矿山井塔和井架方案的择优分析

Ｓｕｐｐｌ．Ａｕｇｕｓｔ２０１０

金砥砖山

ＭＥ７ｒＡＬＭＩＮＥ增刊

２０１０年８月

矿山井塔和井架方案的择优分析史国忠（中煤河北煤炭建设第四工程处）

摘要依据已建矿井的建造和使用经验，以某铜矿拟建的混合并为例，论述建造井塔或井架的合理性，并辅以技术经济分析。关键词井塔井架混合井工期投资运行

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（Ｎｏ．４ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＨｅｂｅｉ

ｃｏ以Ｂｕｉｌｄ）

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在大型矿井设计中，往往由于井筒深，提升重量大，在提升设备选型时，过去多选用塔式多绳摩擦轮提升机和钢筋混凝土框剪结构井塔（简称井塔）。近年来，由于建造井塔占用井口工期较长，多数煤矿已将井塔改用落地式多绳摩擦轮提升机和钢结构井架（简称井架），少数金属矿井也开始采用，但金属矿井仍以井塔方案为多。钢井架方案，相对于钢筋砼井塔方案，工期短，投资少。但有人认为，钢井架方案，位移量较大，不适应矿井提升作业，占地面积大，且维护困难和运行成本较高，以建造钢筋砼井塔为宜。在内蒙古锡林郭勒盟苏尼特右旗某铜矿９线井建工程中，就面临着井塔和井架方案的最优方案选择。该矿井为５０万ｔ／ａ混合提升井，预计服务年限为２３年，凿井工程已开始筹备，设计院已完成了井塔和井架两方案的初步设计，现将两个方案作简要说明：井塔方案：钢筋混凝土框剪结构，筏板基础，平面轴线尺寸为１６ｍＸ１２．５ｍ，共７层平台，屋面平台标高为＋５９．９ｍｏ井架方案：钢结构箱型井架，重约２８０ｔ，由斜架和立架两部分组成，斜架为箱型斜架，立架为桁架结构立架，天轮平台标高为＋４６．２５ｍ。与井架相关的配套建筑设施有井口房（２３４ｍ２）、提升机房（２８８ｍ２）、矿仓（１座）及井口密闭等。苏尼特右旗的气象条件是：主要气候特点是风

大、干旱、寒冷。该旗属干旱、荒漠半荒漠草原地带，平均海拔高度为９００一ｌ４００ｍ，属于干旱性大陆性季风气候，平均气温为摄氏４．３℃，无霜期１３５天，寒冷期长达７个月，１月气温最低，平均一２０℃，为华北最冷的地区之一。年降水量平均为１７０—１９０ｍｍ。盛行西北风，平均风速５．５ｍ／ｓ（四级），地面以上７０ｍ高度年平均风速为８．９ｍ／ｓ（五级），局部瞬间风速可达３４ｍ／ｓ，１７ｍ／ｓ（八级）以上大风日数

６３天，最多年份达９ｌ天，是沙尘暴频发区。为选择最优方案，建设、设计、施工３个单位的技术专家为此进行了详细的技术经济对比分析，现将分析内容从优缺点、工期、投资、运行４个方面进行一一介绍。ｌ优缺点分析１．１井塔方案分析井塔属高耸结构范畴。目前，井塔在煤矿上已较少采用，但在金属矿山仍大量采用，如河北省武安

史国忠（１９８０一），男，中煤河北煤炭建设第四工程处，工程师，一级建造师。０５４０００河北省邢台市冶金北路１３８号。史国忠：矿山井塔和井架方案的择优分析２０１０年８月

市北沼河铁矿主副井塔、北京市密云县首云铁矿主副井塔、沈阳省灯塔市小汪沟铁矿主副井塔、安徽省霍邱县李楼铁矿ｌ＃主副井塔等，均采用了钢筋混凝土框剪结构井塔。ｒ（１）主要优点：①运转维护在室内作业，提升钢丝绳不外露，使用条件好，受气候影响小，受到机电部门欢迎。②节约土地，能减少占地量约０．２ｈｍ２。③高耸美观的井塔可作为矿山的标志性建筑。（２）主要缺点：①工程结构复杂，地基基础要求严格，工程量大，造价偏高。②建造时占用井口工期过长。③头重脚轻，不利抗震。塔在结构体系上，虽多为框剪结构，但是，提升机置于上方，头重脚轻，上部绞车大厅层高较大且多有悬挑，底部由于进出车和上下材料设备需要而要留置较大的孔口门洞，削弱了整体结构刚度，因此在地震区对抗震不利。在地震区，地基除考虑承载能力外，尚应考虑结构的自振周期与地震时地基土层振动周期相近的共振问题。④建造时受冬季气候影响较大。该矿拟建井塔高约６０ｎ－，体积在１．２万ｍ３以上，为钢筋砼现浇结构，建造时直接占用井口建设工期，包括设备安装和调试，至少在９个月以上，加上冬季施工影响（无霜期仅１３５天），装修工程需在次年完成，不仅延长了建井工期和加大了建设投资，还影响了矿井的正常投产。１．２井架方案分析落地式多绳摩擦轮提升机钢井架，亦系高耸结构。近年来，多数煤矿已采用箱型钢井架，如河北省邢东煤矿主井井架、山东省富安煤矿主井井架、山西省阳泉旧街煤矿混合井井架、山西省保安煤矿主井井架、山西省介休金山坡煤矿混合井井架等，尤其是利用永久井架凿井成为一项推广应用的新技术后，钢井架更加频繁的使用。在金属矿山上，钢井架也在逐渐采用，如山东省临沂市苍山铁矿（２００万ｔ／ａ）主井井架。（１）主要优点：①重量轻，延性好，适应性强，能缩短建井工期，对抗震有利。②投资较省。③钢井架残值大，可回收利用。（２）主要缺点：①变形量较大。但设计合理，关键是做好以下四点，是能把位移量控制在相应范围内的，这四点是：一是结构方案选型，二是提升装置与井架同步变形设计，三是基础设计，四是隔热涂层设计。近年来大量矿山箱型井架的使用经验表明，设计合理的钢井架能够适应矿井提升要求。②井架及部分提升设备、钢丝绳露天作业，降低了钢丝绳的使用寿命，增加了维护次数和运行成本。且由于当地风大、寒冷期长，维修困难。③多占地０．２ｈｍ２左右，受矿井建设场地的局限性较大。但该矿井现场具备建设场地，采用井架方案不受该矿场地的局限。井架吊装受风力影响较大。④《煤炭建设安全规定》要求，五级风（风速８．Ｏ—ｌＯ．７ｍ／ｓ）及以上禁止

吊装作业；而当地风大且风期长，影响井架的正常吊装，增加了吊装的安全风险，并且由于窝工，增加了施工成本和延长了工期。

２工期分析土建工程受冬雨季施工影响较大，尤其在内蒙古锡林郭勒盟，土建施工只宜在４月份至９月份之间进行，黄金期只有６个月，而在３月份、１０月份，在采取冬季施工措施的情况下，也只能进行基础和主体结构工程施工，不能进行屋面、装饰装修工程的施工。由于上述原因，工期分析必须考虑工程的起始时间。凿井工程预计在２０１１年２月１５日不再占用井口工作面。为方便计算，每月的天数按３０天计。２．１框剪结构井塔方案井塔按滑模法组织施工。井塔方案施工进度网络图见图１。

日说明：６０ｄ井塔方案达到投产条件需２７０ｄ（即９个月）。且屋而及装饰工程需在次年完成

图１井塔方案施工进度计划风络自开工至设备安装调试完毕，共需２７０天，即９个月达到投产条件，但是屋面和装饰装修工程还需在次年完成。２．２箱型钢井架方案井架方案施工进度计划网络图见图２。

井架基础井简装备设施安装建Ｔ程３０ｄ９０ｄ３０ｄ６０ｄ３月２１日ｌｏｂ２０日

说明：井架方案达到投产条件需２１０ｄ（ｔｉＰ７个月）

图２井架方案施工进度计划网络自安装至设备安装调试完毕。共需１５０天，一些专家学者以此（即设备安装调试完成时间）作为２增刊整鬣砖灿２０１０年８月个方案的比较工期，但是，井口房、矿仓、井口密闭等土建工程（预计６０天）也是矿井投产的必要条件，且施工仍需占用井口工作面，不能与井架和提升设施安装平行作业，就是说，该方案应在井口土建工程完成后才能投产，因此工期共需用２１０天，即７个月达到投产条件。从上述工期对比分析可知，箱型钢井架方案施工占用井口工期短，较现浇钢筋砼井塔方案减少工期２个月，早投产早受益，钢井架方案将有可观的直接和间接经济效益。投资分析：现依据２个方案的投资估算数据进行计算对比，见表１。根据以上２个方案的投资估算对比分析可知，在提升能力相同情况下，井塔方案的土建、安装总投资为ｌ１４０万元，井架方案的土建、安装总投资为８５３万元，井架方案可减少投资２８７万元。表１投资估算对比万元项目投资土建室内安装材料调价安装（含电梯）井架井架基础井口房提升机房矿仓井口密闭材料调价安装合计３运行分析３．１提升机钢丝绳的使用年限分析《煤炭安全规程》规定：摩擦式提升机钢丝绳的使用年限不得超过２年，而当地的气候特点是风大、干旱、寒冷。采用塔式提升机，相对于落地式提升机，由于设备、钢丝绳均于室内和井筒内作业，不受露天气候影响，钢丝绳的使用年限相对较长（能达到２年），更换次数相对较少，降低了钢丝绳的维护运行成本，保障了矿井提升安全，是机电设备维护运行的最佳方案。但也存在高耸结构在垂直交通、设备检修维护以及建筑节能等方面，不及地面优越。３．２结构耐用年限分析从耐用年限分析，钢筋砼井塔主体结构可达・５８６・１００年以上，超过任何井型要求的服务年限，不必更换。而钢井架工程，其结构耐用，按一般油漆防护处理，只达５０一６０年，但是，若做好结构选材和采取有效的复合防护措施，也能满足任何矿井服务年限的需要。３．３钢井架防腐年限分析钢井架长期暴露在大气中，受到气候变化和日晒雨淋，表面迅速氧化，严重影响井架的强度及使用寿命。为防止钢结构表面的氧化，以往一般都采用油漆保护，其防腐年限一般在３—５年，需要经常性的维修、保养；现采用钢结构表面喷锌、喷铝工艺加以保护，防腐年限可达３０年以上无需保养；如在锌铝涂层外再加油漆封闭，则防腐年限更长。该矿井的预计服务年限为２３年，２种方案均能满足该矿井服务年限的需要，但井架方案受气候影响较大，运行维护次数较多、维修难度大、运行成本

较高。４结论（Ｉ）目前，煤炭矿井以建造钢井架为主，金属矿井以建造钢筋砼框剪结构井塔为主。（２）由于利用永久井架凿井技术的优越性，钢井架在煤炭、金属矿山设计中有逐渐增多的趋势。（３）大型矿井，特别是多绳摩擦轮双机提升井，如地质条件较好，地震烈度不大，建设工期许可，建造钢筋砼井塔是合适的，否则宜建钢井架。

（４）在８度及以上地震烈度区和对抗震不利的场地和地区，建造高大的井塔，从安全角度分析，则不如建造钢井架。（５）根据多数矿井的使用经验，建造６０Ｉｎ高以上钢井架，只要设计合理，其位移是能够控制在允许范围内的。（６）对于服务年限较长的大型矿井，为减少维护次数和降低运行成本，宜建造钢筋混凝土井塔，否