鑿井井架的加工選型與起立技術

陳 釘

（中煤建設集團有限公司，北京 102218）

鑿井井架是礦井開鑿建設中必要的建井設備，屬于臨時性的井架。其主要作用是懸吊鑿井設備以及承擔運輸人員、物料和矸石外運的荷載。鑿井井架主要由主體架、天輪房、扶梯、卸矸臺以及基礎組成，其內部節點的空間結構較為復雜。為了保證其較強的承載能力和穩定性，其內部立柱常常布置成三角形，桿件安裝角度要求十分嚴格。且每一個桿件的節點上均由多個法蘭在不同的方向上進行連接。因此，在鑿井井架設計加工時，特別要注意連接桿件的長度尺寸、連接角度等條件因素[1]。一旦桿件出現加工質量問題，或者是出現安裝角度誤差的話，都無法保證桿件與其連接件的正常連接，導致安裝困難并影響礦井的開鑿建設。同時，作為大型的鋼結構井架，如何保證井架的平穩起立也是需要認真研究的內容。

1.鑿井井架的型式與構造

鑿井井架也稱掘進井架，是一種用于承載各種負荷的鋼結構架，是煤礦建井工程中最重要的施工結構物之一[2]。目前，最為常用的鑿井井架結構型式為亭式鋼鑿井井架。該類型井架由于具有良好的力學性能，且結構簡單、質量輕便、加工制造和運輸安裝都比較容易，因而在實際工程中應用最為廣泛。亭式鋼鑿井井架的構造主要包括以下幾個部分。

1.1 天輪房

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

1.2 主體架

主體架是整個井架的主體部分，主要用來承受天輪平臺的荷載，并將其傳遞給基礎。主體架基本由鋼材質桿件連接搭建而成，其四面呈梯形桁架空間結構；梯形桁架內部空間則由桿件搭建為多個三角形結構，從而保證了主體架的整體穩定性。主體架下部立于井架基礎上，上部用螺栓與天輪平臺的中梁及邊梁連接。主體架沿高度可分為多個節間，每個節間在高度上大致相等。這樣可使角柱在各節間的自由長度相等，以便合理選擇角柱截面。主體架內部第一層水平高度處是其內部受力較大的部位，此處設置了水平連桿使其內部形成了網格狀支承結構，從而保證了井架具有較好的空間穩定性。水平連桿還可用來支承卸矸臺。

1.3 卸矸臺

卸矸臺通常布置在主體架的下部第一層水平連桿上，來翻卸矸石，通常采用工字鋼或槽鋼構造。

1.4 扶梯

扶梯通常垂直設置于主體架內，通常由3 個梯段組成。上部兩個梯段分別設置在卸矸臺和天輪房。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，梯子平臺采用槽鋼和網紋鋼板。

1.5 基礎

基礎是井架與地面連接、過渡的部分，一般采用鋼筋混凝土材質，4 個獨立的基礎分別設置在井架的四個柱角處。井架所有的受力荷載最終全部由基礎承擔，因此要求四個基礎必須穩定可靠，不會產生不均勻沉降。鑿井井架基礎的斷面形式一般采用截錐形。為達到其穩定性要求，基礎混凝土的強度等級不應低于C20。基礎頂面應呈一定的傾斜角度與角柱中心線保持垂直，而基礎底面是水平的。

2.鑿井井架的設計要求

2.1 足夠的承載能力

鑿井井架在工作時要承擔矸石外運、人員物料提升等各種負荷，因此對其承載能力具有很高的要求。這就需要我們從井架的設計、選材、加工制造等方面采取措施，以保證其足夠的強度、剛度和穩定性。

2.2 足夠的過卷高度

為防止井架在使用中出現滑架與天輪平臺梁相撞等事故，井架設計時，要有足夠的過卷高度。此外，設計時還要考慮吊桶翻轉高度、連接裝置和滑架高度、過卷高度、提升天輪公稱半徑等因素，留有足夠的高度余量，以保證其能夠安全平穩使用，減少事故的發生。

2.3 天輪平臺和角跨距尺寸滿足施工要求

天輪平臺和角跨距尺寸設計時，需要充分考慮到對于吊盤吊掛、鎖口盤安裝、設備材料運輸、鑿井設備懸吊等方面的使用需求。使井架天輪平臺和角跨距尺寸與施工時鑿井懸吊設施、井筒的斷面相適應。

3.鑿井井架的制作與加工

隨著計算機制圖軟件以及各種自動化加工設備的應用，鑿井井架制作的精度已經很高，桿件制作時的誤差和焊接變形量已經很小。這也為井架安裝奠定了良好的基礎。可有效提高工程質量，保證工程進度[3]。

3.1 加工準備

井架桿件制作前，應做好相關設備材料的準備。包括割管機、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、便捷和標準統一，同一構件號的管件可互換安裝。加工模具的長度由井架構件中的最長管件確定，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法蘭；另一端裝固定法蘭，應保證兩法蘭孔在同一水平上，不得有扭轉的現象。使用時，根據需加工桿件的長度來回移動可移動法蘭，以便制作出不同規格長度的構件。為了保證管件加工長度規格的一致，可在加工同一規格構件時，在可移動法蘭一方焊接限位塊，以防止管件在加工時出現長度誤差。

3.2 主要制作工序

3.2.1 管件的制作

管件制作前，根據井架的類型和尺寸，對制作所需的所有管件按照規格的不同統計其數量。然后合理安排管件的制作，合理下料，以最大程度地節約管料。

3.2.2 法蘭盤的制作

制作法蘭盤時，首先利用切割機制作出法蘭盤的外型輪廓，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，在分度盤中心固定定位銷并壓緊，旋轉分度盤鉆孔。這樣即可最大程度保證孔的同心，保證了每個法蘭孔的位置，從而減少了隨機誤差。

3.2.3 插板的制作

插板的制作需要使用到三角函數方面的數學理論。根據圖紙上的尺寸，在插板樣板上做出各短管的邊線、中心線以及焊接法蘭的參照線。在主管與插板相交的特殊點進行標記，然后利用切割機下料。利用樣板在下好的料上留出短接上法蘭的參照線、邊線以及特殊點。

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畫出豁口線，然后再利用豁口樣板將其豁口割開。為了防止焊接變形，可通過點焊方式將法蘭與短接焊接在一起，將兩短接背對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，在計算機CAD 的輔助設計下焊接完成。在模具幫助下，將立柱兩端法蘭對接點焊上。以兩端法蘭孔為基準，找準插板開豁口的位置，使用豁口模具開插板豁口，然后在豁口處安裝插板。使用水平儀找正位置后點焊。然后使用角度樣板安裝另一插板點焊，從而保證兩插板夾角的正確性。對法蘭位置、插板夾角等進行檢驗確定無問題后，再根據圖紙安裝短接。在對應點上點焊加強筋，并使用插板進行二次固定，以此來防止焊接過程中可能出現的焊接變形，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卷高度，大型鑿井井架具有比較高的井架高度。這也導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險。施工安排不當的話，甚至會發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計和組裝時作為基準的兩個平面。

在地面組裝時，可首先以扇面的形式分別對主斜撐和副斜撐進行組裝。組裝完成后，由吊車吊裝整體起立。

可以分別將主斜撐和副斜撐各組裝成一個扇面，然后整體起立。在地面組裝斜撐時，按照標定好的中心線和各段位置，由斜撐底端開始沿各段水平方向逐漸向前行進施工。經過測量后，在地面標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行各斜撐的組裝，待組裝到轉折點以上位置后，停止施工。在組裝斜撐的同時，安裝底部與基礎之間的翻轉鉸鏈，起立抱桿。然后利用抱桿，由滑車、穩車等起吊設備，將已經組裝好的下半部分井架吊起至一定高度后，保持不動。然后根據設計，在上半部分組裝位置制作好臨時組裝平臺。將已經在地面組裝好的上半部分用吊車吊裝到臨時平臺上。根據井架設計圖紙，利用水平儀等儀器確定水平位置，找平找正。水平位置確認無誤后，利用井架起吊設施，以上半部分為基準調整下半部分斜腿，找正對接，并校核井架整體尺寸。再次對位置尺寸等進行確認，確認無誤后，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，進行雙抱桿的組裝起立。雙抱桿組裝完成后，然后利用吊車掛住抱桿頂端將其慢慢吊起。當抱桿起立高度超過鑿井井架高度之后停止起吊，調整各鋼絲繩，使抱桿保持豎立狀態。然后在吊車不再受力的情況下，摘掉吊鉤并將吊車開到不影響施工的安全區域。

4.3 井架的調整

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上，容易導致井架重心不穩，影響井架的安全性和穩定性。在立放井架過程中，由于井架重心不斷偏移并向下滑落，極易產生沖擊現象；特別是在起吊重物時容易發生偏架，甚至是倒架事故。這就需要對井架的重心進行調整，以保證其重心與井架提升中心線相吻合。首先經過測量找到井架的幾何中心線，將井架虛擬成相對于提升中心線對稱的結構。然后按相對應側實體重量補齊進行計算，可使用專門的液壓移架裝置對井架進行微調，以使其重心與井架提升中心線相吻合，偏移量控制在要求范圍內。

4.4 基礎傾覆驗算

井架采用大翻轉法起立時，基礎所承受的井架水平推力與井架水平推力方向相反，致使基礎的穩定性變差。同時，在井架副斜撐高度的限制下，井架起吊點設置要低于正常水平。繼而造成井架起吊力增大，井架對基礎的水平推力增大，影響基礎的穩定性。在井架對基礎長期的水平推力作用下，增加了井架偏移和倒塌的風險。對此，應在井架起立時對井架與基礎之間的水平推力、井架抗傾覆能力等進行驗算。不能滿足要求的，應對基礎進行局部的加固處理。

5.井架加工與起立中的一些關鍵性技術

5.1 準確的受力計算

鑿井井架做為大型的承重設施，保證其重心與井架提升中心線相吻合，保證井架各部分受力均衡是其穩定工作的關鍵。這就需要分析井架的受力情況，做好準確的受力計算。根據井架重心和受力特點，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，還要檢查地錨、鉸鏈、滑輪組等起吊受力部件的母材強度、焊接強度、偏心荷載等，留有安全余量，以確保起吊過程的安全。

5.2 液壓自動調平技術

井架整體搭建完成后，還需要對各部分進行調整和找正，以確保井架整體受力均勻。對此，可采用液壓校正儀，根據需要自動調節支撐高度。液壓自動調平技術可有效提高施工的安全性，降低工人勞動強度，加快施工速度。

5.3 無線視頻監控技術

可采用井架起吊無線視頻監控技術對起吊過程中的各關鍵部位進行監測，以隨時觀察主斜架滑輪、抱桿、鋼絲繩等各受力部位的情況。該技術的使用可以更加容易地發現各種事故隱患問題，并且在發現隱患問題后可以及時處置，從而提高了施工的安全性。