矿山竖井施工中液压平衡吊具的研制与应用

杨宗仁 张西坤 史学伟

(1河北大直径工程井建设有限公司 河北石家庄 050031)

(2河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂 河北石家庄 050031)

(3黑龙江省第一地质勘察院 黑龙江牡丹江 157011)

1 引言

机械钻井法施工矿山竖井,具有机械化程度高、劳动强度低、生产安全、成井质量好等特点。其中预制钢筋混凝土井壁的起吊、运输、安放是关系到钻井法施工矿山竖井质量和安全的重要环节。单节预制钢筋混凝土井壁的重量一般在150吨左右,大型矿山竖井单节井壁的重量达到200吨以上,单节长度一般为5～6m,设置有12～16个预埋吊点,它的起吊、运输、安放等工作需要借助龙门吊等大型起重设备完成。龙门吊游动吊钩和井壁吊点之间连接的吊具是整个钢筋混凝土井壁起吊、运输、安放环节的关键设备。我公司经过几年的矿山竖井施工,井壁安放的起吊由传统的使用钢丝绳索吊具连接,发展到目前的使用液压平衡吊具起吊、运输钢筋混凝土井壁。

2 钢丝绳索连接起吊钢筋混凝土井壁

钢丝绳索连接起吊钢筋混凝土井壁是使用钢丝绳索将混凝土井壁的预埋吊点与龙门吊的游动吊钩直接连接在一起,每两个吊点使用一根独立的钢丝绳索连接。钢丝绳索的规格由井壁的单个吊点所承受的重量来确定。钢丝绳索连接起吊方法存在的问题:

(1)由于各个吊点钢丝绳索套相互独立,在加工制作使用钢丝绳索套时很难保证其长度完全一致或井壁的预埋吊点不能保证在同一个水平面上时,出现起吊井壁过程中吊点和钢丝绳索受力不均匀的现象,易产生破坏,存在重大安全隐患。

(2)由于吊索和井壁的端平面存在一定的夹角α,井壁起吊、运输过程中,钢丝绳索沿井壁径向方向有水平分力,预制好的井壁初期强度较低,刚满足起吊运输强度时,径向水平分力易导致钢筋混凝土井壁产生破坏。当夹角α越小时,沿径向方向产生的水平分力越大,对井壁的破坏影响越明显。

(3)使用钢丝绳索起吊井壁,钢丝绳索与井壁端平面的夹角α应满足一定的要求,当井壁吊点的中心圆直径为 D时,钢丝绳吊索的最小长度为L=D/2cosα。要求起重龙门吊要有足够的有效起重高度。当井壁的预制场地面积有限,需要将井壁叠放起来存放时,一般龙门吊的有效起重高度无法满足需要。

(4)使用钢丝绳索连接起吊井壁,由于各个吊点的钢丝绳索受力不均匀时,有时会导致起吊的井壁不能自动调整水平,井壁安放连接时,相邻两节井壁在井孔对接时垂直度的不易调整,影响井壁的连接质量及竖井的垂直度。钢丝绳索连接起吊混凝土井壁示意图见图1。

图1 使用钢丝绳索连接起吊钢筋混凝土井壁示意图

3 液压平衡吊具起吊钢筋混凝土井壁

使用钢丝绳索起吊存在的问题是:各个吊点在工作过程中是相互独立的,不能通过吊具的自身结构调整各个吊点的受力完全均匀,给井壁的起吊、运输、连接安放等环节带来不安全因素和施工操作上的不方便。液压平衡吊具是通过其自身的结构形式调整工作状态时各个吊点的受力相同,有效解决了传统的钢丝绳索连接起吊多吊点、大重量物件工作不易解决的技术问题。

3.1 液压平衡吊具的工作原理及结构形式

液压平衡吊具的工作原理:如图2所示,在吊盘与起吊重物之间使用数个液压油缸连接,将液压油缸的无杆腔和有杆腔分别串连,组成两个闭合的液压回路。在起吊重物的作用下,活塞吊杆所受拉力为:

式中:F—起吊重物作用下油缸吊杆所受的拉力;

P—起吊重物作用下有杆腔回路内的压强;

S—吊杆活塞的截面积。

图2 液压平衡吊具工作原理示意图

根据液体传递压强的原理,有杆腔闭合回路内作用在各活塞处的压强P相同,当每个油缸吊杆活塞的截面积S相等时,在起吊重物的作用下,各个液压活塞吊杆和起重物吊点所受的拉力F相同:

式中:G——起吊物的重量;

N——液压油缸吊杆的数量。

液压平衡吊具的结构型式:液压平衡吊具(如图3所示)的主要构件是圆形吊盘2和液压油缸4,在吊盘的上面安装有吊座1,龙门吊的游动滑轮组通过铰接的形式与吊具的吊座1连接。在吊盘下面的圆周方向不同中心距的位置均布有一定数量的液压油缸4,油缸的壳体端部通过铰链与吊盘2连接,将所有液压油缸的有杆腔和无杆腔分别用高压油管串连在一起,形成两个闭合的回路。油缸的活塞杆前端连接有吊杆5,吊杆5通过铰链与钢筋混凝土井壁的预埋吊点连接,通过龙门吊实现钢筋混凝土井壁的起重、运输作业。起重量200t液压平衡吊具的油缸直径为100mm,活塞直径为150mm。吊盘选用厚度为25mm的钢板和型钢组焊制成。为方便运输,通过法兰连接将吊盘做成可拆解的组合型式。在吊盘的圆周方向,安装有不同系列中心距的铰链,通过调整油缸所在的中心距位置,可以满足起吊不同直径钢筋混凝土井壁的要求。

图3 液压平衡吊具结构示意图

3.2 液压平衡吊具的工作特点

(1)根据液压平衡吊具的工作原理,在使用吊具起吊、运输钢筋混凝土井壁时,吊具的可伸缩液压吊杆在闭合的液压回路里,能够有效保证井壁各个预埋吊点和吊具的吊杆受力完全相同。避免了使用钢丝绳索吊具起重作业过程中,井壁吊点受力不均一的现象,保证了起重作业过程中的安全。

(2)液压平衡吊具的液压吊杆把钢筋混凝土井壁的预埋吊点和吊盘垂直连接起来,避免了起吊时井壁沿径向方向的受力,保证了井壁初期强度较低时起吊、运输预制钢筋混凝土井壁的受力安全。

(3)使用液压平衡吊具在起吊、安放连接钢筋混凝土井壁时,由于液压平衡吊具的可伸缩液压吊杆,能够自动将起吊的井壁调整成自由垂直状态,便于相临两节井壁连接时垂直度的调整,有效保证了钢筋混凝土井壁连接的整体垂直度。

(4)使用液压平衡吊具,在吊具的吊盘外圆周方向加工不同中心距的铰链轴孔,通过调整油缸铰链的位置,同一件吊具可以实现起吊不同直径钢筋混凝土井壁的要求。

(5)由于液压平衡吊具的总体高度可以控制在2m以内,能够有效地解决使用钢丝绳索吊具起重钢筋混凝土井壁作业时龙门吊的有效高度不足的问题。

3.3 液压平衡吊具使用中应注意的问题

(1)起吊大直径混凝土井壁的液压平衡吊具,为了便于运输,一般要制作成可拆解的型式。使用前拼装时,要将全部定位销安装定位,所有的紧固件均一拧紧。

(2)安装完毕后,将活塞的有杆腔用高压油管串连连接,向系统管路里加注满液压油,使油缸的活塞杆大部收回缸体内,再将各个油缸的无杆腔用高压油管串连连接。起吊作业时,不能将油缸的活塞吊杆全部伸出,以保证各个活塞吊杆和钢筋混凝土井壁吊点的受力相同。

(3)拼装好的吊具正式使用前要进行试吊检查,检查紧固件的连接情况,检查两个闭合回路系统管路的密封可靠情况等等,以防在起吊井壁的过程中出现意外。

(4)在吊具的使用、运输过程中,要保证所有管路及密封的完好。

4 液压平衡吊具在矿山竖井施工中的具体应用

通过几年来的矿山竖井施工,使用液压平衡吊具已经完成了近十口竖井施工的钢筋混凝土井壁安放任务。河北遵化天河铁矿竖井工程是其中之一。遵化天河铁矿竖井工程钢筋混凝土井壁的基本参数见表1。

表1 遵化天河铁矿竖井工程预制钢筋混凝土井壁的基本参数

在井壁的起吊、运输安放施工过程中,使用QM—200/20龙门吊及起重量2000kN的液压平衡吊具,历时7天的时间完成了十余节预制钢筋混凝土井壁的安放任务。如图4通过龙门吊使用液压平衡吊具起吊钢筋混凝土井壁的情形。经检测,井壁的安放连接质量满足设计及规范要求。2000kN液压平衡吊具的性能参数见表2。

表2 2000kN液压平衡吊具性能参数

图4 液压平衡吊具起吊钢筋混凝土井壁

5 结语

液压平衡吊具是通过其自身的结构型式来调整工作状况时各个吊点的受力状态,在起吊多吊点、大重量的预制钢筋混凝土井壁时,能够有效保证工作过程中各吊点的受力相同,有效解决了传统的使用钢丝绳索连接起吊存在的问题,确保了矿山竖井施工过程中的质量和安全。

1 崔云龙.简明建井工程手册.北京:煤炭工业出版社,2007

2 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南(第二版).北京:中国建筑工业出版社,2004

3 洪伯潜.我国深井快速建井综合技术.煤炭科学技术,2006(1)