CN108425631B - 特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统和纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统，包括以井筒为中心设置的永久井架，该永久井架为双斜撑四柱式空间框架结构以及与该框架结构相连接的控制系统；框架结构包括分别位于井筒两侧的主斜撑和副斜撑；上述斜撑均为箱型柱腿，在箱型柱腿的底端依次设有底端面钢板、基础和碎石垫层；于基础上设有凹槽用于安放千斤顶；控制系统包括传感器、测量仪、数据处理器、报警器和控制室；传感器与千斤顶的顶端连接，用于测量千斤顶的顶端位移和出力大小。本发明能够实时检测永久井架的基础坐标值，并实时纠偏，以提高永久井架的安全性能和经济性能，本发明同时还提供了用与上述自动纠偏系统的纠偏方法，能够有效提高纠偏效率。

Description

特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统和纠偏方法

技术领域

本发明涉及凿井施工领域，特别涉及一种适用于特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统和纠偏方法。

背景技术

永久井架是矿井的重要构筑物，主要承担着矿井生产提升任务。为缩短建井工期，许多采用冻结法施工的井筒都利用永久井架凿井。但随着新建井筒穿过表土层厚度的增加，在特厚表土层冻结法凿井中，为抵御强大的水土压力作用，大直径冻结井筒的冻结壁设计厚度通常都达到十米左右，在此情况下，永久井架的基础将临近冻结壁或位于冻土范围内。在冻结法凿井结束后，随着冻结壁的融化，土层将出现融沉现象，在井筒周围形成沉降漏斗，造成井架基础出现不均匀沉降，天轮平台偏斜，这将导致罐笼与井口罐道撞击增大、天轮衬垫偏磨现象严重，严重威胁井筒提升安全。

土体在冻结时，其中的水结成冰，体积将出现膨胀。而当这些冰融化后，土体体积又发生缩小，土体结构将比冻结前更加松散，在自重等载荷作用下将产生压缩变形。同时，在自重等载荷作用下，土体部分自由水将通过孔隙排出，加大了土层沉降的几率。由于地层土质含水和含冰量非均匀，造成地层沉降也不均匀。这种地层不均匀沉降将引起井架结构内应力明显增大，导致井架结构损伤和材料强度疲劳，影响井架安全提升，这就需要进行地基加固和井架纠偏。

在特厚表土层冻结法凿井中，由于冻结壁厚度大、温度低，其解冻融化是一个缓慢过程，因此，融沉更是一个漫长的过程。通常，对井架地基一定范围内的土层进行注浆加固，可增大冻融土的压缩模量，防止井架基础继续产生不均匀下沉，对已经发生偏斜的永久井架通过机械顶升纠偏是最为有效方法之一。

在过去的机械顶升纠偏案例中，往往因为在井架基础设计之初，没有考虑机械顶升纠偏的构思，在进行顶升纠偏时，必须对井架斜腿或基础采取相关挖掘处理措施。如在正常使用的基础上挖凿出安置千斤顶的空间和焊接钢板等，这将加大井架结构和地基基础的不安全因素，对安全提升极为不利。

因此设计一种适用于特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统和纠偏方法就显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统和纠偏方法。并提出在井架和基础设计、施工时就预先考虑顶升纠偏问题，在井架基础设计施工时就安放好顶升纠偏用的液压千斤顶，在井架的4个斜腿底端板与侧面箱板之间焊接加强肋板，通过计算机监测并控制液压千斤顶来实现大型井架结构的自动顶升纠偏。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统，其改进之处在于，该自动纠偏系统包括以井筒为中心设置的永久井架，该永久井架为双斜撑四柱式空间框架结构以及与该框架结构相连接的控制系统；

所述框架结构包括分别位于所述井筒两侧的主斜撑和副斜撑；

所述主斜撑包括主斜撑A和主斜撑B，所述副斜撑包括副斜撑A和副斜撑B；

所述主斜撑A、主斜撑B、副斜撑A和副斜撑B均为箱型柱腿，在所述箱型柱腿的底端由上到下依次设有底端面钢板、基础和碎石垫层；

于所述基础顶部的内侧和外侧分别设有凹槽，所述凹槽内用于安放千斤顶；

于所述箱型柱腿与所述底端面钢板之间对应所述凹槽位置处均设有加强钢肋板，所述加强钢肋板用于提高所述底端面钢板和所述箱型柱腿局部的承载力；

所述控制系统包括传感器、测量仪、数据处理器、报警器和控制室；所述传感器与所述千斤顶的顶端连接，用于测量所述千斤顶的顶端位移和出力大小；

所述测量仪与所述框架结构上部的天轮平台的角点连接，用于测量所述天轮平台的角点坐标值和所述永久井架的基础坐标值；

所述传感器和所述测量仪将测得数据传递给所述数据处理器，再由所述数据处理器传递给所述控制室，所述控制室用于对所述自动纠偏系统发出指令；当所述数据处理器接收的数据不符合所述自动纠偏系统预设数据时所述报警器报警。

优选地，在上述的特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统中，所述加强钢肋板为多个且垂直焊接于所述箱型柱腿的侧面箱板与所述底端面钢板之间。

优选地，在上述的特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统中，所述的箱型柱腿采用型钢或钢板焊接成工字型断面。

优选地，在上述的特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统中，设于每个所述凹槽中的所述千斤顶的数量为2-3个；在所述千斤顶的顶端设置光纤位移传感器和光纤载荷传感器；所有所述光纤位移传感器和所述光纤载荷传感器均通过导线连接到所述数据处理器和所述控制室。

优选地，在上述的特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统中，所述框架结构的高度范围在30m-50m之间。

优选地，在上述的特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统中，所述主斜撑A和所述主斜撑B的总高度范围在30m-50m之间，设于所述主斜撑A和所述主斜撑B底端的所述基础在地面以上为1m-1.5m之间，地面以下为4.5m-7m之间；

设于主斜撑A和所述主斜撑B底端的所述基础为钢筋混凝土结构；

优选地，所述基础底面的顶面尺寸为9.5m×8.5m。

优选地，在上述的特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统中，所述副斜撑A和所述副斜撑B的总高度范围在20m-40m之间，设于所述副斜撑A和所述副斜撑B底端的所述基础在地面以上为1m-1.5m之间，地面以下为2.5m-5m之间；

设于副斜撑A和副斜撑B底端的所述基础为钢筋混凝土结构；

优选地，所述基础底面的顶面尺寸为6m×7m。

优选地，在上述的特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统中，提供一种矿井永久井架自动纠偏系统的纠偏方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

1)自动纠偏系统的设计，在每个所述基础上部的所述内侧和所述外侧各施工一个安装2-3台所述千斤顶的所述凹槽，在采用钢筋混凝土浇筑所述基础时，在所述凹槽的底面放置钢板；在所述钢板下底面焊接锚钉；设计所述凹槽的上面与所述底端面钢板的倾角一致；

2)自动纠偏系统的制作形成，在以井筒为中心的四边形的顶角处的碎石垫层上浇筑钢筋混凝土形成的所述基础，在所述基础上部的内侧和外侧设置所述凹槽，在所述凹槽内设置2-3台的所述千斤顶，设置所述千斤顶的顶面与所述底端面钢板紧密接触；在所述箱型柱腿的侧面箱板与所述底端面钢板之间垂直焊接加强钢肋板；

在每台所述千斤顶的顶端处设置所述光纤位移传感器和所述光纤载荷传感器；所有所述光纤位移传感器和光纤载荷传感器均通过导线连接到所述控制室；在所述天轮平台上设置所述测量仪测量所需的测点；

3)自动纠偏，通过所述光纤位移传感器和所述光纤载荷传感器实时测量每台所述千斤顶的顶端位移和出力大小；通过所述测量仪测出所述天轮平台4个角点的坐标值以及所述永久井架的基础坐标值，并将这些测量数据输入给所述数据处理器，所述数据处理器再将处理后的数据传递给所述控制室，所述控制室够自动计算出所述永久井架的基础坐标值的沉降量和所述永久井架的倾斜值，当所述坐标值与所述倾斜值超过所述永久井架安全提升允许值时，所述控制室将自动计算出每个所述千斤顶需要的顶升量和出力大小。

优选地，在上述的矿井永久井架自动纠偏系统的纠偏方法中，在所述步骤3)中，当纠偏结束后，所述测量仪继续测量每个所述永久井架基础坐标值和所述天轮平台4个角点的坐标值，并将数据传递给所述控制室进行计算复核，当结果呈示顶升纠偏到位后，工作结束。

优选地，在上述的矿井永久井架自动纠偏系统的纠偏方法中，在所述步骤3)中，当所述控制室能够自动计算出所述永久井架的基础坐标值的沉降量和所述永久井架的倾斜值超过所述永久井架安全提升允许值时，所述报警器报警，要求启动纠偏工作。

分析可知，与现有技术相比，本发明提供的特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统和纠偏方法通过设置控制系统能够实时检测永久井架的天轮平台4个角点的坐标值以及永久井架的基础坐标值，并通过在基础上部设置凹槽放置千斤顶的方式实现对永久井架的实时纠偏，在永久井架偏离标准设定数据过大时，还能及时报警，以提高永久井架的安全性能和经济性能，本发明同时还提供了用与上述自动纠偏系统的纠偏方法，能够有效提高纠偏效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明永久井架的结构示意图。

图2为本发明底面端钢板和基础的俯视图。

图3为本发明底端面钢板和基础的剖视图。

附图标记说明：1-井筒、21-主斜撑A、22-主斜撑B、23-副斜撑A、24-副斜撑B、3-锚钉、4-千斤顶、5-底端面钢板、6-基础、7-凹槽、8-钢筋混凝土结构。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1-图3所示，根据本发明的实施例，提供了一种特厚表土层冻结法凿井永久井架自动纠偏系统，其中特厚表土层即厚度大于400m的表土层，该自动纠偏系统包括：以井筒1为中心设置的永久井架，该永久井架为双斜撑四柱式空间框架结构以及与框架结构相连接的控制系统。其中，该框架结构包括分别位于井筒1两侧的主斜撑和副斜撑，其中主斜撑包括主斜撑A21和主斜撑B22，副斜撑包括副斜撑A23和副斜撑B24。

上述的主斜撑A21、主斜撑B22、副斜撑A23和副斜撑B24均为箱型柱腿，该箱型柱腿的底端设有底端面钢板5，底端面钢板5下方设有基础6，基础6下方设有碎石垫层。

进一步地，基础6包括钢筋混凝土结构8和凹槽7，在基础6的顶端(与底端面钢板5接触的一端)的内侧即靠近井筒1的一侧和外侧即远离井筒1的一侧均设置凹槽7，凹槽7内用于放置千斤顶4。

优选地，千斤顶4的数量为2-3台，千斤顶4优选为1000KN到2000KN之间吨位的大吨位油缸活塞式千斤顶。

进一步地，上述的控制系统包括传感器、测量仪、数据处理器、报警器和控制室。其中，传感器包括光纤位移传感器和光纤载荷传感器，均与千斤顶4的顶端相连接，用于测量千斤顶4顶端的位移和出力大小。测量仪与框架结构上部的天轮平台的角点连接，用于测量天轮平台的角点坐标值和永久井架的基础坐标值。

上述的光纤位移传感器、光纤载荷传感器和测量仪都能够将测得的数据传递给数据处理器，再由数据处理器传递给控制室，控制室用于对自动纠偏系统发出指令；当数据处理器接收的数据超出自动纠偏系统预设数据时候报警器报警。

优选地，加强钢肋板为多个且垂直焊接于箱型柱腿的侧面箱板与底端面钢板5之间。

优选地，设于每个凹槽7中的千斤顶4的数量为2-3个；千斤顶4优选为油缸活塞式千斤顶。

优选地，框架结构的高度范围在30m-50m之间。

优选地，主斜撑A21和主斜撑B22的总高度范围在30m-50m之间，其基础6在地面以上为1m-1.5m之间，地面以下为4.5m-7m之间；设于主斜撑A和主斜撑B底端的基础6为钢筋混凝土结构8。

优选地，基础6的顶面尺寸为9.5m×8.5m。

优选地，副斜撑A21和副斜撑B22的总高度范围在20m-40m之间，其基础6在地面以上为1m-1.5m之间，地面以下为2.5m-5m之间；设于副斜撑A23和副斜撑B24底端的基础6由钢筋混凝土浇筑而成。

优选地，基础6的顶面尺寸为6m×7m。

优选地，上述的箱型柱腿采用型钢或钢板焊接成工字型断面。

本发明还提供一种矿井永久井架自动纠偏系统的纠偏方法，包括如下步骤：

1)自动纠偏系统的基础设计。

在每个基础6上部的内侧和外侧各施工一个安装2-3台大吨位(即1000KN到2000KN)千斤顶的凹槽，在采用钢筋混凝土浇筑基础6形成钢筋混凝土结构8时，在凹槽7的底面放置50mm厚的钢板；在钢板下底面焊接4根300mm长的锚钉3，锚钉3用来将钢板固定到凹槽7上；设计钢板的上底面与底端面钢板5的倾角一致，便于放置千斤顶；。

2)自动纠偏系统的加工。

在以井筒1为中心的四边形的顶角处的碎石垫层上采用钢筋混凝土结构8浇筑基础6，在基础6上部的内侧和外侧设置凹槽7，在凹槽7内放置2-3台大吨位的千斤顶4，设置千斤顶4的顶面与底端面钢板5紧密接触；在箱型柱腿的侧面箱板与底端面钢板5之间垂直焊接50mm厚的加强钢肋板。

在每台千斤顶4的顶端处设置光纤位移传感器和光纤载荷传感器；所有光纤位移传感器和光纤载荷传感器均通过有线或者无线连接到控制室，这里优选为导线连接；在天轮平台上设置测量仪测量所需的测点。

3)自动纠偏。

通过光纤位移传感器和光纤载荷传感器实时测量每台千斤顶4的顶端的位移和出力大小；通过测量仪测出天轮平台4个角点的坐标值以及永久井架的基础坐标值，并将这些测量数据输入给数据处理器，数据处理器再将处理后的数据传递给控制室，控制室能够自动计算出永久井架基础坐标值的沉降量和永久井架的倾斜值，当它们超过永久井架安全提升允许值时，控制室将自动计算出每个千斤顶4需要的顶升量和出力大小。

进一步地，在步骤3)中，当纠偏结束后，测量仪继续测量每个永久井架基础坐标值和天轮平台4个角点的坐标值，并将数据传递给控制室进行计算复核，当结果呈示顶升纠偏到位后，工作结束。

进一步地，在步骤3)中，当控制室能够自动计算出永久井架的基础坐标值的沉降量和永久井架的倾斜值超过永久井架安全提升允许值时，报警器报警，应启动纠偏工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种矿井永久井架自动纠偏系统的纠偏方法，其特征在于，该自动纠偏系统包括以井筒为中心设置的永久井架，该永久井架为双斜撑四柱式空间框架结构以及与该框架结构相连接的控制系统；

所述框架结构包括分别位于所述井筒两侧的主斜撑和副斜撑；

所述主斜撑包括主斜撑A和主斜撑B，所述副斜撑包括副斜撑A和副斜撑B；

所述主斜撑A、主斜撑B、副斜撑A和副斜撑B均为箱型柱腿，在所述箱型柱腿的底端由上到下依次设有底端面钢板、基础和碎石垫层；

于所述基础上部的内侧和外侧分别设有凹槽，所述凹槽内用于安放千斤顶；

于所述箱型柱腿与所述底端面钢板之间对应所述凹槽位置处均设有加强钢肋板，所述加强钢肋板用于提高所述底端面钢板和所述箱型柱腿局部的承载力；

所述控制系统包括传感器、测量仪、数据处理器、报警器和控制室；所述传感器与所述千斤顶的顶端连接，用于测量所述千斤顶的顶端位移和出力大小；

所述测量仪与所述框架结构上部的天轮平台的角点连接，用于测量所述天轮平台的角点坐标值和所述永久井架的基础坐标值；

所述传感器和所述测量仪将测得数据传递给所述数据处理器，再由所述数据处理器传递给所述控制室，所述控制室用于对所述自动纠偏系统发出指令；当所述数据处理器接收的数据不符合所述自动纠偏系统预设数据时所述报警器报警；

所述纠偏方法包括如下步骤：

1)自动纠偏系统的设计，在每个所述基础上部的所述内侧和所述外侧各施工一个安装2-3台所述千斤顶的所述凹槽，在采用钢筋混凝土浇筑所述基础时，在所述凹槽的底面放置钢板；在所述钢板下底面焊接锚钉；设计所述凹槽的上面与所述底端面钢板的倾角一致；

2)自动纠偏系统的制作形成，在以井筒为中心的四边形的顶角处的碎石垫层上浇筑钢筋混凝土形成的所述基础，在所述基础上部的内侧和外侧设置所述凹槽，在所述凹槽内设置2-3台的所述千斤顶，设置所述千斤顶的顶面与所述底端面钢板紧密接触；在所述箱型柱腿的侧面箱板与所述底端面钢板之间垂直焊接加强钢肋板；

在每台所述千斤顶的顶端处设置光纤位移传感器和光纤载荷传感器；所有所述光纤位移传感器和光纤载荷传感器均通过导线连接到所述控制室；在所述天轮平台上设置所述测量仪测量所需的测点；

3)自动纠偏，通过所述光纤位移传感器和所述光纤载荷传感器实时测量每台所述千斤顶的顶端位移和出力大小；通过所述测量仪测出所述天轮平台4个角点的坐标值以及所述永久井架的基础坐标值，并将这些测量数据输入给所述数据处理器，所述数据处理器再将处理后的数据传递给所述控制室，所述控制室够自动计算出所述永久井架的基础坐标值的沉降量和所述永久井架的倾斜值，当所述坐标值与所述倾斜值超过所述永久井架安全提升允许值时，所述控制室将自动计算出每个所述千斤顶需要的顶升量和出力大小。

2.根据权利要求1所述的纠偏方法，其特征在于，所述加强钢肋板为多个且垂直焊接于所述箱型柱腿的侧面箱板与所述底端面钢板之间。

3.根据权利要求1所述的纠偏方法，其特征在于，所述的箱型柱腿采用型钢或钢板焊接成工字型断面。

4.根据权利要求1所述的纠偏方法，其特征在于，所有所述光纤位移传感器和所述光纤载荷传感器均通过导线连接到所述数据处理器。

5.根据权利要求1所述的纠偏方法，其特征在于，所述框架结构的高度范围在30m-50m之间。

6.根据权利要求1所述的纠偏方法，其特征在于，所述主斜撑A和所述主斜撑B的总高度范围在30m-50m之间，设于所述主斜撑A和所述主斜撑B底端的所述基础在地面以上为1m-1.5m之间，地面以下为4.5m-7m之间；

设于所述主斜撑A和所述主斜撑B底端的所述基础为钢筋混凝土结构。

7.根据权利要求6所述的纠偏方法，其特征在于，所述基础底面的顶面尺寸为9.5m×8.5m。

8.根据权利要求1所述的纠偏方法，其特征在于，所述副斜撑A和所述副斜撑B的总高度范围在20m-40m之间，设于所述副斜撑A和所述副斜撑B底端的所述基础在地面以上为1m-1.5m之间，地面以下为2.5m-5m之间；

设于所述副斜撑A和所述副斜撑B底端的所述基础为钢筋混凝土结构。

9.根据权利要求8所述的纠偏方法，其特征在于，所述基础底面的顶面尺寸为6m×7m。

10.根据权利要求1所述的纠偏方法，其特征在于，在所述步骤3)中，当纠偏结束后，所述测量仪继续测量每个所述永久井架的基础坐标值和所述天轮平台4个角点的坐标值，并将数据传递给所述控制室进行计算复核，当结果呈示顶升纠偏到位后，工作结束。

11.根据权利要求1所述的纠偏方法，其特征在于，在所述步骤3)中，当所述控制室能够自动计算出所述永久井架的基础坐标值的沉降量和所述永久井架的倾斜值超过所述永久井架安全提升允许值时，所述报警器报警，要求启动纠偏工作。