煤矿立井梯子间设计

doi:10.11799/ce201502003

Abstract

Abstract: In view of the problem of large random in the key design of the vertical shaft ladder roadway in current coal mine ，such as horizontal layout, layer selection and so on , making sure the advantages ,disadvantages and applicable condition by analyzing, and bringing forward the improved measures for the details which in the design of the current coal mine shaft ladder roadway, that provides some useful reference for the design of coal mine shaft ladder roadway.

Key words: coal mine, vertical shaft, ladder roadway, design

CLC Number:

TD214

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煤矿立井梯子间设计
赵大鹏
(中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司,北京 100120)
摘要：针对当前煤矿立井梯子间平面布置、层高选择等关键设计随意性较大的问题，通过分析明确了各种情况下平面布置、层高选择的优缺点和适用条件，并针对当前煤矿立井梯子间设计中存在的一些细节问题，提出了改进措施，为煤矿立井梯子间设计提供了一些有益的参考。
关键词：煤矿立井梯子间设计
The design for ladder roadway
ZHAO Da-peng
(Beijing Huayu Engineering Corporation Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group,Beijing100120,China)
Abstract: In view of the problem of large random in the key design of the vertical shaft ladder roadway in current coal mine ，such as horizontal layout,layer selection and so on,making sure the advantages,disadvantages and applicable condition by analyzing,and bringing forward the improved measures for the details which in the design of the current coal mine shaft ladder roadway,that provides some useful reference for the design of coal mine shaft ladder roadway.
Keywords: coal mine; vertical shaft; ladder roadway; design
《煤矿立井井筒及硐室设计规范》（GB 50384-2007）5.4.1条第1款规定“作为矿井安全出口的立井井筒，必须设置由井下通达地面的梯子间。”梯子间主要作为停电和井下发生突然事故时的安全出口，也可以用来检修部分井筒装备，处理其他井筒装备事故。梯子间的基本组成有梯子、梯子梁、梯子平台和梯子间壁网等。
1煤矿立井梯子间设计关键问题
1.1材料选择
梯子间根据构件制作材料不同，有木、钢筋混凝土、金属和钢-玻璃钢复合材料梯子间。木梯子间由于木材用量大、易变形腐朽、使用期短等问题，一般不采用。混凝土梯构件梯子间由于重量大、加工复杂、安装不便等问题，也不宜使用。现在使用较为广泛的是金属和玻璃钢梯子间。当前条件下，钢-玻璃钢复合材料梯子间技术成熟，防腐性能优越，造价不高，宜优先选用。
1.2平面布置
梯子间设计的关键之一是平面布置。煤矿立井井筒一般造价高，不易支护，布置大都比较紧凑，富余空间不大，梯子间设计应充分利用好有限的井筒空间。
梯子间按梯子布置形式有顺向式和交错式两类，其中顺向式布置根据空间梯子是否重叠又可以分为错开顺向式和重叠顺向式两种，分别见图1和图2；交错式根据上下层梯子是否共用中间次梁又可以分为共用中次梁交错式和非共用中次梁交错式两种，分别见图3和图4。

图1错开顺向式图2重叠顺向式

图3共用中次梁交错式图4非共用中次梁交错式
从梯子间功能实现上来说，交错式比顺向式使用方便。在宽度受限情况下，重叠顺向式最优。在长度受限情况下，宜布置错开顺向式。其他情况可参考表1。
表1 梯子间平面布置排序表
错开顺向式重叠顺向式共用中次梁交错式非共用中次梁交错式
功能实现
（从好到差） 3 4 2 1
长度排序
（从短到长） 1 1 3 2
宽度排序
（从窄到宽） 2 1 2 2
注：1相同参数取值相同，如梯子角度等。2排序值相同则此项排序位置并列，如错开顺向式、重叠顺向式长度最短且相同，排序并列第1。
1.3层高设计
层高设计也是梯子间设计的关键之一。当前梯子间标准段层高布置最常用的有4m和6m两种。梯子间层高选择主要有两个原则：一是根据《煤矿安全规程》（2011版）第十九条规定，立井梯子间相邻2个平台的垂直距离不得大于8m；二是主副立井中尽量利用罐道梁做梯子大梁。主副立井中罐道梁能兼做梯子梁的，梯子间层高宜和罐道梁层高一致，这样既可以节省梯子梁材料，又便于用梯子间检修罐道。而在不便利用罐道梁作为梯子梁的主副立井和风井中应优先布置6m层高梯子间。因为6m层高梯子间每12m可以比4m层高梯子间节省一层平台、次梁和梯子主梁。
1.4是否封闭设计
按梯子间是否封闭可分为封闭梯子间和不封闭梯子间两种。根据《煤矿安全规程》第一百零一条规定，“设有梯子间的井筒和修理中的井筒，风速不得超过8m/s；梯子间四周经封闭后，井筒中的最高允许风速可按表2规定执行。”表2规定“无提升设备的风井和风筒最高允许风速15m/s，专为升降物料的井筒最高允许风速12m/s，升降人员和物料的井筒最高允许风速8m/s”。在无提升设备的风井中，如果梯子间封闭风速可以按15m/s选用，通风能力就能随着井径的提高显著提高。一般矿井随着开采的进行，井下需风量变化不可预测因素增多，后期需风量往往会超出设计通风困难时期，为保证通风顺利，宜选用封闭梯子间。
另外，封闭梯子间可以有效防止杂物飞入飞出，安全性较好。
综上所述，煤矿立井梯子间宜选封闭型式。
2梯子间设计应注意的细节
2.1井筒施工特点
《煤矿井巷工程质量验收规范》（GB 50213-2010）表8.4.4规定立井井筒净半径允许偏差：有提升为0~50mm，无提升为±50mm。一般主副立井井径比设计井径偏大。通过对部分风井的测量，井径也是比设计井径偏大。主要原因有几个：一是受主副立井规定井径只准大于或等于设计井径的影响；二是在掘进和浇筑的各个环节井径偏大比偏小容易处理和补救；三是《煤矿井巷工程施工规范》（GB 50511-2010）4.4.2条第5款规定“模板组装后，其外沿半径应大于井筒设计半径的10mm~40mm”，这里的规定是针对所有井筒的。
所以在设计梯子间和井壁联系密切的托架和梯子梁时应考虑到这个特点。如梯子间托架固定锚杆外露部分宜为全螺纹，并在不影响其他梯子间构件安装使用的情况下适当长一些，以利于调整。又如梯子梁在既能取长又能取短的情况下应取长，以适应井筒井径误差可能偏大的情况。
2.2托挂钩加工
托挂钩的主要作用是固定壁网。传统的托钩如图5所示。这种托钩在壁网受力变形弯曲时，容易脱钩。有些梯子间就出现过壁网托钩脱钩事故。为了保证托钩在壁网变形的情况下不脱钩，可以在托钩上端加设封口螺栓，或者把托钩设计成托挂钩，并用螺栓对托挂钩进行封口，如图6所示。

图5 传统壁网托钩图6 改进的壁网托钩、托挂钩
2.3保证一定的安装、使用间隙。
梯子间各种构件都是井上加工，井下组装，安装必须保证一定的安装间隙。从现场梯子间安装反馈信息来看，梯子间构件设计容易出现安装间隙不够的问题。现场梯子间安装最常用的工具就是活动扳手。一般宜按JB/ZQ 4005-1997扳手空间要求设计安装间隙。如梯子梁托架背板井壁锚固孔易和托架筋板冲突，造成安装间隙不够，如图7所示。可将筋板适当加厚缩短，如图8所示，即可满足安装间隙的要求。

图7 安装间隙不够的托架图8 改进的托架
再如梯子上端扶手安装位置，如安装在梯子中间，如图9所示，则间隙F较小；如靠内安装，如图10所示，则手扶空间扩大，使用更加方便。

图9 使用间隙不富余的梯子扶手图10 改进的梯子扶手
在梯子间设计中有较多此类问题，设计时应充分考虑梯子间构件的空间结构特点、安装顺序和功能实现，保证有合适的安装、使用空间。
2.4螺栓孔的选择
梯子间构件之间的连接一般都是螺栓连接。常见的螺栓孔有长孔和圆孔两种，如图11所示。

图11 长孔、圆孔
图中圆孔R一般比螺栓半径大1~3mm，a=2R。
长孔的优点是能调整误差、便于安装，缺点是在螺栓稍微松动后受力不好且加工难度大；圆孔在调整误差方面较差，但受力好，螺栓稍微松动对拉拔力和剪切力影响不大。
有些梯子间设计对螺栓孔的选择还不够精细，往往惯用长孔。其实，梯子间的螺栓孔选择还是非常值得推敲。
如梯子间壁网挂钩孔和无台板处的壁网托钩孔，有些设计用长孔。这其实没有必要，因为托、挂钩和壁网的连接只要不和壁网肋条冲突，水平方向可调整度就大，所以宜采用圆孔。
又如梯子上端L型螺栓和梯子小梁连接的孔，有些设计用长孔也不合适。因L型螺栓在各个方向上都有一定的调整能力，用长孔在L型螺栓变形后可能连接不稳，所以宜用装配间隙更小的圆孔。
可见在设计螺栓孔时应综合考虑各构件特点，既要考虑安装，又要考虑受力，尽量“能用小孔不用大孔，能用圆孔不用长孔”。
2.5小件统一型号，减少品种
梯子间最常用的小件就是螺栓、螺母、垫圈等连接件。
梯子间螺栓设计选型主要是外径、长度。螺栓外径一般宜统一。因为螺栓的强度一般远大于设计值。如普通M16螺栓的设计许用剪切力约为38~64kN，设计许用拉拔力约为42~80kN，其强度远超过一般梯子间构件的连接强度要求，所以梯子间的大部分螺栓外径可统一为M16。
螺栓长度选择主要考虑连接件厚度、螺母及垫圈厚度、螺栓外露长度等。在同一设计中，在不影响梯子间安装和功能的情况下宜将相差不大的螺栓长度取整统一。
螺母设计主要是单、双螺母的选择。双螺母能有效防止螺栓松动，主要用于受力较大的构件连接。如托架上的螺栓绝大多数螺栓受力较大，一般用双螺母，极个别受力较小，可用单螺母，为了现场安装方便托架上的螺栓宜统一为双螺母。
梯子间常用垫圈有槽钢垫圈、弹簧垫圈、平垫圈。槽钢垫圈使用是固定的，和槽钢翼缘斜面连接必须使用槽钢垫圈。平垫圈一般用于双螺母，弹簧垫圈用于单螺母。平、弹簧垫圈在施工图中画法差别不大，现场往往容易用错，导致该用弹簧垫圈的没有用弹簧垫圈。而弹簧垫圈的主要作用是防止螺母松动，不仅单螺母应该用，双螺母也可以用，所以在设计中单、双螺母都可选用弹簧垫圈，以减少垫圈品种。
梯子间连接件较多，宜在保证功能的前提下统一考虑，减少品种。
2.6钢材的弯曲半径
根据《重型机械通用技术条件第3部分：焊接件》 (JB/T 5000.3-2007)的规定，圆钢、钢板等材料都有最小弯曲半径，如直径16 mm圆钢的最小弯曲半径为6mm。固定梯子梁和托架的U型螺栓，如图13所示。有些设计直径16mm的圆钢U型螺栓弯曲半径r为5mm，就不符合规范要求。类似的还有L型螺栓、梯脚钢板（如图14所示）、托挂钩钢板等的弯曲加工半径都应按相应的规定进行选取，不能一概而论。

图13 U型螺栓图14梯脚弯曲示意图
2.7玻璃钢防腐层厚度
《煤矿井筒装备防腐蚀技术规范》（MT/T 5017-2011）规定“井筒装备玻璃钢复合材料部件玻璃钢包覆层的厚度不得小于4mm”，而当前有些设计和《采矿工程设计手册》（2003版）选取的梯子间最小玻璃钢包覆层厚度是3mm，不符合新规范要求，设计人员应引起注意。
3.结语
煤矿立井梯子间设计是一项系统性工作，涉及面广，设计应在保证梯子间功能实现的同时，综合考虑梯子间制造、安装、检修特点，兼顾其他井筒装备安装和检修。深刻领会采矿和其他相关专业规程规范的要求，全面、规范、科学做好设计。

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The design for ladder roadway

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