劉彥東

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司納林河二號(hào)煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮(zhèn)，生產(chǎn)能力800萬t/a。該礦井設(shè)2個(gè)主井井塔，一號(hào)主井井筒直徑6.0 m，二號(hào)主井井筒直徑6.5 m，井深均為550 m，2個(gè)主井井塔工藝布置、結(jié)構(gòu)型式相近。提升機(jī)采用上海冶金機(jī)械廠的6繩摩擦輪提升機(jī)，直徑5 m，井塔設(shè)一對(duì)箕斗，每個(gè)箕斗載重40 t，自重62 t。

1 結(jié)構(gòu)選型

1.1 結(jié)構(gòu)分類

立井井塔的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)根據(jù)平面布置、豎向布置、工藝設(shè)備布置、礦井通風(fēng)方式、氣候、地震烈度、地基條件、服務(wù)年限等條件綜合比較后確定。目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)井塔，主要有框架、筒體結(jié)構(gòu)、箱形、箱框形等，鋼結(jié)構(gòu)井塔較少應(yīng)用。框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是空間大、材料用量少，造價(jià)低，設(shè)備布置靈活；缺點(diǎn)是井塔剛度較小，結(jié)構(gòu)延性較差，抗震性能差。筒體結(jié)構(gòu)承載能力及抗側(cè)剛度均較大，結(jié)構(gòu)安全度較高，耐久性好，滑模施工方便；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)重量大，混凝土用量大，施工周期較長(zhǎng)，綜合費(fèi)用高[1-5]。

1.2 選型確定

框架結(jié)構(gòu)適用于較低的且提升能力小的井塔，筒體結(jié)構(gòu)適用于平面尺寸較小的井塔。納林河二號(hào)立井井塔采用外箱內(nèi)框的結(jié)構(gòu)型式，外箱上設(shè)壁柱，位置與內(nèi)柱對(duì)應(yīng)，在柱與外箱之間設(shè)框架梁，該結(jié)構(gòu)型式將箱形及框架2種結(jié)構(gòu)形式結(jié)合起來，優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，豎向荷載主要由內(nèi)柱承擔(dān)，外箱主要提供抗側(cè)剛度和體現(xiàn)多道設(shè)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(gè)角部為了保證整體剛度，且滿足樓、電梯間的自然通風(fēng)，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?qū)ΨQ布置。

首層布置：內(nèi)柱首先要避開上部提升系統(tǒng)的罐道留洞、提升孔留洞，還應(yīng)考慮井筒及周圍凍結(jié)管的布置，應(yīng)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(gè)內(nèi)柱?？紤]運(yùn)輸煤炭的出口位置盡量設(shè)置在井塔的中間跨內(nèi)，避免布置在井塔的角部，對(duì)剪力墻開洞造成應(yīng)力集中。皮帶機(jī)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(shè)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(shè)備主要有提升機(jī)及其配套減速器、電機(jī)等，主要的房間有配電控制室、司機(jī)操作室。在布置上首先要滿足工藝設(shè)備的布置、安裝距離及檢修場(chǎng)地要求，其次要使得提升機(jī)大梁的傳力簡(jiǎn)單直接。司機(jī)操縱室應(yīng)正對(duì)提升機(jī)布置，且要求視線良好，能夠清楚地觀測(cè)到提升機(jī)的運(yùn)行情況，對(duì)面的窗戶掛窗簾，防止太陽光線對(duì)司機(jī)操作的影響。如果空間允許，衛(wèi)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(biāo)高：主井井塔的豎向布置主要滿足礦井的提升系統(tǒng)設(shè)置，其受煤層、防撞梁層、導(dǎo)向輪層、提升大廳層高度由工藝確定。首層標(biāo)高為±0.0 m，受煤層標(biāo)高為15.5 m，防撞梁層標(biāo)高為48.8 m，導(dǎo)向輪層標(biāo)高為54.722 m，提升大廳層標(biāo)高67.072 m，提升大廳層上設(shè)100 t吊車，軌面標(biāo)高78 m，結(jié)構(gòu)總高度83.5 m。

裝備布置：導(dǎo)向輪層至大廳層高度為12.35 m，層高過大，在中間設(shè)一層設(shè)備層，布置變頻器室、風(fēng)機(jī)房等，風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)冷卻空氣所經(jīng)過的墻面做法選用磁漆墻面，保證空氣質(zhì)量。導(dǎo)向輪層的高度應(yīng)滿足導(dǎo)向輪安裝和檢修要求，設(shè)備層的高度應(yīng)考慮大廳層梁的高度，并保證人員及設(shè)備的正常通行。由結(jié)構(gòu)專業(yè)控制的空層有3層，層高均取11.1 m。正負(fù)零以下距基礎(chǔ)頂有4.5 m的高度，為了減小首層結(jié)構(gòu)高度，方便熱風(fēng)道、排水、電纜等接入井筒，在地面設(shè)架空層。井塔內(nèi)設(shè)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(yùn)行時(shí)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(shè)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(jié)構(gòu)受力分析

立井井塔的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)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(jī)仍繼續(xù)向上提升容器，導(dǎo)致一側(cè)提升鋼絲繩全部被拉斷[6-7]。摩擦輪事故荷載是井塔結(jié)構(gòu)計(jì)算最關(guān)鍵的荷載。

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

3.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用中國(guó)建筑科學(xué)院PKPM軟件，考慮正常使用工況、過卷工況(2個(gè))、提升機(jī)電機(jī)短路工況、提升機(jī)摩擦輪事故工況5種工況進(jìn)行計(jì)算[9-11]。當(dāng)計(jì)算摩擦輪事故工況時(shí)，作用在導(dǎo)向輪上鋼絲繩荷載取一側(cè)所有鋼絲繩破斷力之和，摩擦輪事故工況僅用于提升機(jī)大廳層及下一層構(gòu)件計(jì)算，荷載效應(yīng)及抗力應(yīng)滿足式(1)要求

(1)

式中，Sd—荷載組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd—結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值；SGk—按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；SAk—按摩擦輪事故荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；ψQi—第i個(gè)可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)，樓面活荷載取0.6，鋼絲繩罐道荷載取1.0，風(fēng)荷載取0.2；SQik—第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。

計(jì)算過卷工況時(shí)，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(xiàng)系數(shù)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(shè)計(jì)

本工程所在區(qū)域地震基本烈度為6°，框架及剪力墻的抗震等級(jí)為二級(jí)。

樓板開洞影響水平力的有效傳遞：標(biāo)高15.5 m受煤層、標(biāo)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(dòng)率在15%左右。設(shè)計(jì)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(bǔ)強(qiáng)樓板剛度，保證水平力的有效傳遞。

層剛度和質(zhì)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(dǎo)向輪層層高7.5 m，設(shè)備層層高4.85 m，而且井塔的主要設(shè)備集中布置在提升大廳層和導(dǎo)向輪層，層剛度和質(zhì)量分布極不均勻。設(shè)計(jì)中保證門窗洞口上下對(duì)齊布置，剪力墻雙向均勻布置，且上下連續(xù)，空層層高盡量一致，盡可能保證豎向剛度的連續(xù)性，減小剛度突變。

3.4 主要構(gòu)件截面尺寸

內(nèi)柱從基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(jī)基礎(chǔ)梁跨度11.2 m，截面取1 120 mm×4 000 mm。

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

場(chǎng)地位于毛烏素沙漠邊緣地帶，以砂土為主，地質(zhì)勘查最大揭露深度為50 m，未見巖石層?；椎耐翆訛樗缮⒓?xì)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(chǔ)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(zhǎng)38 m，樁數(shù)104跟，單樁承載力特征值為3 800 kPa。在凍結(jié)管周圍的樁采用后注漿施工，減小凍融循環(huán)對(duì)樁承載力的影響。樁位選擇時(shí)考慮把樁盡量布置在豎向傳力構(gòu)件下和井筒一周凍結(jié)影響區(qū)域，筏板及基礎(chǔ)梁底標(biāo)高-6 m，厚度取1.5 m?；A(chǔ)平面布置圖如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)平面布置

5 結(jié)語

主井井塔是煤礦生產(chǎn)的重要建筑物，通過對(duì)納林河二號(hào)煤礦的主立井井塔的結(jié)構(gòu)選型、平面布置、豎向布置、荷載取值、受力分析、抗震設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)做一些介紹，可以為以后工程提供參考。在設(shè)計(jì)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(diǎn)上有顯著的不同，在設(shè)計(jì)中還有諸多因素需要做進(jìn)一步的研究論證，例如，壁柱的剪力墻穩(wěn)定驗(yàn)算，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮設(shè)備振動(dòng)的影響及相關(guān)的構(gòu)造要求，以及如何實(shí)現(xiàn)大型井塔的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。