二矿龙门副立井井塔结构设计

魏 立 峰

(山西辰诚建设工程有限公司，山西 阳泉　045000)

0　引言

二矿龙门副立井井塔是矿井地面提升系统的重要组成部分，主要负责运输人员、材料、设备等，它处在连接矿井上下通道的关键生产环节上，保证井塔结构设计安全，对整个矿井的运行有十分重要的意义。

1　工程概况

阳煤集团二矿龙门副立井井筒内径10.0 m，井深415.0 m。井塔平面轴线尺寸为27.0 m×20.40 m，建筑总高度61.3 m，主要楼层共6层。调绳装置位于标高20.5 m的第3层；导向轮位于标高27.5 m的第4层，导向轮直径5.0 m；六绳摩擦提升机位于标高42.9 m的第6层，提升机直径5.0 m，提升重量64 t。结构形式采用钢筋混凝土外箱内框结构，基础采用钢筋混凝土筏板基础，屋面采用钢梁加现浇混凝土组合屋面。

2　井塔的平面布置

根据各专业提供的资料，如机械(罐道系统、进出车的操车设备)、矿电(多绳提升机、电机、电控)、矿井(井筒)、水暖等，在满足工艺要求的前提下，确定最小的平面尺寸，使提升机的两轴与井塔的两个主轴平行，尽可能重合。井塔的平面布置，首先考虑提升大厅层，其次是井口平面层(首层)，再及其他各层。

首层为井口平面，考虑人员和材料的上下便捷，罐笼采用一宽一窄双罐笼提升，设有操车设备，并在进车侧布置信号室，在井筒壁周边外侧布置有四个框架柱支撑上部大型提升设备，首层的平面布置见图1。

大厅层的提升机是整个井塔平面布置的重点，它决定了整个井塔与井筒及井塔各层的布置，涉及到提升机、电机、电控等大型设备。大厅层应至少有一个方向的提升机基础落在框架主梁上，另一个方向的设备基础也尽量落在框架梁上，确实无法实现时，把此方向的设备基础大梁作为一级次梁搭在另一个方向的框架梁上。布置大型设备时要留出一定的检修空间和人行通道，且设备的预留螺栓孔位置要避开四个内框架柱的位置。为了方便工作人员，大厅层设有卫生间，大厅层的平面布置见图2。

导向轮层，导向轮基础应尽量落于框架梁上且框架柱离导向轮满足安装、运行和后期维护等安全距离要求。其他各楼层内布置的是电气设备或与提升相关的配套设备等。从交通人流的合理性考虑，把消防电梯(兼消防)和封闭楼梯间设置在同一个角落，各楼层平面均布置有各种安装孔洞、电梯井及楼梯间等。

3　井塔的竖向布置

井塔的竖向布置取决于矿井的提升系统设置，如防撞梁层、调整装置层、导向轮层、提升大厅层等层高均与工艺有关，必须满足设备要求。其他各层层高根据使用功能确定，尽量做到均匀合理。井塔的总高度根据机械专业资料要求的提升大厅楼面标高、吊车轨面标高、吊车轨面至结构屋面底的距离，同时考虑结构屋面的钢梁高度、水箱间及电梯机房屋面上吊车行走的净空要求等综合确定。本工程大厅层楼面标高42.9 m,布置有安装检修用的100 t/20 t吊车，吊车轨面标高54.95 m，竖向布置见图3。

4　井塔的荷载取值

井塔的荷载由永久荷载、可变荷载和偶然荷载组成。永久荷载主要是结构自重、其他构件及固定设备施加在井塔上的作用力；可变荷载主要是活荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载和设备检修荷载及各种设备正常工作荷载等；偶然荷载主要由摩擦轮事故荷载、过卷荷载、电机事故荷载等。下面介绍井塔结构设计的几个特殊荷载，其他荷载计算详见《井塔设计规范》第4章，此处不再赘述。

1)摩擦轮荷载标准值：当正常工作时，Q1K=2Smax=2×1 547=3 094 kN；当发生事故时，A1K=1.33T=1.33×6×2 084=16 630 kN。其中，T为摩擦轮一侧钢丝绳断绳荷载；Smax为提升机钢丝绳最大静张力，两者均由工艺专业提供。

3)导向轮荷载标准值：当摩擦轮正常时，导向轮工作水平荷载Q5KX=Smaxsinθ=1 547×sin7.08=191 kN，垂直荷载Q5KY=Smax(1-cosθ)=1 547×(1-cos7.08)=12 kN；当摩擦轮断绳时，导向轮水平事故荷载Q5KX=Tsinθ=6×2 084×sin7.08=1 541 kN,垂直事故荷载Q5KY=T(1-cosθ)=6×2 084×(1-cos7.08)=95 kN，荷载均作用在导向轮轴承中心。

4)防撞梁荷载标准值：A6K=4.0Smax=4×1 547=6 188 kN，Smax为提升机钢丝绳最大静张力，由工艺专业提供。

5)楼面活荷载：大厅层安装检修区30 kN/m2，其他区域6 kN/m2；导向轮层及有设备的楼层6 kN/m2；其他楼层4 kN/m2。

5　井塔的结构计算

1)基本参数。

该井塔建筑设计使用年限50年，建筑安全等级为一级，结构重要性系数：1.1，基本风压w0=1.1×0.4=0.44 kN/m2,抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第二组，建筑抗震设防分类为乙类，抗震等级按提高1度确定。井塔结构按高层钢筋混凝土框剪结构计算，剪力墙和框架抗震等级均为一级。地基基础设计等级为乙级，建筑场地类别为Ⅱ类。

2)计算软件采用中国建筑科学院PKPM(V3.1.6版)软件进行分析设计，应采用不同的荷载组合和分项系数，分成多种不同的计算模型。如普通混凝土承载能力极限状态下：

a.正常工作工况，考虑抗震设计，用于计算楼层一般梁(除特殊梁如支承提升机和电机梁及支承导向轮基础的梁)配筋。

b.提升机断绳工况，不考虑抗震设计，用于计算支承提升机的大梁配筋和支承导向轮基础的梁配筋。

c.电机事故工况，不考虑抗震设计，用于计算大厅层支承电机的梁配筋。

d.罐笼过卷防撞事故工况，不考虑抗震设计，用于计算防撞梁配筋。

3)SATWE计算结果分析。

a.周期比：结构扭转为主的第一自振周期TT=0.631 0 s，平动为主的第一自振T1=1.154 3 s，TT/T1=0.631 0/1.154 3=0.547<0.9，满足《高规》(3.4.5)的要求。

b.水平位移比和层间位移比：X方向最大水平位移值与本楼层水平位移平均值的比值最大值和最大层间位移值与本楼层层间位移值的比值最大值均为1.07<1.2；Y方向最大值比值均为1.05<1.2，满足《高规》(3.4.5)的要求。

c.剪重比：X向水平地震作用下，1层剪重比3.26%>1.60%；Y向水平地震作用下，1层剪重比2.96%>1.60%，满足《高规》(4.3.12)的要求。

d.刚重比：X向刚重比EJd/GH×2=16.14;Y向刚度比EJd/GH×2=12.58。该结构刚度比EJd/GH×2>1.4和2.7，满足《高规》(5.4.4)的整体稳定验算要求，不考虑重力二阶效应的不利影响。

e.有效质量系数：X方向的有效质量系数：99.73%>90%，满足；Y方向的有效质量系数：99.75%>90%，满足《高规》(5.1.13)的要求。

f.楼层受剪承载力之比：楼层与上一层的承载力之比，第5层X向最小为0.79<0.8，属于竖向不规则，应将第5层设为薄弱层。

从以上计算结构分析，说明了该结构的布置还是比合理的。

6　井塔基础设计

目前在国内，井塔一般采用钢筋混凝土箱形基础、筏形基础和桩基础等。基础选型应根据井塔结构特征、地震烈度、工程地质及水文地质情况、荷载大小等诸多因素综合比较确定。本工程根据岩土勘察报告，采用筏板基础，考虑热风道设置和井筒临时锁口深度，设一层地下室，选择第④层泥质砂岩层作为持力层，地基承载力fak=500 kPa，埋深8.7 m，满足《矿山提升井塔设计规范》的规定不宜小于井塔高度的1/15。

7　结语

井塔是矿井生产的重要构筑物，在结构设计中，土建设计人员首先要熟悉工艺流程和各设备工作原理，与相关工艺专业密切配合，明确各工况组合，优化结构布置。井塔平面、竖向布置的基本原则是力求平面规则、结构简单、传力明确，并能保证结构的整体性和抗震性。目前该井塔的井筒直径和提升能力在阳煤集团所属矿井中是最大的，为阳煤集团进一步推广运用立井提升系统完成了一个成功案例。

参考文献:

[1]GB 51184—2016，矿山提升井塔设计规范[S].

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

[3]张光宇.母杜柴登副井井塔设计[J].煤炭工程，2012(8):34-35.