設計值；SGk—按永久荷載標準值計算的荷載效應標準值；SAk—按摩擦輪事故荷載標準值計算的荷載效應標準值；ψQi—第i個可變荷載的準永久值系數，樓面活荷載取0.6，鋼絲繩罐道荷載取1.0，風荷載取0.2；SQik—第i個可變荷載標準值計算的荷載效應標準值。

計算過卷工況時，過卷荷載的方向是向上的，不考慮樓面均布活荷載，永久荷載分項系數取0.9，過卷工況與正常使用工況控制防撞梁層的配筋。

3.3 抗震設計

本工程所在區域地震基本烈度為6°，框架及剪力墻的抗震等級為二級。

樓板開洞影響水平力的有效傳遞：標高15.5 m受煤層、標高26.6 m層考慮裝卸箕斗，從吊裝孔至套架留洞樓板貫通開洞，樓板開洞率23%；空層樓板有吊裝孔開洞、套架開洞等，樓板開動率在15%左右。設計中板厚取0.15～0.2 m，雙層雙向配筋，加大開洞周圈梁的截面和配筋，補強樓板剛度，保證水平力的有效傳遞。

層剛度和質量分布不均勻：井塔層高因受工藝的限制，層高差異較大，首層層高15.5 m，空層層高11.1 m，防撞梁層層高5.922 m，導向輪層層高7.5 m，設備層層高4.85 m，而且井塔的主要設備集中布置在提升大廳層和導向輪層，層剛度和質量分布極不均勻。設計中保證門窗洞口上下對齊布置，剪力墻雙向均勻布置，且上下連續，空層層高盡量一致，盡可能保證豎向剛度的連續性，減小剛度突變。

3.4 主要構件截面尺寸

內柱從基礎頂至防撞梁層取1 100 mm×1 100 mm，防撞梁層以上取1 000 mm×1 000 mm；外箱墻從基礎頂至防撞梁層取400 mm，防撞梁層至提升大廳層取350 mm，提升大廳層以上取250 mm；外箱扶壁柱從基礎頂至防撞梁層取800 mm×1 000 mm，防撞梁層至提升大廳層取600 mm×1 000 mm，提升大廳層以上取600 mm×800 mm。提升機基礎梁跨度11.2 m，截面取1 120 mm×4 000 mm。

4 基礎設計

場地位于毛烏素沙漠邊緣地帶，以砂土為主，地質勘查最大揭露深度為50 m，未見巖石層。基底的土層為松散細砂土，地基承載力特征值fAk80 kPa，不能直接作為持力層，采用鋼筋混凝土灌注樁加梁筏的基礎型式，受力明確，承載力高，沉降量小。灌注樁采用C35的混凝土，樁徑取0.8 m，樁長38 m，樁數104跟，單樁承載力特征值為3 800 kPa。在凍結管周圍的樁采用后注漿施工，減小凍融循環對樁承載力的影響。樁位選擇時考慮把樁盡量布置在豎向傳力構件下和井筒一周凍結影響區域，筏板及基礎梁底標高-6 m，厚度取1.5 m。基礎平面布置圖如圖4所示。

圖4 基礎平面布置

5 結語

主井井塔是煤礦生產的重要建筑物，通過對納林河二號煤礦的主立井井塔的結構選型、平面布置、豎向布置、荷載取值、受力分析、抗震設計及基礎設計做一些介紹，可以為以后工程提供參考。在設計過程中可以明確的是，井塔工程首先要滿足工藝的提升要求，而與普通民用高層建筑在使用功能和受力特點上有顯著的不同，在設計中還有諸多因素需要做進一步的研究論證，例如，壁柱的剪力墻穩定驗算，設計中應考慮設備振動的影響及相關的構造要求，以及如何實現大型井塔的鋼結構設計等。