淺談VI型鑿井井架的結(jié)構(gòu)組成與制作施工

劉春雨

摘要：VI型鑿井井架通過(guò)對(duì)工裝和焊接工序的改進(jìn)，選用整體拼裝工藝，保證了井架的焊縫質(zhì)量，控制了各桿件之間的空間角度和焊接變形，使井架更具強(qiáng)度和穩(wěn)定性。VI型鑿井井架克服了傳統(tǒng)I型-V型鑿井井架不能滿足超大深立井施工需求的缺陷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，滿足了當(dāng)前很多礦井機(jī)械化、大采深的生產(chǎn)需求，對(duì)我國(guó)大直徑井筒施工和采礦業(yè)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。

Abstract： VI-type well-drilling derrick improves the tooling and welding process， and adopts the overall assembly process to ensure the quality of the welding seam of the derrick， control the spatial angle and welding deformation between each rod and make the derrick more strong and stable. The VI-type well-drilling derrick overcomes the defect that the traditional I-V type well-drilling derrick can not meet the construction requirements of super large deep shaft， fills the domestic gap， meets the current production needs of many mine mechanization and large mining depth， and provides strong technical support for large diameter Izutsu construction and mining industry development.

關(guān)鍵詞：VI型鑿井井架;結(jié)構(gòu);制作施工

Key words： VI-type well-drilling derrick;structure;manufacture

中圖分類號(hào)：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）20-0160-02

0? 引言

井筒施工時(shí)，為了滿足掘進(jìn)提升、翻卸矸石、砌筑井壁和懸吊井內(nèi)施工設(shè)施的需要，必須在施工區(qū)域上部設(shè)置鑿井井架、天輪平臺(tái)、封口盤、固定盤、吊盤、穩(wěn)繩盤以及砌壁模板等一系列的鑿井結(jié)構(gòu)物。其中鑿井井架是井筒施工中最為核心的懸吊和承重設(shè)施，是專為鑿井提升及懸吊掘進(jìn)設(shè)備而臨時(shí)制作設(shè)立的，建井結(jié)束后將對(duì)其進(jìn)行拆除并在井口設(shè)置生產(chǎn)井架。因此，鑿井井架僅是鑿井施工中所臨時(shí)搭建的設(shè)施，亦稱為臨時(shí)井架。由中煤能源集團(tuán)所屬五建公司機(jī)廠與合肥設(shè)計(jì)研究院合作開發(fā)研制VI型鑿井井架是目前在大直徑深井鑿井施工中所比較常用的井架設(shè)備。VI型鑿井井架通過(guò)對(duì)工裝和焊接工序的改進(jìn)，選用整體拼裝工藝，保證了井架的焊縫質(zhì)量，控制了各桿件之間的空間角度和焊接變形，使井架更具強(qiáng)度和穩(wěn)定性。VI型鑿井井架克服了傳統(tǒng)I型-V型鑿井井架不能滿足超大深立井施工需求的缺陷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，滿足了當(dāng)前很多礦井機(jī)械化、大采深的生產(chǎn)需求，對(duì)我國(guó)大直徑井筒施工和采礦業(yè)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。本文對(duì)VI型鑿井井架的結(jié)構(gòu)組成與制作工藝進(jìn)行了探討。

1? VI型鑿井井架的結(jié)構(gòu)組成

VI型鑿井井架由中煤能源集團(tuán)與合肥設(shè)計(jì)研究院合作，于2009年聯(lián)合開發(fā)研制。該型鑿井井架為桁架空間結(jié)構(gòu)，由主體桁架、天輪房、天輪平臺(tái)、中間平臺(tái)、基礎(chǔ)等幾部分組成。井筒用于鑿井施工的附屬物包括：主提升、安全梯、抓巖機(jī)、風(fēng)筒、地面穩(wěn)車、封口盤、固定盤、吊盤、穩(wěn)繩盤以及砌壁模板等鑿井結(jié)構(gòu)物;線路管路包括：壓風(fēng)管、供水管、通信電纜、提升繩、砼輸料管、動(dòng)力電纜、吊盤穩(wěn)繩等。

1.1 主體桁架

主體桁架是井架的主體部分，主要用來(lái)支承天輪平臺(tái)并承受立井施工時(shí)提升矸石、運(yùn)送人員和物料的荷載，以及懸吊鑿井設(shè)備的荷載。主體桁架由四組支撐桿、角柱與斜撐組成，其構(gòu)件均選用高強(qiáng)度、耐腐蝕的無(wú)縫鋼管，質(zhì)量等級(jí)為Q345-B.Z。保證井架具有較好的空間穩(wěn)定性，在主體架內(nèi)部受力較大的第一層水平高度處，設(shè)置水平連桿，從而形成一個(gè)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。因?yàn)橹黧w架的主要構(gòu)件都是按軸心受壓計(jì)算的，而無(wú)縫鋼管恰好在各個(gè)方向都具有相等的穩(wěn)定性，能夠充分的發(fā)揮鋼材的力學(xué)性能，使井架具有更好的穩(wěn)定性和支承性。為了便于加工和裝配，每個(gè)角柱均分為若干個(gè)節(jié)點(diǎn)和段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處由法蘭連接并采用高強(qiáng)度螺栓連接和焊接的方式予以加固。角柱的上下端均焊有連接板，分別與基礎(chǔ)、天輪平臺(tái)的地腳螺栓連接;角柱的各端點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)以及支撐桿處都焊有連接短管和法蘭;鋼管與端部法蘭采用坡口全熔透焊縫連接，焊縫質(zhì)量為二級(jí)。

1.2 天輪平臺(tái)

天輪平臺(tái)為天輪的支撐和操作作業(yè)區(qū)。VI型井架天輪平臺(tái)采用“個(gè)”型支撐，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用“人”型支撐，通過(guò)設(shè)置5號(hào)豎向支撐構(gòu)件，有利于荷載往下傳遞，同時(shí)明顯改善了天輪平臺(tái)邊梁和支撐體系的內(nèi)力分布，斜撐分擔(dān)了角柱的部分荷載，各個(gè)構(gòu)件共同承載，充分發(fā)揮各構(gòu)件的材料性能，結(jié)構(gòu)更為合理。VI型井架天輪平臺(tái)中間梁采用雙主梁結(jié)構(gòu)，兩根主梁均采用高強(qiáng)度鋼管焊接，沿井架中心呈工字型對(duì)稱布置，其兩端采用高強(qiáng)度螺栓分別與框架邊梁緊固連接。工字型雙主梁結(jié)構(gòu)既有利于平臺(tái)的穩(wěn)定，同時(shí)也有利于增大平臺(tái)的使用面積，便于大型鑿井設(shè)備的布置和安裝，鑿井最大井筒直徑可達(dá)十米以上。

1.3 天輪房

天輪房位于井架頂部，由四根角柱、上部橫梁、水平聯(lián)桿及兩根用來(lái)安裝和檢修天輪的工字鋼梁組成。為防雨雪，上部設(shè)有屋面并裝有避雷針。天輪房的作用是安裝、檢修天輪，保護(hù)天輪免受雨雪侵襲。其角柱為兩條角鋼對(duì)焊成十字型截面;上部橫梁為兩條14號(hào)槽鋼對(duì)焊成工字截面;斜撐為角鋼;水平交叉聯(lián)桿，以兩條角鋼對(duì)焊成倒T形截面，工字鋼吊車梁一般選用25號(hào)工字鋼，其長(zhǎng)度要保證超出天輪平臺(tái)每邊1m。

1.4 卸矸臺(tái)

卸矸臺(tái)是用來(lái)翻卸矸石的工作平臺(tái)，為了排矸方便該平臺(tái)通常布置在主體架的下部第一層水平連桿上。根據(jù)受力大小它的主梁和次梁可采用工字鋼或槽鋼。梁上設(shè)置方木，用U形螺栓卡緊。

2? VI型鑿井井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VI型鑿井井架是是大直徑深井立井施工機(jī)械化配套的新型設(shè)備，是目前應(yīng)用較為廣泛的井架形式，具有以下一些特點(diǎn)：

2.1 作業(yè)空間較寬敞

底層兩根斜向大腹桿相交于卸矸平臺(tái)上方節(jié)間中央，腹桿布置比較合理。通過(guò)合理的幾何尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)，使底層空間開敞，井口操作更加方便，有利于天輪平臺(tái)布置和翻矸溜槽設(shè)置;也有利于大型鑿井設(shè)備進(jìn)出和汽車運(yùn)矸，同時(shí)避免井架基礎(chǔ)占據(jù)凍結(jié)管溝槽位置。

2.2 結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定性

VI型井架結(jié)構(gòu)具有四邊等穩(wěn)定性，因此井架抗扭抗振性能好。井架支腳上設(shè)有橫向聯(lián)桿，在卸矸臺(tái)上方節(jié)間四角隅處亦設(shè)置有橫向聯(lián)桿，增強(qiáng)了井架的整體剛度。因此，井架承載能力大，可懸吊更多的設(shè)備，能滿足多種大負(fù)荷復(fù)雜作業(yè)的需要。

2.3 通用性和適應(yīng)性強(qiáng)

VI型井架在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了提絞吊掛設(shè)備的不利布置與井架受力的不利因素。首先足夠的空間和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)承載可滿足各種復(fù)雜施工條件下對(duì)大型鑿井設(shè)備的安裝使用;穩(wěn)定的架體結(jié)構(gòu)和地面穩(wěn)車可更好地應(yīng)對(duì)施工中可能出現(xiàn)的各種可變荷載和偶然荷載，包括提升和鑿井工作荷載、鋼繩罐道工作荷載、防墜鋼繩工作荷載、斷繩荷載、防墜器制動(dòng)荷載等。

3? VI型鑿井井架的制作

井架設(shè)計(jì)與施工的原則一是能夠安全地承擔(dān)施工荷載，要求井筒四面具備相同的強(qiáng)度和穩(wěn)定性;并且要求天輪平臺(tái)可以同時(shí)四面出繩;二是保證足夠的過(guò)卷高度，防止提升時(shí)發(fā)生跑車事故，避免滑架與天輪平臺(tái)梁相撞。因此，井架設(shè)計(jì)高度只包括過(guò)卷高度、井蓋門開啟時(shí)最大高度、提升天輪公稱半徑、連接裝置與滑架高度等;三是角柱跨距和天輪平臺(tái)尺寸應(yīng)滿足井口施工材料、設(shè)備運(yùn)輸及天輪布置的需要，使角柱跨距和天輪平臺(tái)尺寸與井筒斷面、鑿井懸吊設(shè)施相符合。角柱跨距和天輪平臺(tái)尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮到是否與施工材料、鎖口盤、吊掛等都布置于天輪臺(tái)上。

3.1 制作大樣模型

制作大樣模型可基本明確井架設(shè)置的位置、高度、連桿件布置等幾何參數(shù)，是下料施工前的必要環(huán)節(jié)。施工前技術(shù)負(fù)責(zé)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳盡的調(diào)查，利用CAD制圖軟件進(jìn)行整體放樣，核較各連接桿及連接板的位置尺寸，繪制井架設(shè)計(jì)圖紙;施工人員應(yīng)根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求在平臺(tái)上按照1：1的尺寸比例整體放大樣，仔細(xì)核對(duì)圖紙安裝尺寸是否有誤。如發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)會(huì)同設(shè)計(jì)方、施工單位等協(xié)商調(diào)整和修改設(shè)計(jì)，經(jīng)質(zhì)檢員復(fù)查無(wú)誤后方可下降。井架的設(shè)計(jì)首先應(yīng)注意主體架角柱基礎(chǔ)應(yīng)離開井壁一定距離，使井壁不致受到井架基礎(chǔ)荷載引起的巨大側(cè)壓力作用。當(dāng)采用凍結(jié)法鑿井時(shí)，應(yīng)使井架基礎(chǔ)能夠避開凍結(jié)管溝槽;鑿井井架在井口周圍所形成的空間，應(yīng)能滿足施工人員正常工作和運(yùn)輸?shù)男枨蟆Ｍ瑫r(shí)井架必須有足夠的凈空間，使大型鑿井設(shè)備進(jìn)出方便。

3.2 下料施工

按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求在施工區(qū)域首先進(jìn)行混凝土基礎(chǔ)的施工，然后在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的焊接下料和拼裝搭建。管材下料時(shí)需根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸采用切管機(jī)對(duì)管材進(jìn)行切割加工，保證桿件的長(zhǎng)度及尺寸誤差符合設(shè)計(jì)要求。在VI型井架中，有些桿件長(zhǎng)度尺寸過(guò)長(zhǎng)難以采購(gòu)到，對(duì)此可采用加襯管焊接的辦法將加長(zhǎng)管件尺寸。加長(zhǎng)桿件的焊縫采用單面雙邊V形坡口，坡口角度為60°±5°;為保證襯管起的支撐和加固作用，要求襯管內(nèi)徑略小于鋼管內(nèi)徑1～2mm，按二級(jí)焊縫要求焊接。焊接坡口切割開制后，應(yīng)將氧化鐵皮和熔渣等清理干凈，并將坡口打磨至漏出金屬光澤。為了便于鋼管等構(gòu)件的安裝和準(zhǔn)確控制井架整體尺寸，應(yīng)采用移動(dòng)切割機(jī)完成法蘭和節(jié)點(diǎn)板下料，連接孔采用鉆模加工。

3.3 構(gòu)件制作

下料后將焊接制作的各種管件，包括支撐桿、水平桿、斜撐等分別與兩端法蘭組焊，制作成為比較完整的構(gòu)件。對(duì)于一些尺寸較大的構(gòu)件，如果直接組焊比較困難，為了控制桿件同軸度和長(zhǎng)度誤差，保證管體連接的同心度和井架整體受力的穩(wěn)定性，可采用專門的桿件焊接工裝進(jìn)行構(gòu)件的加工制作。

3.4 拼裝

拼裝是將已制作好的構(gòu)件焊接在一起，形成井架的主體框架。為了保證拼裝質(zhì)量，符合主體桁架的尺寸要求，需按照?qǐng)D紙尺寸要求在平臺(tái)上將角柱、水平桿分別與連接板進(jìn)行焊接，短管與法蘭焊接。然后，用拼裝螺栓將水平桿、角柱組裝起來(lái);組裝斜撐，調(diào)整各組件位置，點(diǎn)固短管與節(jié)點(diǎn)板。最后焊接節(jié)點(diǎn)板與短管，再拼裝與該節(jié)點(diǎn)板垂直的相鄰面。

3.5 焊接

井下外形尺寸較大，加強(qiáng)板和焊接節(jié)點(diǎn)較多，相應(yīng)的焊縫也比較復(fù)雜。為了控制焊接變形量，需采用二氧化碳保護(hù)焊對(duì)主體桁架各桿件的端頭進(jìn)行焊接，焊接時(shí)必須等一側(cè)端頭焊縫冷卻至常溫之后，再焊接另一端。天輪平臺(tái)、卸矸臺(tái)的支撐梁需采用二氧化碳保護(hù)焊打底、填充，填充焊的次數(shù)應(yīng)視實(shí)際焊縫高度確定;采用分段焊接時(shí)，宜采用先中間后兩邊的施工順序，焊件要勤翻身，以防止構(gòu)件產(chǎn)生扭曲變形。

4? 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)I型-V型鑿井井架鑿井最大直徑為9m，而VI型鑿井井架則可用于深度1000m以上，直徑9～12m的大直徑深立井井筒施工，為井筒深度的加大及鑿井機(jī)械化程度的提高提供了技術(shù)支撐。VI型鑿井井架的制作過(guò)程中，構(gòu)件位置、尺寸誤差的控制以及焊接施工是井架質(zhì)量的關(guān)鍵，應(yīng)嚴(yán)格按照井架設(shè)計(jì)要求和《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的有關(guān)要求進(jìn)行制作。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉兆彬.淺議鑿井井架制作及安裝的問題及處理[J].中國(guó)機(jī)械，2014（12）：237-238.

[2]李天榮，楊煥友，張彥華.Ⅵ型鑿井井架在大斷面井筒施工中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2010（6）：109-110.

[3]倪文娟.淺談鑿井井架制作工藝[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2019（9）：127-128.

[4]段菊英，魏慶耀，李淑敏.Ⅵ鑿井井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制作[J].能源技術(shù)與管理，2010（5）：82-83.