矿山竖井刚井架设计.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 0 年8 月 铀矿冶 U R A N I U MM I N I N GA N DM E T A L L U R G Y V 0 1 ．2 9N O ．3 A u g ．2 0 1 0 矿山竖井钢井架设计 姜智岭，荣峰 中国核工业集团公司第四研究设计工程有限公司，河北石家庄0 5 0 0 2 1 摘要通过井架工程设计实践，详细分析与论述矿山竖井常用钢井架的结构选型及布置、荷载效应及组合、计 算方法及设计基本原则，并利用平面结构分析软件P K P MC A D 系列中的S T S 模块对单绳和多绳提升钢井架 结构进行计算分析。 关键词矿井；钢井架；结构；设计；计算 中图分类号T D2 2 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 0 8 0 6 3 2 0 1 0 0 3 0 1 2 4 0 6 钢井架是矿井地面主要构筑物，对整个矿井 的生产起着重要作用。与其他形式的井架、井塔 相比，钢井架具有自身重力轻、造价省、高强耐震、 制作安装简单、施工周期短等特点，在国内外矿山 广泛采用。钢井架在国内铀矿山工程中已得到应 用，并将得到更广泛的应用。钢井架是一个空间 受力体系，主要构件受力都比较复杂，目前还没有 合适的针对钢井架设计的专用计算软件。笔者根 据工程设计实践，对钢井架的设计、计算过程进行 了总结和论述，根据手工计算过程，利用中国建筑 科学研究院所编制的P K P MC A D 系列软件中 S T S 模块进行了井架内力计算，以期对今后铀矿 山工程井架设计提供参考。 1 结构布置 I ．I 原始设计资料 钢井架结构设计首先应满足提升工艺的使用 要求，所以需要矿山机械等专业提供有关提升系 统、竖井的相关设计资料和要求。所需设计资料 主要有井筒位置、深度及井口标高；提升设备数 目及提升用途；提升容器规格、自身重力及矿物自 身重力；卸载标高及卸载曲轨 箕斗提升时 ；天轮 规格及自身重力；提升机滚筒直径；提升最大速度 与加速度；钢丝绳规格、破断力、工作荷载、最大静 张力及静张力差；制动钢丝绳规格及自身重力；提 升系统图；井筒锁口平、剖面图；井口运输线路布 置图等。 I ．2 结构形式选择 在满足提升工艺要求的前提下，本着安全可 靠、制作安装方便、经济合理、占用井口时间短的 原则，并根据相关专业所提供的接口资料，选择合 适的结构形式。做到结构简单、受力明确、传力简 捷，适应矿井服务年限及使用环境。 常用的井架形式按提升方式分为两大类，即 单绳和多绳提升钢井架，详见图1 和图2 。大中 型矿井一般多采用多绳提升钢井架，小型矿井一 般采用单绳提升钢井架。 井架结构一般分为立架、斜撑、起重架、天轮 平台、支撑框架和基础6 个部分。 天轮平台阐 ／“奄| ， 立架 萋|||| 飞 ．／ 曝 I 坚E 支撑1在架 图1单绳提升钢井架结构示意图 收稿日期2 0 1 0 0 4 0 8 作者简介姜智岭 1 9 5 2 一 ，男，河北省徐水县人，高级工程师，从事结构工程设计和研究工作。 万方数据 第3 期姜智岭，等矿山竖井钢井架设计 1 2 5 基础 图2多绳提升钢井架结构示意图 1 ．3 井架平面布置 井架平面布置应满足提升技术要求，处理好 井架与提升机房位置的关系。具体有以下几点 1 确定井架斜撑底跨平面尺寸时，应使提升 钢丝绳合力作用线在井架斜撑轴线的内侧，且2 条线宜接近，以便充分发挥斜撑柱受压作用及减 少井架水平位移，并防止提升制动或发生事故时 井架产生过大的振动。 2 确定斜撑底跨2 支点间跨度时 垂直于提 升平面 ，应满足斜撑纵向的刚度要求，保证能够 有效抵御风载和地震作用。斜撑基础顶面中心线 之间的距离一般大于井架总高度的1 ／3 。 3 立架平面布置应处理好立架与井口平面锁 口、摇台设备的关系，并保证提升容器与井架杆 件之间必要的净空。同时，应满足立架整体稳定 性要求，2 个方向边长大于立架高度的1 ／1 0 。立 架柱尽可能落在井颈上。 4 多绳提升井架为了控制井架的初位移，斜 撑牛腿联系铰由立架中间向斜撑方向移动0 ．1 5 ～ 1 ．1 0m ，并使井架斜撑与立架顶或井口建筑保持 一定距离，以免相碰。 1 ．4 井架竖向布置 井架竖向布置应考虑提升技术要求以及天轮 安装检修的需要，设置天轮平台、工作平台及天轮 起吊平台。各层平台应综合考虑天轮布置、检修 操作所需空间以及安全间隙要求，同时注意满足 竖向交通所需的空间。井架立架的竖向布置需考 虑罐道、防撞装置、托罐装置、罐笼等安装及检修 方便。井架高度应由工艺专业确定。 1 ．5 支撑框架布置 支撑框架布置应根据井架的平面布置。考虑 井筒装备平面布置、托罐装置、摇台、罐道及罐道 梁、安全门等构件的安装及联结要求。在罐笼井 架中支撑框架与托罐梁通常结合在一起，如图3 所示。 图3 支撑框架平面图 支撑框架设置深度视托罐梁的位置而定，不 能影响摇台的工作范围。箕斗井架中支撑框架的 顶面与井口同一标高或降低1 0 0m m ，以便设置 井口防火门或安全门。支撑框架主梁支点位置一 般在离开井筒外壁3 0 0 ～4 0 0m m 处，主梁的锚栓 离开井筒内壁应大于2 0 0m m 。 1 ．6 立架构件布置 立架是由4 榀桁架或框架组成的空间结构， 除承受斜撑传来的力、风荷载及地震作用外，还承 受提升容器或平衡锤传来的各种力，因此立架需 设置辅助构件来承担这些力，例如罐道梁、防撞 梁、托罐梁等。立架构件布置应考虑以下几点 1 过卷制动力缓冲装置布置在提升容器或 平衡锤的两侧，并且承受很大的向上拉力。因此 提升容器之间或容器与平衡锤之间须布置受力很 大的构件。在提升过程中，罐道梁除了承受垂直 力外，还要承受双向水平力。 2 当提升发生事故时，防撞梁承受向上撞击 力，而断绳后容器或平衡锤落下，托罐梁又承受向 下冲击力。这2 种力都很大，但不同时发生。防 撞梁截面比较大，布置在立架顶梁的下方，与立架 顶梁组成刚度很大的平面，对整个井架的稳定起 重要作用。 3 立架更换容器框口内布置可拆构件，更换 万方数据 1 2 6铀矿冶第2 9 卷 容器时拆除这些构件。整体计算中可不考虑这些 构件的作用，而把整个框E l 当作铰接框架计算。 2 荷载及荷载效应组合 2 ．1 计算荷载 作用在井架上的荷载分为永久荷载、可变荷 载和偶然荷载。 2 ．1 ．1 永久荷载 永久荷载包括井架自身重力和天轮、轴承、罐 道、起重设备、卸载装置、防坠器、钢丝绳、缓冲器 等设备的自身重力。 2 ．1 ．2 可变荷载 可变荷载包括风荷载 应考虑东、南、西、北4 个风向 ，提升钢丝绳工作荷载，钢丝绳罐道工作 荷载 钢丝绳罐道的初拉力和自身重力 ，制动钢 丝绳荷载 工作荷载为制动钢丝绳的初拉力、自身 重力及固定于立架上的缓冲器自身重力的总合， 制动荷载应再乘以制动荷载系数 ，起重架安装荷 载，以及平台活荷载。 2 ．1 ．3 偶然荷载 偶然荷载包括断绳荷载和地震荷载。 2 ．2 荷载效应组合 按承载能力极限状态和正常使用极限状态分 别进行荷载效应组合，并取各自的最不利的效应 组合进行设计。 对于不同的荷载必须考虑不同的荷载效应组 合系数。另外对于天轮桁架及横梁荷载、防坠器 荷载、缓冲器装置荷载、托罐梁荷载还应乘以不同 的动力系数。 井架效应组合的分项和组合系数、井架地震 效应组合的分项和组合系数、井架荷载效应组合 的组合值系数和准永久系数参见文献[ 1 ] 1 6 。 3结构计算 井架设计安全等级为二级[ 1 ] 1 。应按2 种极 限状态对结构及构件进行承载力与稳定计算，必 要时应进行结构的倾覆及滑移验算，需要控制变 形的结构构件还应进行变形验算。井架结构的荷 载效应按弹性理论进行分析。 钢井架是由平面桁架组成的空间钢结构，对 于体形复杂的井架结构应采用空间分析方法进行 荷载效应计算。可采用通用的结构分析软件，如 美国S A P 系列、A N S Y S 等通用有限元分析软件 等进行整体计算与分析。 对于布置规则的井架，可以将其简化为若干 平面框架或桁架进行荷载效应计算。对于常用的 单绳和多绳提升钢井架。可以分解为正面桁架 主 要用于承担提升荷载 、侧面桁架 将两侧正面桁 架联系为一个整体的平面桁架 和斜撑 承受工作 荷载和特殊荷载 。 单绳提升钢井架的提升荷载、工作荷载和特 殊荷载主要通过井架的头部天轮桁架对正面桁 架、侧面桁架、斜撑进行力的传递；多绳提升钢井 架的提升荷载、工作荷载和特殊荷载主要通过天 轮支撑构件对正面桁架、侧面桁架、斜撑进行力的 传递。 可利用P K P M 系列计算软件中S T S 模块对 天轮桁架、头部桁架、正面 侧面 桁架及斜撑进行 内力分析。 3 ．1 单绳提升钢井架结构计算 3 ．1 ．1 天轮桁架计算 井架头部的主要承重结构是天轮桁架、支撑 顶梁和天轮桁架的支撑系统，一个天轮的天轮桁 架计算简图见图4 超静定结构 。图4 中P ，， P 。，P 。，P 。为自身重力及平台荷载引起的节点荷 载；F H ，。为钢丝绳工作荷载 或破断荷载 水平分 力；F v ，为钢丝绳工作荷载 或破断荷载 垂直分 力 天轮自身重力；F 刚，F 。。，F 。。为天轮架反力； F l ，F 2 为左侧风荷载 还应计算右侧风荷载 。 P 4P 3e v i 2P 2 P 图4 天轮桁架计算简图 3 ．1 ．2 头部桁架计算 头部桁架的荷载计算简图见图5 超静定结 构 。图5 中P 。，| P 。为自身重力及平台荷载及 起重架引起的节点荷载；P ，为自身重力及平台 荷载引起的节点荷载；P 。为自身重力和天轮桁 架及平台荷载引起的节点荷载；F7 s ，，F7 。，F ‘船为 头部桁架反力；F ，，F 为左侧风荷载 还应计算右 万方数据 第3 期 姜智岭，等矿山竖井钢井架设计 1 2 7 侧风荷载 。 图5 头部桁架计算简图 按计算简图对天轮桁架及头部桁架进行内力分 析，并计算出作用在正面桁架、侧面桁架、斜撑支撑 梁上的反力 F R 。，民和民 ，以进行下一步计算。 3 ．1 ．3 正 反 面桁架计算 根据头部桁架传到正面桁架的荷载按超静定 结构进行计算，计算简图见图6 。图6 中F 1 ～ F ，。为左侧风荷载 右侧风荷载 ；F ’刚，F ’R z ，F ’x 。 为头部桁架反力；F n n ，F 。。为正 反 面桁架反力。 3 ．1 ．4 斜撑计算 根据天轮桁架及头部桁架传到斜撑的荷载按 静定结构进行计算，计算简图见图7 。图7 中 F 1 ～F 。为左侧风荷载 右侧风荷载 ；F R 。，F ’n 。为 天轮架及头部桁架反力；F n 。为斜撑反力。 图6 正面桁架计算简图图7 斜撑计算简图 3 ．1 ．5 侧面桁架计算 根据天轮桁架及头部桁架传到侧面桁架的荷 载按超静定结构进行计算，计算简图见图8 和图9 。 图8 和图9 中F 1 ～F 8 为左侧风荷载 右侧风荷 载 ；民，氏为天轮架反力；F 7 融，F 7 阳为头部桁架 反力；F R 。，氏为侧面桁架反力。 F k 3 F 1 一 F 2 ．。． 凡一 R R F 7 ．一 R F R 3 4 图8 左侧面桁架 计算简图 图9 右侧面桁架 计算简图 按计算简图对正面、侧面桁架及斜撑进行内 力分析，计算出各杆件内力及作用在立架支撑框 及斜撑基础的反力 F 。A ，F n e 和F 。c ，并根据内力 确定各杆件的截面。 3 ．1 ．6 其他相关计算 起重架、正面、侧面桁架及斜撑的顶梁需单独 进行计算。先计算出作用在立架支撑框架及斜撑 基础的反力 F 。A ，F 。。和F 。。 ，然后进行支撑框架 及斜撑基础的计算。 3 ．2 多绳提升钢井架结构计算 由于单绳提升钢井架的天轮固定在天轮桁架 上，而多绳提升钢井架的天轮则固定在斜撑横梁 上，所以这部分的受力分析与单绳提升钢井架有 所不同。正面、侧面桁架及斜撑的内力分析基本 相同，笔者只对头部天轮支撑构件受力分析及斜 撑计算进行叙述。 3 ．2 ．1 天轮梁计算 由于提升天轮座落在斜撑上，起重架与斜撑 为一体，斜撑通过牛腿与立架铰接，所以可将天轮 与起重架、斜撑一起进行受力分析，计算简图见图 1 0 。图1 0 中F 。。，F 。．为上下天轮在钢丝绳荷载 包括断绳或工作荷载 作用下产生的水平分力； F s ，，F x ，为相应的垂直分力；F 。。，F n 。为相应的合 力；F 。n ，F 。。为上天轮轴承座产生的水平、垂直分 力；F z n ，F z 。为下天轮轴承座产生的水平、垂直分力。 万方数据 1 2 8铀矿冶第2 9 卷 图1 0 天轮梁荷载计算简图 3 ．2 ．2 斜撑计算 考虑天轮梁传到斜撑的荷载对斜撑进行计 算，可计算出各杆件内力及作用在斜撑基础的反 力，计算简图见图1 1 。图1 1 中F 。～F 。为左侧 风荷载 右侧风荷载 ；G 。，G 。为起重梁荷载；P ， 为上天轮F ，n 与F 。，对轴承梁产生的合力 天轮 自身重力 平台荷载；P 。为下天轮F 。。与F 。对轴 承梁产生的合力 天轮自身重力 平台荷载； F R A ，F R 。为斜撑反力。 图1 1 斜撑计算简图 计算出斜撑反力后，即可进行正面桁架、侧面 桁架的内力分析。斜撑通过铰支座与立架相连， 所以作用在正面桁架、侧面桁架上的荷载需通过 铰支座所在平台的钢梁传递到正面桁架、侧面桁 架上。 4 钢材等级及规格 1 主要构件如天轮架、天轮梁、立架、斜撑应 采用Q 2 3 5 等级B ，C 的碳素结构钢或Q 3 4 5 等级 B ，C ，D 的底合金高强度结构钢；次要构件如钢 梯、栏杆等可采用Q 2 3 5 等级A 的碳素结构 钢[ 1 ] “。 2 使用地区的计算温度低于零下2 0 ℃时，应 采用Q 2 3 5 等级D 的碳素结构钢或Q 3 4 5 等级D ， E 的底合金高强度结构钢u ] 2 4 。 3 天轮支撑结构、托罐梁、防撞梁、立架柱、斜 撑柱等，钢板最小厚度不宜小于8m l T l ，加劲肋钢 板厚度不小于6m m ；立架支撑框架钢板厚度不 小于1 2m m ；节点板厚度不小于8m m 。 4 型钢杆件最小截面角钢为L6 3 6 ，工字 钢不小于I1 4 ，槽钢不小于E 1 2 ．6 。 5 防腐 钢井架防腐蚀所采用涂料、钢材表面除锈等 级以及其他防腐蚀要求等，应符合现行国家标准 G B5 0 0 4 6 - - 2 0 0 8 工业建筑防腐蚀设计规范和 G B ／T8 9 2 3 - - 1 9 8 8 涂装前钢材表面锈蚀等级和 除锈等级的规定。设计文件中应注明钢材除锈 等级和采用的涂料及涂层厚度心。3 j 。 6结束语 1 钢井架是一个空间受力体系，主要构件受 力比较复杂，宜进行整体荷载效应计算与分析，但 目前还没有针对钢井架的专用计算软件，应积极 进行开发。 2 对于布置规则的钢井架，可将其简化为若 干平面框架或桁架，并利用平面分析软件计算荷 载效应。这种做法在类似工程设计中取得了成功。 参考文献 [ 1 ]中华人民共和国建设部．G B5 0 3 8 5 - - 2 0 0 6 矿山井架 设计规范I s ] ．北京中国计划出版社，2 0 0 6 ． [ 2 ]中华人民共和国建设部．G B5 0 0 4 6 - - 2 0 0 8 工业建筑 防腐蚀设计规范[ S ] ．北京中国计划出版社，2 0 0 8 ． [ 3 ]中华人民共和国建设部．G B ／T8 9 2 3 - - 1 9 8 8 涂装前 钢材表面锈蚀等级和除锈等级E s ] ．北京中国标准 出版社，1 9 8 8 ． 万方数据 第3 期姜智岭，等矿山竖井钢井架设计1 2 9 T h ed e s i g no fs t e e ld e r r i c kf o rm i n i n ge n g i n e e r i n g J I A N GZ h i l i n g ，R O N GF e n g T h eF o r t hR e s e a r c ha n dD e s i g nE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n ，C N N C ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 2 1 。C h i n a A b s t r a c t T h r o u g ht h ef o r m e rp r a c t i c eo fd e s i g nf o rt h em i n i n gd e r r i c ke n g i n e e r i n g ，t h es t r u c t u r i n g a n dl a yo u t ，l o a de f f e c t sa n dc o m b i n a t i o n s ，c a l c u l a t i n gm e t h o d sa n dd e s i g np r i n c i p l e so fs t e e ld e r r i c k arei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h es t r u c t u r a la n a l y z i n gm e t h o df o rt h es t e e ld e r r i c ku s i n gp l a n a rs t r u c t u r a la n a l y z i n gp r o g r a ma r ed i s c u s s e d ．Ar e f e r e n c ei sp r o v i d e df o rt h ed e s i g no fs t e e ld e r r i c kf o rt h e m i n i n ge n g i n e e r i n g ． K e yw o r d s m i n e ；s t e e ld e r r i c k ；s t r u c t u r e ；d e s i g n ；c a l c u l a t i o n “●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯- ●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●””●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯- o ⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●⋯●“ 固定化烟曲霉生物吸附铀 Ⅵ W a n gJ i n g s o n g 等人在 J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a lR a d i o a c t i v i t y 2 0 1 0 年t 0 1 卷6 期上撰文，介绍 固定化烟曲霉生物吸附铀 Ⅵ 的研究成果。 作者在间歇体系中研究了溶液p H 、生物吸附剂用量、铀 V I 的浓度和接触时间等参数对固定化烟 曲霉生物吸附铀 V I 的影响。结果表明，吸附容量强烈受到溶液p H 、吸附剂用量和初始铀 V I 质量浓 度的影响。最佳的吸附条件是溶液p H 为5 ．0 ，吸附剂用量为2 ．5 ％ 质量体积比 ，初始铀 V I 质量浓 度为6 0m g ／L ，吸附平衡时间为1 2 0m i m 。吸附过程符合F r e u n l i c h 和T e m k i n 吸附等温模型，动力学 吸附模型符合假二次方模型。 陶德宁供稿 向南劫劫劫劫嘞勘劫勘≮匀≮岛岛向劫劫劫劫嘞岛勘岛％劫岛‰嘞嘞劫勘劫岛 军岛嘞≮％‰嘞％≮岛≮勘粤} 溶剂萃取法从独居石硫酸浸出液中提取钍和铀 J a n f i b i aC ．B ．S ．A m a r a l 等人在M i n e r a l sE n g i n e e r i n g 2 0 1 0 年2 3 卷第6 期发表文章，介绍溶剂萃 取法从独居石硫酸浸出液中提取钍和铀的研究结果。 作者研究了萃取剂类型和浓度、二相接触时间、反萃取剂的类型和浓度，以及水相／有机相体积比对 萃取的影响。萃取剂为P r i m e n eJ M T 和A l a m i n e3 3 6 ，反萃取剂为盐酸。在最优条件下，在混合澄清 器 4 段萃取，5 段反萃取，l 段溶剂再生 中进行萃取、反萃取连续试验。结果表明，上述混合萃取剂同 步提取钍和铀是可能的。负载反萃取液中T h O 和U 。O 。的质量浓度分别为2 9 ．3 和1 ．2 7g ／L 。萃余 水相中金属的质量浓度在0 ．0 0 1g ／L 以下，钍和铀萃取率分别为9 9 ．9 ％以上和9 9 ．4 ％。萃余水相中 R E 。O 。的质量浓度为3 8g ／L 。 陈隆玉供稿 万方数据 矿山竖井钢井架设计矿山竖井钢井架设计 作者姜智岭， 荣峰， JIANG Zhi-ling， RONG Feng 作者单位中国核工业集团公司第四研究设计工程有限公司,河北,石家庄,050021 刊名 铀矿冶 英文刊名URANIUM MINING AND METALLURGY 年，卷期2010,293 参考文献3条参考文献3条 1.中华人民共和国建设部 GB/T 8923-1988 涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级 1988 2.中华人民共和国建设部 GB 50046-2008工业建筑防腐蚀设计规范 2008 3.中华人民共和国建设部 GB 50385-2006 矿山井架设计规范 2006 本文链接