一种竖井扩挖凿井井架的设计方法技术

本发明专利技术公开一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，(1)竖井扩挖凿井井架的结构设计；(2)竖井扩挖凿井井架的结构材料选择；(3)竖井扩挖凿井井架的载荷和强度验证。本申请的承重主梁为单根整体高强度型钢设计，通过计算完全可以完成井架的整体吊装平移工作。本申请的竖井扩挖凿井井架因不需要出矸翻矸作业系统，悬吊布置简单，既该类型井筒施工井架不需要进行井筒全断面区域覆盖，只需要根据井内悬吊设备布置，设计井架的底座跨度和天轮平台覆盖范围，进一步减小新型井架的占地面积和占用空间。新型井架可以适用单边提升悬吊布置，斜支撑采用单根整体高强度型钢，受力均匀，作用力与反作用力的释放均匀，不会影响新型井架的受力状态。

【技术实现步骤摘要】
一种竖井扩挖凿井井架的设计方法
本专利技术涉及矿井井架设计
具体地说是一种竖井扩挖凿井井架的设计方法。
技术介绍
井架是在钻井或修井过程中，用于安放天车，悬挂游车、大钩、吊环、吊卡等机具，以及起下、存放钻杆、油管及抽油杆的装置。现有技术中井架均为煤矿永久性的管式井架，永久性井架采用短根钢管法兰螺栓连接，安装精度高，但是不能整体平移作业。如果强行进行平行作业，会使得管式井架扭曲，即便进行了移动，也不能再次使用。因此现有永久性的管式井架完全不适用于井筒扩挖凿井过程中使用，竖井扩挖凿井井架需要在井筒施工完成后，进行移动，因而要求重量轻，移动过程中不变形，可以再次使用。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，通过合理设计，得到重量轻，易于移动，且不易变形的竖井扩挖凿井井架。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，包括如下方法：(1)竖井扩挖凿井井架的结构设计；(2)竖井扩挖凿井井架的结构材料选择；(3)竖井扩挖凿井井架的载荷和强度验证。上述一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，在步骤(1)中，针对下水平出矸类型井筒的竖井扩挖凿井井架，包括天轮架平台、竖向立柱、斜撑组和防滑钢板；四根所述竖向立柱顶端与长方形的所述天轮架平台的四个端点固定连接；所述竖向立柱低端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述斜撑组为上窄下宽的梯形结构，所述斜撑组的上端抵顶并固定连接在所述竖向立柱顶端；所述斜撑组的下端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述斜撑组与地面的夹角为60°；所述天轮架平台上表面为防滑钢板，所述四根所述竖向立柱通过立柱纵连接杆固定连接。上述一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，所述天轮架平台包括一根承重主梁、两根承重边梁、两根纵梁、两根横跨梁、两根第一联络梁和四根第二联络梁；两根纵梁相对、两根横跨梁相对，且所述纵梁与所述横跨梁首尾固定连接；所述承重主梁的两端分别与两根所述横跨梁的中点固定连接；所述承重边梁分别位于所述承重主梁与所述纵梁之间，且所述承重边梁的两端与两根所述横跨梁固定连接；所述第一联络梁位于所述承重主梁与所述承重边梁之间，且所述第一联络梁两端分别与所述承重主梁与所述承重边梁固定连接；所述第二联络梁位于所述纵梁与所述承重边梁之间，且所述第二联络梁两端分别与所述纵梁与所述承重边梁固定连接。上述一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，所述斜撑组包括两根主撑杆、一根横连接杆、纵连接杆、上斜拉杆、上斜立杆、下斜拉杆和下斜撑杆；两根所述主撑杆的上端抵顶在一根所述横跨梁的两端、并分别与所述竖向立柱顶端固定连接；两根所述主撑杆的下端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述横连接杆的两端分别与两根所述主撑杆的中点固定连接；所述上斜拉杆上端与所述主撑杆的顶端固定连接；所述上斜立杆的两端分别与所述横跨梁的中点和所述横连接杆中点固定连接；所述上斜拉杆下端与所述横连接杆的中点固定连接，所述上斜拉杆上端与所述主撑杆的顶端固定连接；所述下斜撑杆的上端与述横连接杆的中点固定连接，所述下斜撑杆的下端与所述主撑杆的底端固定连接；所述下斜拉杆的上端与所述主撑杆的中点固定连接，所述下斜拉杆的下端与所述下斜撑杆的中点固定连接；所述纵连接杆的一端与所述竖向立柱的一端固定连接，所述纵连接杆的另一端与所述主撑杆和所述横连接杆固定连接。上述一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，在步骤(2)中，所述天轮架平台、所述竖向立柱和所述斜撑组为HW-400×400的型钢。上述一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，在步骤(3)中，对所述天轮架平台的承重主梁和承重边梁进行承重验算，对竖向立柱和主撑杆进行承重验算，对竖井扩挖凿井井架基础进行验算。上述一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，承重主梁验证：承重主梁静力计算：单跨梁形式：两端固定梁；计算模型基本参数：长L＝5.4m，a＝0.9m；a为承重主梁的端点A和B分别距离受力点C和D的距离；集中力：标准值Pk＝Pg+Pq＝10+160＝170KN，其中恒载为竖井扩挖凿井井架及天轮架单根自重按10KN计算，活载为提升罐笼和人员设备的重量，按160KN计算；其中：Pk为集中力的标准值；Pg为恒载、Pc为活载；集中力的设计值Pd＝Pg×γG+Pq×γQ＝10×1.2+160×1.4＝236KN；其中：γG为恒载应用计算安全系数、γQ活载应用计算安全系数；承重主梁受荷截面：截面类型：H型钢：400×400×13×21；截面特性：截面对x轴的惯性距Ix＝65361.58cm4；截面对x轴的抵抗矩Wx＝3268.07cm3；型心对x轴的静距Sx＝1800.06cm3；截面静载荷G＝168.41kg/m；翼缘厚度tf＝21mm；腹板厚度tw＝13mm；承重主梁材质：Q235，x轴塑性发展系数γx：1.05；承重主梁的挠度控制[v]：L/250；承重主梁的内力计算，承重主梁的两个端点分别为A点和B点：支座反力RA＝Pd＝236KN，支座反力RB＝RA＝236KN，最大弯矩Mmax＝Pd×a×a/L＝35.4KN.M；承重主梁的强度及刚度验算：弯曲正应力：σmax＝Mmax/(γx×Wx)＝10.32N/mm2；A处剪应力τA＝RA×Sx/(Ix×tw)＝50N/mm2B处剪应力τB＝RB×Sx/(Ix×tw)＝50N/mm2最大挠度fmax＝Pk×a×a×L/24×(3-4×a/L)×1/(E×I)＝0.54mm；E代表弹性截面模量，单位n/mm2；I代表截面惯性距，单位mm4；相对挠度v＝fmax/L＝1/10057.5；弯曲正应力σmax＝10.32N/mm2<抗弯设计值f:205N/mm2；符合要求；支座最大剪应力τmax＝50N/mm2<抗剪设计值fv:125N/mm2；符合要求；跨中挠度相对值v＝L/10057.5<挠度控制值[v]:L/250；符合要求；承重主梁的弯曲正应力、支座最大剪应力和跨中挠度相对值均符合要求，验证通过。上述一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，承重边梁验证：承重边梁的静力计算单跨梁形式：两端固定梁；计算模型基本参数：长L＝5.4m，c＝1.35m；c为相邻集中力间距；承重边梁被平均分成5段，每段的距离为c；集中力：标准值Pk＝Pg+Pq＝10+23＝33KN，其中恒载为竖井扩挖凿井井架及天轮架单根计算自重按10KN计算，活载为中间跨两端支座压力，按23KN计算；其中Pk为集中力的标准值；Pg为恒载、Pc为活载；设计值Pd＝Pg×γG+Pq×γQ＝10×1.2+23×1.4＝44.2KN；其中：γG为恒载应用计算安全系数、γQ活载应用计算安全系数；承重边梁的受荷截面：截面类型：H型钢：400×400×本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，包括如下方法：/n(1)竖井扩挖凿井井架的结构设计；/n(2)竖井扩挖凿井井架的结构材料选择；/n(3)竖井扩挖凿井井架的载荷和强度验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，包括如下方法：
(1)竖井扩挖凿井井架的结构设计；
(2)竖井扩挖凿井井架的结构材料选择；
(3)竖井扩挖凿井井架的载荷和强度验证。


2.根据权利要求1所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，在步骤(1)中，针对下水平出矸类型井筒的竖井扩挖凿井井架，包括天轮架平台、竖向立柱(1)、斜撑组和防滑钢板(13)；四根所述竖向立柱(1)顶端与长方形的所述天轮架平台的四个端点固定连接；所述竖向立柱(1)低端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述斜撑组为上窄下宽的梯形结构，所述斜撑组的上端抵顶并固定连接在所述竖向立柱(1)顶端；所述斜撑组的下端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述斜撑组与地面的夹角为60°；所述天轮架平台上表面为防滑钢板(13)，所述四根所述竖向立柱(1)通过立柱纵连接杆(5)固定连接。


3.根据权利要求2所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，所述天轮架平台包括一根承重主梁(19)、两根承重边梁(20)、两根纵梁(11)、两根横跨梁(12)、两根第一联络梁(21)和四根第二联络梁(22)；
两根纵梁(11)相对、两根横跨梁(12)相对，且所述纵梁(11)与所述横跨梁(12)首尾固定连接；所述承重主梁(19)的两端分别与两根所述横跨梁(12)的中点固定连接；所述承重边梁(20)分别位于所述承重主梁(19)与所述纵梁(11)之间，且所述承重边梁(20)的两端与两根所述横跨梁(12)固定连接；所述第一联络梁(21)位于所述承重主梁(19)与所述承重边梁(20)之间，且所述第一联络梁(21)两端分别与所述承重主梁(19)与所述承重边梁(20)固定连接；所述第二联络梁(22)位于所述纵梁(11)与所述承重边梁(20)之间，且所述第二联络梁(22)两端分别与所述纵梁(11)与所述承重边梁(20)固定连接。


4.根据权利要求3所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，所述斜撑组包括两根主撑杆(6)、一根横连接杆(16)、纵连接杆(7)、上斜拉杆(14)、上斜立杆(15)、下斜拉杆(18)和下斜撑杆(17)；两根所述主撑杆(6)的上端抵顶在一根所述横跨梁(12)的两端、并分别与所述竖向立柱(1)顶端固定连接；两根所述主撑杆(6)的下端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述横连接杆(16)的两端分别与两根所述主撑杆(6)的中点固定连接；所述上斜拉杆(14)上端与所述主撑杆(6)的顶端固定连接；所述上斜立杆(15)的两端分别与所述横跨梁(12)的中点和所述横连接杆(16)中点固定连接；所述上斜拉杆(14)下端与所述横连接杆(16)的中点固定连接，所述上斜拉杆(14)上端与所述主撑杆(6)的顶端固定连接；所述下斜撑杆(17)的上端与述横连接杆(16)的中点固定连接，所述下斜撑杆(17)的下端与所述主撑杆(6)的底端固定连接；所述下斜拉杆(18)的上端与所述主撑杆(6)的中点固定连接，所述下斜拉杆(18)的下端与所述下斜撑杆(17)的中点固定连接；所述纵连接杆(7)的一端与所述竖向立柱(1)的一端固定连接，所述纵连接杆(7)的另一端与所述主撑杆(6)和所述横连接杆(16)固定连接。


5.根据权利要求4所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述天轮架平台、所述竖向立柱(1)和所述斜撑组为HW-400×400的型钢。


6.根据权利要求5所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，在步骤(3)中，对所述天轮架平台的承重主梁(19)和承重边梁(20)进行承重验算，对竖向立柱(1)和主撑杆(6)进行承重验算，对竖井扩挖凿井井架基础进行验算。


7.根据权利要求6所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，承重主梁(19)验证：
承重主梁(19)静力计算：
单跨梁形式：两端固定梁；
计算模型基本参数：长L＝5.4m，a＝0.9m；a为承重主梁(19)的端点A和B分别距离受力点C和D的距离；
集中力：标准值Pk＝Pg+Pq＝10+160＝170KN，其中恒载为竖井扩挖凿井井架及天轮架单根自重按10KN计算，活载为提升罐笼和人员设备的重量，按160KN计算；其中：Pk为集中力的标准值；Pg为恒载、Pc为活载；
集中力的设计值Pd＝Pg×γG+Pq×γQ＝10×1.2+160×1.4＝236KN；其中：γG为恒载应用计算安全系数、γQ活载应用计算安全系数；
承重主梁(19)受荷截面：
截面类型：H型钢：400×400×13×21；
截面特性：截面对x轴的惯性距Ix＝65361.58cm4；截面对x轴的抵抗矩Wx＝3268.07cm3；型心对x轴的静距Sx＝1800.06cm3；截面静载荷G＝168.41kg/m；翼缘厚度tf＝21mm；腹板厚度tw＝13mm；
承重主梁(19)材质：Q235，x轴塑性发展系数γx：1.05；承重主梁(19)的挠度控制[v]：L/250；
承重主梁(19)的内力计算，承重主梁(19)的两个端点分别为A点和B点：
支座反力RA＝Pd＝236KN，支座反力RB＝RA＝236KN，最大弯矩Mmax＝Pd×a×a/L＝35.4KN.M；
承重主梁(19)的强度及刚度验算：
弯曲正应力：σmax＝Mmax/(γx×Wx)＝10.32N/mm2；
A处剪应力τA＝RA×Sx/(Ix×tw)＝50N/mm2
B处剪应力τB＝RB×Sx/(Ix×tw)＝50N/mm2
最大挠度fmax＝Pk×a×a×L/24×(3-4×a/L)×1/(E×I)＝0.54mm；E代表弹性截面模量，单位n/mm2；I代表截面惯性距，单位mm4；
相对挠度v＝fmax/L＝1/10057.5；
弯曲正应力σmax＝10.32N/mm2<抗弯设计值f:205N/mm2；符合要求；
支座最大剪应力τmax＝50N/mm2<抗剪设计值fv:125N/mm2；符合要求；
跨中挠度相对值v＝L/10057.5<挠度控制值[v]:L/250；符合要求；
承重主梁(19)的弯曲正应力、支座最大剪应力和跨中挠度相对值均符合要求，验证通过。


8.根据权利要求6所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，承重边梁(20)验证：
承重边梁(20)的静力计算
单跨梁形式：两端固定梁；
计算模型基本参数：长L＝5.4m，c＝1.35m；c为相邻集中力间距；承重边梁(20)被平均分成5段，每段的距离为c；
集中力：标准值Pk＝Pg+Pq＝10+23＝33KN，其中恒载为竖井扩挖凿井井架及天轮架单根计算自重按10KN计算，活载为中间跨两端支座压力，按23KN计算；其中Pk为集中力的标准值；Pg为恒载、Pc为活载；
设计值Pd＝Pg×γG+Pq×γQ＝10×1.2+23×1.4＝44.2KN；其中：γG为恒载应用计算安全系数、γQ活载应用计算安全系数；
承重边梁(20)的受荷截面：
截面类型：H型钢：400×400×13×21；
截面特性：截面对x轴的惯性距Ix＝65361.58cm4，截面对x轴的抵抗矩Wx＝3268.07cm3，型心对x轴的静距Sx＝1800.06cm3；截面静载荷G＝168.41kg/m；翼缘厚度tf＝21mm腹板厚度tw＝13mm；
承重边梁(20)材质：Q235，x轴塑性发展系数γx：1.05，梁的挠度控制[v]：L/250；
承重边梁(20)的内力计算，承重边梁(20)的两个端点分别为A点和B点：
支座反力RA＝(N-1)/2×Pd＝66.3KN，支座反力RB＝RA＝66.3KN；最大弯矩Mmax＝(N×N+2)/(24×N)×Pd×L＝44.75KN.M，其中力矩比值N＝L\c；...

【专利技术属性】
技术研发人员：许峰，胡传安，刘志强，秦政，程守业，董之村，周武，李功子，于见水，李俊峰，
申请(专利权)人：北京中煤矿山工程有限公司，中国水利水电第十四工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11