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井塔建筑结构设计

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摘要:

结合我国煤矿矿井生产规模提高,提升能力加大,提升设备增多的现实背景,介绍了内蒙古葫芦素煤矿主井井塔的方案设计,通过设计过程的描述,对此类超大直径深立井井塔的设备特点及要求做了总结,提出了相应的建筑结构方案中提升系统类型的选择以及平面布置、竖向布置的基本原则。

关键词:

钢筋混凝土井塔;提升机大厅;导轮;平面布置;竖向布置

以往,我国绝大多数立井开拓的煤矿矿井,其煤层埋藏深度一般较浅,井筒深度一般在600m以内,井筒净直径一般在80m以下,大多井塔内只有一台提升机;随着我国可开发煤炭资源向深部转移,以及矿井生产规模的不断提高,提升能力加大,提升设备增多,要求井筒加深、井径加大;这势必对井塔的方案设计提出新的要求,如果再按常规的理念进行设计,已不能满足我国煤炭生产发展的需要,必须在超大直径井筒的井塔平面布置、竖向布置、井壁结构、井塔屋面结构等方面进行设计改革、创新。本文以内蒙古葫芦素矿主井井塔的设计来阐述煤矿超大直径深立井井塔的建筑结构方案设计。

1工程概况

葫芦素矿井位于鄂尔多斯市乌审旗东北部,设计生产能力为1300Mt/a,区内气候特征属于干旱的温带高原大陆性沙漠气候,最大冻土深度为174m,基本风压采用05kN/m2。基本雪压035kN/m2,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为005g,设计地震分组为第一组。葫芦素矿井主井井塔为目前国内提升能力最大、提升高度最高、建筑高度最高的井塔,井筒深约700m,内径96m,井壁14m,六绳摩擦提升机位于标高778m的大厅层,导向轮位于标高6205m的导轮层,提升机及导轮直径均为5m;主井内设一对50t立井多绳提煤箕斗,单个箕斗高232m,自重68t,可装载50t原煤。提升系统最大速度14m/s,加速度085m/s2,减速度095m/s2。首绳型号6×36WS-FC,直径52mm,抗拉强度1770MPa,单位长度质量102kg/m,每根钢丝绳最小破断拉力总和为2124kN/根,共6根;尾绳规格206×33,型号PDCR8×[4×19]-FC,单位长度质量204kg/m,抗拉强度1470MPa。

2提升系统选择

2、1提升方式的选择对于主井而言,立井提升方式主要有两种:箕斗提升和垂直带式输送机提升。箕斗提升是最成熟的一种提升方式。根据国外相关资料,垂直带式输送机提升高度在100~500m之间,提升能力为350~2000t/h,并有系列产品。但国外目前的垂直提升高度在500m以内。国内还没有垂直带式输送机提升的实例。葫芦素矿井提升高度大于600m,根据对大型箕斗提升的调查和使用情况分析,箕斗提升具有可自动化运行、提升能耗低,安全可靠性高,技术成熟等优点,故设计推荐立井箕斗提升方式。

2、2提升系统形式选择多绳摩擦提升系统有塔式和落地式两种形式,其主要优缺点如下:塔式提升形式,具有占地面积小、系统简单,设备尺寸和质量较小,且设备布置集中,便于安装、运输、维护、检修和管理,尤其是钢丝绳设在塔内,可提高钢丝绳使用寿命,安装、维护、更换钢丝绳较为有利,钢丝绳防冻和防滑性能好,初期投资和运营费用省等优点。缺点是井塔基础及结构形式复杂,施工工期长,占用井口的时间较长,需科学安排施工方法和进度,设备起吊安装需设电动超卷扬起重机,增加电梯等[1]。落地式提升形式,井筒装备施工、提升机房施工及设备安装调试可以平行交叉作业,占用井口时间短,若利用永久井架凿井,还可省下一个凿井井架,施工工期较短。缺点是井架和提升机房占地面积大,系统防滑性能差,为满足防滑要求需增加很多配重,安装、维护、更换钢丝绳困难,尤其是该矿井位于内蒙古鄂尔多斯地区,冬季漫长寒冷,钢丝绳裸露在外冬天易结冰,影响系统防滑性能,再则由于井架较高,钢丝绳弦长较大,系统运行安全性较差,天轮每日的例行检查需爬井架,井架的日常防腐费用较高,初期投资和运营费用高。经综合比较,设计推荐采用塔式提升方案。

3井塔建筑结构布置

井塔平面和竖向布置,主要受提升设备布置影响,井塔室内的井筒直径大,提升系统位置高,提升能力大,设备尺寸及质量大,提升速度比一般矿井有大幅度提高,这些因素使得葫芦素主井井塔成为目前国内最高的井塔,主要楼层平面布置如图1所示。建筑平面轴线尺寸为285m×24m,建筑总高度10015m,采用内框架方外筒结构。主要楼层共七层,除标高47500m处的楼层为单纯根据结构要求设置外,其余楼层的设置均跟工艺要求或电梯规范要求有关,其中一层中部的局部楼层是为满足《电梯制造与安装安全规范》(GB7588—2003)52212条确保相邻地坎间的距离不大于11m的要求设置的,2~4层的楼层中部局部楼层是应工艺要求设置的,并满足上述电梯规范52212条要求[2],见表1。

4建筑结构布置分析

4、1结构体系选择该井塔平面尺寸285m×24m,高10015m,采用内框外方筒结构,沿塔身四周设置剪力墙和扶壁柱,这是国内外最广泛采用的一种形式[3]。四周设置剪力墙使得井塔拥有比较好的抗侧刚度和整体稳定性[4];本井塔的底层及顶层层高大,在井塔壁板处设置壁柱可以增强壁板平面外的稳定性,在壁板中设置截面大小合理的壁柱能很好的解决墙体稳定性问题,同时作为大梁支座使用,避免大梁直接搭在壁板上,传力合理,减小剪力墙的受力,从而减小壁板厚度,减小整体结构质量,降低地震力。井筒周围布置4根内柱,形成内框架,一方面主要起到减少各层框架梁跨度的作用,另一方面内柱数量不设太多,避开井筒,并尽量减少对底层空间的占用,不影响室内的交通,内框架柱不采用转换,井筒周围四根柱子均落于筏板基础上,结构体系传力直接合理,利于抗震。并不是任意大小的壁柱都可以作为剪力墙的平面外支撑,必须达到一定的截面大小,提供足够的刚度才能起到对壁板的支撑作用,同时也是为了保证壁柱本身的稳定性。该工程的壁柱大小为12m×16m。

4、2平面布置原则1)平面整体形式。一般情况下井塔设计成矩形平面,提升机的两个主轴与井塔的两个主轴平行,有时完全重合,矩形平面可以充分利用建筑面积,方便布置控制室、配电室、楼电梯等其他辅助设施,并方便与井口其他建筑连接。2)内框架柱布置。在井塔设计中,提升机大厅的平面布置往往左右着井塔的各个部位,因此提升机大厅的布置就成为整个井塔平面布置的重点[1]。框架内柱布置应首先从井筒大小及大厅层的工艺布置入手,内框架柱的位置确定在满足大厅层设备布置的前提下往下面各层落,依次满足下面各层的工艺要求,避免与设备位置发生冲突。大厅层应有至少一个方向的提升机基础坐落于框架主梁,另一方向的设备基础也应尽量落于框架梁,确实无条件的则把此方向的设备基础大梁作为一级次梁搭在另一方向的框架梁上;为尽量减小框架内柱施工对井筒的影响,框架柱位置离井筒外壁不小于1m。根据这两条可以初步确定框架内柱的位置。此后再把框架柱落到大厅层以下各层,主要有以下几条需注意:①满足框架内柱不影响底层交通,特别是底层大门达到95m宽,为的是设备安装通过轨道进出井筒,应特别注意对其是否有影响;②漏斗上部平面大小,尽量使其与框架柱统一,漏斗壁与框架柱做成整体,此条可以与机制专业协调解决;③导轮基础应尽量落于框架梁上且框架柱应离导轮有足够的距离进行设备的安装等操作;④框架内柱须避开风机层的冷却设备。3)楼梯、电梯设置。井塔作为煤矿上的最重要建筑物,其高度较高,又不能保证完全自动化,且里面设备极其重要,如发生火灾应有相应的消防设施供消防人员实施紧急救援,应采取一定的措施保证其具有相应的消防功能,该井塔参照高层防火规范,设置一部消防电梯,一部封闭楼梯间。从交通人流的合理性考虑,把消防电梯和封闭楼梯间设置在同一个角落。

4、3竖向布置原则1)楼层的设置应首先满足工艺的提升系统设置要求[5-7],提升机、导轮、冷却风机、箕斗闸门开闭控制装置、检修平台等的标高位置都得设置楼板。应工艺要求设置的楼层见表1,剖面如图2所示.2)在满足工艺要求情况下尽量加大楼层高度,减少中间楼层数量,除底层和顶层外,中间楼层高度取15m左右,取145m。工程主要楼层仅6层楼板,相比传统井塔极大的减少了楼板在整体结构中所占的比重,减小了井塔重量,降低了地震力,节省了材料,方便施工并缩短工期,这对于一年内施工季较短的严寒地区(如内蒙古、新疆、黑龙江等)有非常突出的优点,并能给甲方早日投产提供有利的支持。3)层高应考虑大型设备的安装方便,特别注意大厅层的梁高及设备本身的高度。因此大厅层下面一层的层高应该尽量大一些,因下面一层往往用作变频器室,内部设备较高且需整件安装,具体层高需根据甲方订货的设备安装高度及大厅层设备基础梁的梁高确定,本设计的层高为8m,能很好的满足安装要求。

4、4立面布置原则井塔作为矿上最重要的工业建筑,往往成为一个矿的标志性建筑,设计中要尽可能注意美观、大方,体现现代化矿井的建筑风貌,做好在保证工艺要求前提下的空间组织,注意建筑造型和色彩的协调、统一,使矿区有一个崭新的面貌和宜人的环境。井塔外立面采用虚实结合的建筑学基本手法,采用玻璃幕墙作为外立面的主体,幕墙边框为蓝色,两侧为白色实体墙体,井塔顶部镶嵌上中煤能源集团的标志,整个井塔风格亮丽,基调颜色蓝白色,与蓝天白云交相辉映,展现出极强的现代建筑的气息。

5结语

葫芦素矿井井塔设计在平面及竖向布置上优先考虑生产设备的使用及安装要求及结构体系的可靠性,采用外筒内柱(4根)的平面结构形式及大层高的竖向结构形式,综合考虑生产过程中的使用合理性及业主对现代化矿井的设计理念,顺利完成了国内又一个超大直径深立井井塔的设计,获得了业主及业界的好评。

参考文献:

[1]甘爰节.井塔和井架方案选择[J].煤炭科学技术,1998(11):17-20.

[2]GB7588—2003,电梯制造与安装安全规范[S].

[3]张兆雷,李萍.多绳提升机井塔的设计与实践[J].山东建筑工程学院学报,2003(1):92-95.

[4]瞿金兰.海石湾矿井主井井塔设计的体会[J].煤炭工程,2007(8):30-31.

[5]张光宇.母杜柴登副井井塔设计[J].煤炭工程,2012,44(10):34-35.

[6]刘彦东.纳林河矿井副立井井塔设计[J].煤炭工程,2015,47(8):19-21.

[7]周家英.浅谈刘庄主井井塔设计[J].煤炭工程,2011,43(6):5-6.

作者:刘显旺 郭智杰 王程 单位:中煤邯郸设计工程有限责任公司

井塔建筑结构设计责任编辑:杨雪    阅读:人次