1、第四章 立井井筒的结构与设计第一节 立井井筒的结构一、立井井筒的种类立井井筒是矿井通达地面的主要进出口，是矿井生产期间提升煤炭（或矸石） 、升降人员、运送材料设备、以及通风和排水的咽喉工程。立井井筒按用途的不同可分为以下几种：（一）主井专门用作提升煤炭的井筒称为主井。在大、中型矿井中，提升煤炭的容器为箕斗，所以主井又称箕斗井，其断面布置如图 4-1 所示。图 4-1 箕斗主井断面图（二）副井用作升降人员、材料、设备和提升矸石的井筒称为副井。副井的提升容器是罐笼，所以副井又称为罐笼井，副井通常都兼作全矿的进风井。其断面布置如图 4-2 所示。图 4-2 罐笼井断面图（三）风井专门用作通风的井筒称
2、为风井。风井除用作出风外，又可作为矿井的安全出口，风井有时也安设提升设备。除上述情况外，有的矿井在一个井筒内同时安设箕斗和罐笼两种提升容器，兼有主、副井功能，这类立井称为混合井。我国煤矿中，立井井筒一般都采用圆形断面。如图 4-1、图 4-2 所示，在提升井筒内除设有专为布置提升容器的提升间外，根据需要还设有梯子间、管路间以及延深间等。用作矿井安全出口的风井，需设梯子间。二、立井井筒的组成立井井筒自上而下由井颈、井身、井底三部分组成，如图 4-3 所示。靠近地表的一段井筒叫做井颈，此段内常开有各种孔口。井颈的深度一般为 1520m，井塔提升时可达 2060m 。井颈以下至罐笼进出车水平或箕斗装
3、载水平的井筒部分叫做井身。井身是井筒的主干部分，所占井深的比例最大。井底的深度是由提升过卷高度、井底设备要求以及井底水窝深度决定的。罐笼井的井底深度一般为 10m 左右；箕斗井井底深度一般为 3575m 。这三部分长度的总和就是井筒的全深。图 4-3 井筒的组成 图 4-4 台阶形井颈三、立井井颈、壁座和井底结构（一）井颈如图 4-4 所示。井颈的作用，除承受井口附近土层的侧压力及建筑物荷载所引起的侧压力外，有时还作为提升井架和井塔的基础，还要承受井架或井塔的重量与提升冲击荷载。1、井颈的特点（1）井颈处在松散含水的表土层或破碎风化的岩层内，承受的地压较大。（2）生产井架或井塔的基础，将其自重
4、及提升荷载传到井颈部分，使井颈壁的厚度大大增加。（3）井口附近建筑物的基础，增大了井颈壁承受的侧压力。因之，在井颈壁内往往要加放钢筋。（4）井颈壁上往往需要开设各种孔洞，削弱了井颈强度。2、井颈的结构和类型井颈部分和井身一样，也要安设罐梁、罐道、梯子间和管缆间等。另外井颈段还要装设防火铁门和承接装置基础，设置安全通道、暖风道（在严寒地区） 、同风井井颈斜交的通风道等孔洞。井颈壁上的各种孔洞的特征，见表 4-1。表 4-1 井颈壁上孔洞特征孔洞名称 断面积 / m2 孔顶至井口距离 / m 用途 备注安全通道孔 1.22.0 在防火门以下 防火门封闭时疏散井下人员及进风。 可用拱形或矩形断面，其
5、大小应便于行人。暖风道孔 28 1.56严寒地区，防止冬季井筒结冰和保证井下人员正常工作。孔口应对着罐笼侧面，断面大小可根据送入井下的热风量而定通风孔道 420 37 通风井筒出风用。 风道应与井颈斜交，断面大小根据通过的风量而定。排水管孔 1.54 23 通过排水管用。 断面大小根据排水管数目和直径而定。压风管孔 1.01.5 23 通过压风管用。 断面大小根据压风管数目和直径而定。电缆孔 0.81.0 12 通过电缆用。电缆允许弯曲的曲率半径R1520 倍电缆直径，所以应为斜洞，其断面根据电缆的数目和大小而定。井颈型式主要取决于井筒断面形状及用途、井口构筑物传递给井颈的垂直荷载、井颈穿过地
6、层的稳定性情况和物理力学性质、井颈支护材料及施工方法等因素。常用的井颈型式有下述几种：（1）台阶形井颈（图 4-4） 为了支承固定提升井架的支承框架，井颈的最上端（锁口）厚度一般为 1.01.5m，往下成台阶式逐渐减薄。图 a 适用于土层稳定，表土层厚度不大的条件。图 b 适用于岩层风化、破碎及有特殊外加侧向荷载时。（2）倒锥形井颈（图 4-5） 这种井颈可视为由倒锥形的井塔基础与井筒联结组成。倒锥形基础是井塔的基础，又是井颈的上部分，它承担塔身全部结构的所有荷载，并传给井颈。倒锥形井颈根据井塔的形式又分为倒圆锥壳形、倒锥台形、倒圆台形等形式。倒圆锥壳形（图 4-5 a） ，即圆筒形井塔与圆筒
7、形井筒的井颈直接固接在一起，适用于地质条件复杂的地区。倒锥台形（图 4-5 b） ，即矩形或框架形塔身的井塔与圆形井筒的井颈直接固接在一起，适用与厚表土、地下水位高的井筒。倒圆台形（图 4-5 c） ，即圆筒形井塔与圆形井筒的井颈直接固接在一起，适用于厚表土层竖向载荷大的井筒。图 4-5 倒锥形井颈3、井颈的深度和厚度设计井颈的深度主要受表土层的深度控制。在浅表土中井颈深度可取表土层全厚加 23m，按基岩风化程度来定。在深表土中，井颈深度可取为表土层全厚的一部分，但第一个壁座要选择在不透水的稳定土层中。如果多绳提升的井塔基础座落在井颈上时，井塔影响井颈的受力范围（深度）可达 2060m。井颈深
8、度除依表土情况确定外，还取决于设在井颈内各种设备（支承框架、托罐梁、防火门）的布置及孔洞大小等。井颈的各种设备及孔洞应互不干扰，并应保持一定间距；设备与设备外缘应留有 100150mm 的间隙，孔口之间应留 400 500mm 的距离。井颈的总深度可以等于浅表土的全厚，也可为厚表土的一部分，一般为 815m。若多绳井塔与井筒固接，则井塔影响井颈的深度可达 2060m 。井颈用混凝土或钢筋混凝土砌筑，厚度一般不小于 500mm，为了安放和锚固井架的支承框架，最上端的厚度有时可达 1.01.5m ，向下成台阶式逐渐减薄，第一阶梯深度要在当地冻结深度以下。图 6 井颈最小高度计算图井颈壁厚的确定方法
9、，一般先按照构造要求估计厚度，然后再根据井颈壁上作用的垂直压力和水平压力进行井颈承载能力验算。作用于井颈壁上的垂直压力包括井架立架和其它井口附近构筑物作用在井颈上的全部计算垂直压力及井颈的计算自重。按轴向受压和按偏心受压验算井颈壁承载能力。作用于井颈壁上的水平压力包括地层侧压力、水压力及位于滑裂面范围内井口附近构筑物引起的侧压力等。在水平侧压力作用下井颈壁按受径向均布侧压力或受切向均布侧压力验算承载能力。当作用于井颈上的荷载很大时，为避免应力集中，设计时需增加钢筋。受力钢筋（沿井筒弧长布置）直径一般为 1620mm，构造钢筋（竖向布置）直径一般为 12mm，间距为250300mm。井颈的开孔计
10、算，可设开孔部分为一闭合框架，框架两侧承受圆环在侧压力作用下的内力分力为 Q，分力 V 则传至土壤及风道壁上。Q 可取作用于框架上部侧压力 P1 的内力分力 Q1 和下部侧压力 P2 的内力分力 Q2 的平均值：（图 4-7） 12cosr（4-2）式中 r圆环外半径，m；孔口弧长对应的圆心角。图 4-7 井颈开孔图及开孔受力、内力图在 Q 的作用下，可计算闭合框架在 A 点和 h 的中点弯矩 QAM和 h，如图 4-7 所示。框架梁上的荷重，可近似按承受从梁两端引出与梁轴成 45线交成的三角形范围内的筒壁自重计算（图 4-8） 。为了简化，将三角形荷载转化为等量弯矩的均布荷载。设三角形中点荷
11、载为 P1，则其等量弯矩的均布荷载 185P。依此可计算出框架 A 点和 l 的中点的弯矩 PAM和tM，如图 4-8 所示。图 4-8 开孔梁计算图根据求出的跨中、转角处的弯矩及轴向力的总和，再按偏心受压构件验算闭合框架。强度不足时，进行配筋。（二）壁座以往在立井、斜井的井颈下部、在厚表土下部基岩处、马头门上部、需要延深井筒的井底等，都要设置壁座。人们认为壁座是保证其上部井筒稳定的重要组成部分。用它可以承托井颈和作用于井颈上的井架、设备等的部分或全部重力。从这种思想出发，人们设计出壁座的结构，并以此推导出壁座的设计计算方法。目前国外的矿山建设者，仍然沿用着壁座这种结构的设计和计算原理。我国的
12、建井工作者，在最近三十年来的研究中发现，由于井颈段比较长，少则十几米、多则几十米。井颈段与土层的接触面积很大，少则几百平方米，多则上千平方米。土层对井颈段的摩阻力，远远大于井颈段井筒的自重及其作用于其上的全部荷载。由此认为井颈段的壁座是完全没有必要的，这一点，已被工程实践所证明。现在已普遍认识到，井筒内的其他壁座，也无存在的必要，因为爆破后，在原来的岩壁上形成的凹凸的表面，实际上就是千千万万个小壁座，它与混凝土粘结的相当牢固，其摩阻力远大于井颈段。(三)井底结构井底是井底车场进出车水平（或箕斗装载水平）以下的井筒部分。井底的布置及深度，主要依据井筒用途、提升系统、提升容器、井筒装备、罐笼层数、
13、进出车方式、井筒淋水量、并结合井筒延深方式、井底排水及清理方式等因素确定。井底装备指井底车场水平以下的固定梁、托罐梁、楔形罐道、制动钢绳或罐道钢绳的固定或定位装置、钢绳罐道的拉紧重锤等。所有这些设备均应与水窝的水面保持 0.5m 或 1.0m 的距离。1、罐笼井井底不提人的罐笼井井底多采用罐梁或托罐座承接罐笼，如不考虑延深，托罐梁下留 2m 以上的水窝即可。井窝存水可用潜水泵排除。提升人员的罐笼井井底一般采用摇台承接罐笼。（1）单绳提升人员的罐笼井井底当采用刚性罐道时，在摇台下应留过卷深度（其大小由提升系统决定） ，以防提升过卷时蹾罐。在过卷深度处设托罐梁，托罐梁下设防坠保险器钢丝绳拉紧装置固
14、定梁，并留 25m 水窝（见图 4-9）井窝深度用下式表示： 321h，m （ 4-3）式中 h井窝深度，m；h1进出车平台至托罐梁上垫木的距离（包括过卷高度） ，m；h2托罐梁上垫木至拉紧装置固定梁距离，m ；h3水窝深度，不考虑延深时，一般取 5m；考虑延深时，取 1015m 。当采用钢丝绳罐道时，托罐梁下面要设置钢丝绳罐道固定梁及钢丝绳拉紧装置平台梁，故井窝要比刚性罐道的井窝深一些（见图 4-10） 。井窝深度用下式表示：654321hh，m (4-4)式中 h1进出车平台至托罐梁上垫木距离，m ；h2托罐梁上垫木至钢丝绳定位梁的距离，一般取 12m；h3钢丝绳罐道定位梁至罐道拉紧装置的
15、距离，一般取 2.53.0m；若拉紧装置设在井架上，则 h30；h4钢丝绳拉紧装置长度（重锤） ，或固定装置长度（拉紧装置在井架上） ，m；h5重锤底面至水面的距离，一般取 23m ；h6水窝深度，m。图 4-9 单绳提升钢罐道罐笼井井底结构 图 4-10 单绳提升钢丝绳罐道井底结构（2）多绳提升人员的罐笼井井底多绳提升系统中，在井底过卷深度内设置木质楔形罐道，并在楔形罐道终点水平下设防撞梁及防扭梁，以防过卷时蹾罐和尾绳扭结事故发生。当采用钢罐道时，井窝深度（见图 4-11）用下式表示：4321hh，m (4-5)式中 h1进出车平台至防撞梁距离，m ；h2防撞梁至防扭结梁距离，一般取 33.
16、5m ；h3防扭结梁至平衡尾绳最低点距离，一般取 34.5m ；h4水窝深度，若为泄水巷排水，不考虑井筒延深时，取 5.0m；考虑延深时，取1015m；若为水泵排水，则需增加平衡尾绳环点至水面距离 23m 。当采用钢丝绳罐道时，井窝深度（见图 4-12）用下式表示： 987654321 hhhm (4-6)式中 h1进出车平台至楔形木罐道终点水平的距离，当双层罐笼两个水平进出车时，一般取1520m；当双层罐笼，单水平进出车，两个水平上下人员时，h 1 为下层罐笼高度与井底过卷高度之和。h2楔形罐道终点水平至防撞梁距离，一般取 2.53.0m；以便检修；当防撞梁设在楔形罐道终点水平时，h 20；
17、h3防撞梁至防扭结梁距离，m ；h4防扭结梁至平衡尾绳最低点距离，m ；h5平衡尾绳最低点（环点）至钢丝绳罐道定位梁距离，一般取 1.02.0m；h6钢丝绳罐道定位梁至罐道拉紧装置距离，一般 2.53.0m；h7钢丝绳罐道重锤拉紧装置长度，m ；h8重锤底面至水面距离，一般取 23m ；若采用泄水巷排水，h 80；h9水窝深度，m。图 4-11 多绳提升钢罐道罐笼井井底结构 图 4-12 多绳提升钢丝绳罐道井井底结构2、箕斗井井底箕斗井的井底，是指箕斗装载水平以下的一段井筒，主要包括井筒接受仓及水窝。因此，箕斗井的井窝设计应与清理撒煤系统统一考虑，其深度主要取决于清理撒煤方式。箕斗装载停放水平
18、以下至井筒撒煤接受仓上口段的井窝深度，与罐笼井进出车水平至井窝段的井窝深度基本相同。现依多绳提升、钢丝绳罐道箕斗井井窝深度为例（图 4-13） ，则12345hh，m (4-7)式中 h1装载水平至钢丝绳罐道定位平台距离（包括过卷高度及楔形罐道长） ，m；h2定位平台至平衡尾绳最低点距离，m ；h3尾绳最低点至罐道绳重锤拉紧装置距离，一般取 1.0m；h4拉紧重锤长度，m ；h5斜式井筒撒煤接受仓部分高度，m 。井筒接收仓有立式和斜式两种，图 4-13 的斜式接收仓井底工作可靠，并可兼顾延深要求，目前现场采用较多，它能将煤、水引向井筒侧面的清理撒煤硐室。若井筒需要延深时，在箕斗装载水平以下设一
19、倾斜 5060的钢筋混凝土板或钢板，板下用钢梁支撑，可为将来井筒延深创造条件。若井筒不需延深，则将井底作成斜底。图 4-13 多绳提升钢丝绳箕斗井井底结构第二节 立井井筒装备井筒装备是指安设在整个井深内的空间结构物，主要包括罐道、罐道梁、井底支承结构、钢丝绳罐道的拉紧装置以及过卷装置、托罐梁、梯子间、管路、电缆等。其中罐道和罐梁是井筒设备的主要组成部分。罐道作为提升容器运行的导轨，其作用是消除提升容器运行过程中的横向摆动，保证提升容器高速、安全运行，并阻止提升容器的坠落。井筒装备按罐道结构不同分为刚性装备（刚性罐道）和柔性装备（钢丝绳罐道）两种。一、立井刚性井筒装备刚性井筒装备由刚性罐道和罐道
20、梁组成，构成空间弹性结构。刚性罐道是提升容器在井筒上下运行的导向装置。根据提升容器终端荷载和速度大小，分别选用木质矩形罐道、钢轨罐道、型钢组合罐道（包括球扁钢罐道） 、整体轧制异形钢罐道以及复合材料罐道等。罐道梁是沿井筒纵向按一定距离（一般采用等距离） ，为固定刚性罐道而设置的水平梁。一般都采用金属罐道梁。上世纪的五十年代到六十年代，我国常用的刚性罐道主要是木质矩形罐道，现已完全淘汰。到七十年代则以钢轨罐道、滑动罐耳为主；七十年代后期，出现了型钢组合罐道和整体轧制罐道，配胶轮滚动罐耳，目前以采用冷弯方管罐道和钢玻璃钢复合材料罐道为主。刚性罐道的结构型式如图 4-14 所示。木罐道有比较安全可靠
21、的断绳防坠器，罐笼井筒中曾广泛采用。通常采用木质致密、强度较大的松木或杉木制作，并经过防腐处理。一般为矩形。断面尺寸为：1t 矿车罐笼（单层或双层单车）180160mm，3t 矿车普通罐笼（单层单车）200180mm 。我国煤矿一般多采用 38、43kg/m 钢轨作罐道。钢轨罐道在侧向水平力作用下，由于侧向刚性和截面系数过小易造成严重的容器横向摆动。因而近年来在提升容器大、提升速度高的井筒中改用矩形空心截面钢罐道，即型钢组合罐道。型钢组合罐道一般用两个 16 号槽钢加扁钢或角钢加扁钢焊接而成，故又称槽钢组合罐道。我国曾经有一部分矿井采用了球扁钢组合罐道（图4-14） 。在国外如波兰、德国、苏联
22、多采用 18、22 号槽钢或等边角钢焊制的组合罐道。由于型钢组合罐道的侧向弯曲和扭转阻力大，刚性强，截面系数大，配合使用摩擦系数小的胶轮滚动罐耳，提升容器运行平稳，罐道与罐耳磨损小，使用年限长，是一种比较好的刚性罐道。实践证明，型钢组合罐道的加工组装消耗较大的人力和物力，加工引起的罐道变形虽经校正但其误差还无法完全消除，影响安装质量。因此，各种整体热轧异型截面罐道用来代替型钢组合罐道便应运而生了。这种罐道不仅具有侧向刚性和截面系数大的特点，而且加工、安装都易于保证质量。为了解决钢罐道的防腐问题，在钢表面敷以玻璃钢，利用钢的高强度和玻璃钢的耐腐蚀组合成钢玻璃钢复合材料罐道，其使用寿命长；另外其重
23、量轻，安装方便，罐梁层间距可根据条件设计，目前这种罐道的使用已越来越多。图 4-14 刚性罐道的结构型式当采用组合罐道、胶轮滚动罐耳多绳摩擦提升时，提升容器横向摆动小，运行平稳，有利于提高运行速度。刚性井筒装备自身及其所受荷载均直接传给井壁，不增加井架负荷。因此，刚性设备在我国煤矿中特别是大中型矿井中采用最为广泛。我国立井井筒刚性设备的发展大致归结为三个阶段，各阶段的主要特征见表 4-2。表 4-2 井筒刚性设备发展各阶段特征表阶段 井深/m 提升方式 容器载重 /t 提升速度 /m/s 罐道形式 及布置 罐梁形式 及布置 导向装置 罐梁固定方式 计算依据第一阶段（20 世纪5060 年代）8
24、00多绳摩擦轮或双绳缠绕式提升40 1420型钢组合、整体轧制钢罐道，复合材料罐道，端面、对角布置组合悬臂梁，无罐梁桁架组合梁胶轮滚动罐耳，带有弹性或液压缓冲装置树脂锚杆、阶梯楔钢锚杆固定以水平力为主计算（一）钢轨罐道目前乡、镇及县营的地方小型矿井中仍有的应用钢轨罐道，一般为 38kg/m 钢轨。钢轨的标准长度为 12.5m，固定在四层罐梁上，考虑井筒内冬夏温差，罐道接头处留有4.0mm 的伸缩缝，故罐梁层间距为 4.168m。钢轨罐道的接头位置应尽量设在罐道与罐道梁连接的地方。过去常用销子对接，但是，由于维修更换不便，使用过程易脱落和剪断销子，故现在都改用钢夹子接头（图 4-15） 。有的矿
25、井把罐道接头处轨头加工成长 100150mm，深 3mm 的梢头，提升容器运行平稳、罐耳磨损小，效果较好。钢轨罐道和工字钢罐道梁之间采用特制的罐道卡子和螺栓连接固定（图 4-15） 。钢轨罐道强度高，多采用于箕斗井和有钢丝绳断绳防坠器的罐笼井。由于钢轨罐道在两个轴线方向上的刚度相差较大，抵抗侧向水平力的能力较弱，所以采用钢轨罐道在材料上使用不够合理。滑动罐耳对钢轨罐道的磨损严重，需要经常更换。图 4-15 钢轨罐道接头与罐梁的连接1-罐道卡；2-卡芯；3- 垫板；5-罐道； 6-罐道梁（二）型钢组合罐道型钢组合罐道是由型钢加扁钢焊接成的矩形空心罐道。我国使用的型钢组合罐道多采用两个 16 号槽
26、钢组合而成。采用这种罐道时提升容器是通过 3 个弹性胶轮罐耳沿罐道滚动运行（图4-16） 。图 4-16 型钢组合罐道和滚动罐耳型钢组合罐道的接头应尽量设在罐道与罐道梁连接的地方，接头之间应留 35mm 的伸缩缝。接头多采用扁钢销子或将罐道头磨小的方式（图 4-17，a、b） 。为了克服扁钢销子接头时更换罐道的困难，改善胶轮罐耳的工作条件，可将罐道接头处切成 45斜面，罐道间借助导向板连接（图 4-17，c ） 。这种接头方式的优点是结构简单，安装更换方便。型钢组合罐道与罐道梁的连接方式主要有螺栓连接和压板连接。型钢组合罐道在两个轴线上的刚度都较大，有较强的抵抗侧向弯曲和扭转的能力；罐道寿命长；配合使用弹性滚动罐耳，可减低容器的运行阻力，容器运行平稳可靠。（三）整体轧制罐道整体轧制罐道在受力特性上具有型钢组合罐道的优点，并且与型钢组合罐道相比，不仅节约加工费用，还可减轻罐道的自重，保证罐道安装质量。国外采用整体轧制罐道较多，我国对此也十分重视，已有定型设计和批量生产。整体轧制罐道的截面形状见图 4-14e、f ，其中方形罐道截面封闭，仅表面受淋水腐蚀，因而使用寿命长。钢玻璃钢复合材料罐道，重量轻、耐磨、耐腐，安装方便，具有很大的发展前途。
