立井可伸縮式罐道接頭技術(shù)在常村煤礦副井井筒中的應(yīng)用研究和實(shí)施

閆 斐 劉志強(qiáng)

1.河南煤業(yè)化工集團(tuán) 龍門煤業(yè)公司，河南 洛陽 471000

2.中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221000

立井可伸縮式罐道接頭技術(shù)在常村煤礦副井井筒中的應(yīng)用研究和實(shí)施

閆 斐1劉志強(qiáng)2

1.河南煤業(yè)化工集團(tuán) 龍門煤業(yè)公司，河南 洛陽 471000

2.中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221000

通過對(duì)河南偃龍煤田地質(zhì)產(chǎn)狀的綜合分析，為防止煤田立井井筒開拓出現(xiàn)立井井筒井壁破裂現(xiàn)象，采用立井可伸縮式罐道接頭技術(shù)，改進(jìn)井壁結(jié)構(gòu)，使立井井壁具有“抗”、“讓”或“抗讓結(jié)合”的特性，以承受巖體下沉而產(chǎn)生垂直附加力的影響，保障井筒提升容器的安全、高效運(yùn)行。

立井罐道；井壁破裂；可伸縮接頭；研究；實(shí)施

1 立井可伸縮式罐道立項(xiàng)研究背景

在河南豫西義馬礦區(qū)、偃龍煤田，相繼出現(xiàn)了多個(gè)立井井筒井壁破裂現(xiàn)象，它們對(duì)礦井的正常生產(chǎn)造成了很大的影響。為防止立井井壁發(fā)生破裂，必須改進(jìn)井壁結(jié)構(gòu)，使立井井壁具有“抗”、“讓”或“抗讓結(jié)合”的特性，以承受土體下沉而產(chǎn)生的垂直附加力的作用。

立井可縮性井壁結(jié)構(gòu)具有“抗讓結(jié)合”的特性，其主要表現(xiàn)是該結(jié)構(gòu)在豎向“讓”、橫向“抗”，可有效地承受垂直附加力的作用，防治立井井壁的破壞。因此在深厚表土層中的立井井筒，采用可縮性井壁結(jié)構(gòu)是一種極為有效的防治井壁破裂的措施。但是，由于立井井筒內(nèi)一般都布置有提升設(shè)備及提升設(shè)備的導(dǎo)向設(shè)施即井筒裝備，井壁發(fā)生變形勢(shì)必使井筒裝備結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或位移，這一現(xiàn)象對(duì)提升容器的正常運(yùn)行是十分不利的。因此必須研制適應(yīng)井壁變形的井筒裝備新結(jié)構(gòu)。

礦山立井井筒裝備是指布設(shè)在整個(gè)立井井筒內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)物，一般分為剛性井筒裝備（剛性罐道）和柔性井筒裝備（鋼絲繩罐道）兩種。剛性井筒裝備主要包括罐道和支撐罐道的罐梁（或托架）、井底支承結(jié)構(gòu)以及梯子間等，其中罐道是礦井提升容器運(yùn)行的導(dǎo)向體，是井筒裝備的主要組成部分。為確保立井井筒提升容器的安全運(yùn)行，必須保證導(dǎo)向罐道接頭具有良好的平滑度，我國立井井筒裝備罐道接頭過去一直采用普通平接的方法，即將相鄰的兩根罐道采用螺栓與罐梁（或托架）連接，并保持罐道接頭的平整。這種傳統(tǒng)的罐道聯(lián)結(jié)方式在立井井壁發(fā)生變形時(shí)會(huì)隨之產(chǎn)生變形，罐道的平行度和垂直度都無法得到保證，使提升容器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的擺動(dòng)和卡罐事故，影響礦井的正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅著礦井提升工作的安全。因此，積極地研制具有可協(xié)調(diào)變形的罐道接頭連接方法，或者改進(jìn)罐道結(jié)構(gòu)，使罐道在縱向可伸縮變形，以適應(yīng)立井井壁在發(fā)生豎向變形時(shí)，仍可保證罐道的連續(xù)性和罐道的垂直度和平行度，對(duì)確保礦井的正常生產(chǎn)和提升工作的安全具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 龍門煤業(yè)公司常村煤礦副井可伸縮式罐道項(xiàng)目研究的目的及意義

2.1 常村煤礦副井井筒地質(zhì)情況

洛陽龍門煤業(yè)有限公司常村煤礦是一個(gè)設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為45萬噸的中型礦井，礦井于2004年開工建設(shè)，2005年底完成井筒的施工。該礦工業(yè)廣場(chǎng)布置有主井和副井兩個(gè)井筒，其中副井井筒凈直徑φ5.0m，井深503.7m，井筒內(nèi)裝備一對(duì)一寬一窄雙層單車罐籠，提升最大終端荷載20.0kN，最大提升速度6.5m/s；井筒中還布置有排水管3趟，灑水管1趟，動(dòng)力電纜、通訊電纜、信號(hào)電纜以及梯子間等（井筒斷面見圖1）。

圖1 常村煤礦副井井筒斷面圖

根據(jù)常村煤礦主副井井筒檢查孔地質(zhì)報(bào)告所提供的資料，副井井筒所穿過的主要地層包括第四系、第三系、基巖風(fēng)化帶以及煤系地層等，其主要地層特征如下：

①四系地層：深度范圍0～52.42m，為黃土類粉土及砂質(zhì)粘土，夾薄層細(xì)砂，抗壓強(qiáng)度1.3 MPa～4.0MPa，松散未膠結(jié)。

②第三系地層:深度范圍52.42m～166.78m，巖性為砂質(zhì)泥巖、泥礫巖及細(xì)砂層，抗壓強(qiáng)度5.7 MPa～11.7MPa，呈半膠結(jié)狀態(tài)。

②巖風(fēng)化帶:深度范圍166.78m～200.50m，厚度33.72m，巖性以泥巖為主，夾粉砂巖、細(xì)砂巖，抗壓強(qiáng)度14.3 MPa～18.0MPa，屬Ⅳ類弱穩(wěn)定巖層。

③疊系下統(tǒng)地層:深度范圍166.78m～595.63m，分為二段地層。上部為下石盒子組，主要為砂質(zhì)泥巖及中細(xì)粒砂巖，夾粉砂巖及泥巖。下部為山西組，主要為泥巖及砂質(zhì)泥巖，次為粉砂巖及細(xì)粒砂巖。

副井井筒所穿過的主要巖層水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，富水性弱，但表土部分和煤層底板下部灰?guī)r含水豐富，涌水量大。

2.2 常村煤礦副井可伸縮式罐道項(xiàng)目研究的目的

鑒于河南豫西義馬礦區(qū)、偃龍煤田出現(xiàn)的多個(gè)井筒由于地表沉降造成井壁破裂的現(xiàn)狀，分析其原因主要是礦井開采疏排水造成表土的沉降固結(jié)，使作用在井壁上的垂直附加力增大，最終導(dǎo)致井壁豎向變形嚴(yán)重，在達(dá)到極限強(qiáng)度后，發(fā)生井壁破裂災(zāi)害，給礦井生產(chǎn)帶來極大的影響?？紤]到常村煤礦井筒表土層較厚，第四系和第三系地層累計(jì)166.78m，礦井開采疏排水同樣有可能造成表土的沉降固結(jié)，而使井壁豎向壓縮變形嚴(yán)重，這一結(jié)果可能會(huì)對(duì)安設(shè)在井壁上的井筒裝備罐道造成彎曲和變形而影響提升容器的正常提升，因此必須使罐道能夠適應(yīng)井壁所產(chǎn)生的豎向變形，同時(shí)保持其垂直度和平行度，確保井筒提升工作地安全。

3 常村煤礦副井可伸縮式罐道研究主要內(nèi)容及采用的技術(shù)方案

3.1 采用“一種可伸縮的罐道接頭”技術(shù)

圖2 一種可伸縮的罐道接頭結(jié)構(gòu)示意圖

常村煤礦副井可伸縮罐道課題攻關(guān)小組成員在前期充分考查論證可伸縮罐道技術(shù)可行性后，采用中國礦業(yè)大學(xué)“一種可伸縮的罐道接頭”專利技術(shù)，其罐道及連接接頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示，對(duì)于上下相鄰的兩根罐道，罐道與罐道之間采用可伸縮接頭連接、罐道與罐梁（托架）之間采用固定接頭連接和滑動(dòng)接頭連接，因此一根完整的罐道結(jié)構(gòu)應(yīng)由罐道、固定接頭、滑動(dòng)接頭和可伸縮接頭等組成。對(duì)于固定接頭，罐道與相鄰罐道之間及罐道與罐梁之間均采用固定螺栓實(shí)行固定連接，以保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度；對(duì)于滑動(dòng)接頭，罐道與罐梁之間采用壓緊螺栓實(shí)行滑動(dòng)連接，以保證在固定接頭與滑動(dòng)接頭之間的井壁產(chǎn)生變形時(shí)，罐道可在滑動(dòng)接頭處滑移，將變形下傳至可伸縮接頭；對(duì)于可伸縮接頭，上部罐道與下部罐道之間采用插接，罐道與罐梁之間采用壓緊螺栓實(shí)行滑動(dòng)連接，這樣，從固定接頭到可伸縮接頭之間的井壁變形最終都可傳遞到可伸縮接頭上來。當(dāng)變形發(fā)生在下部罐道全長(zhǎng)時(shí)，其作用也是如此。

3.2 立井可伸縮罐道的受力性能

立井可伸縮罐道是將插接式立井可伸縮罐道接頭與罐道進(jìn)行組合而成的一種新型結(jié)構(gòu)，可伸縮罐道接頭安設(shè)在上下相鄰的兩根罐道的連接處。

根據(jù)井筒裝備罐道的受力特點(diǎn)，當(dāng)提升容器沿罐道運(yùn)行時(shí)，由于罐道間隔一定的距離安設(shè)在罐梁（或托架）上，罐道沿井筒深度呈現(xiàn)有規(guī)律的變剛度特性，從而造成罐道在與罐梁的連接處所受到的水平荷載較大。國內(nèi)外有關(guān)井筒裝備水平力的實(shí)測(cè)和研究表明，罐道與罐梁連接處、罐道與罐道連接處（同時(shí)也是罐道與罐梁連接處）所承受的水平力最大。最大水平力的大小與提升終端荷載、提升速度和罐梁層間距有關(guān)，其計(jì)算公式如下：

(1)式中Pmax—水平力的最大值，kN；

Q — 提升終端荷載，kN；

V — 提升速度，m/s；

H — 罐梁層間距，m；

k，a，b，c—水平力計(jì)算確定系數(shù)，對(duì)于淺井，主要是采用鋼軌作罐道的井筒裝備，k=1/12，a=1，b=0，c=0（即德國經(jīng)驗(yàn)公式）；對(duì)于中深井，主要是采用矩形截面鋼罐道的井筒裝備，k=0.134，a=0.121，b=0.960，c=-0.035；對(duì)于深井，主要是采用矩形截面鋼罐道的井筒裝備，k=0.427，a=0.256，b=0.926，c=-0.150。

根據(jù)目前我國礦山立井井筒的提升條件，井筒裝備所承受的最大水平?jīng)_擊力約為 15.0～40.0kN，立井可伸縮罐道接頭及套管式罐道必須能夠承受該荷載，才能確保提升工作的安全。通過對(duì) 180×180mm 罐道所配可伸縮罐道接頭進(jìn)行承載性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可伸縮罐道接頭的承載力取決于可伸縮罐道內(nèi)部插芯或套管的承載能力。因而在工程設(shè)計(jì)中，只要滿足插芯或套管的強(qiáng)度與剛度，即可滿足罐道的承載能力。插芯或套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算可根據(jù)井筒裝備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

4 常村煤礦副井可伸縮式罐道項(xiàng)目實(shí)施方案及采取的措施

4.1 常村煤礦副井可伸縮式罐道項(xiàng)目實(shí)施

立井井筒裝備可伸縮罐道接頭的伸縮量可以根據(jù)預(yù)測(cè)的井壁變形量進(jìn)行設(shè)計(jì)，而可伸縮罐道接頭或滑動(dòng)罐道接頭的壓緊螺栓，必須根據(jù)罐道的實(shí)際承載能力和罐道的強(qiáng)度與剛度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證確定，以適應(yīng)井壁發(fā)生變形時(shí)罐道可隨之同步產(chǎn)生變形，從而既保證了罐道的可伸縮變形，又可保證罐道具有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受提升容器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的水平力作用，保證井筒提升工作的安全。

常村煤礦副井井筒所穿過的表土層厚度共166.78m，其中第四系地層厚度52.42m，第三系地層厚度114.36m。礦井建成投產(chǎn)后，受地下采煤工作和疏排水的影響，井筒表土段井壁將承受地層沉降產(chǎn)生的垂直附加力，使井壁變形嚴(yán)重，而目前井筒裝備罐道設(shè)計(jì)都沒有考慮垂直附加力所產(chǎn)生的變形影響，只考慮溫度作用的罐道伸縮量，通常罐道接頭預(yù)留2mm～4mm的間隙就顯得不足，而加大間隙又會(huì)影響提升容器滾動(dòng)罐耳的正常運(yùn)行，考慮到罐道與罐梁的連接固定都是采用扁孔定位，具有一定的變形調(diào)節(jié)能力，這樣就可間隔一定距離設(shè)置一道可伸縮罐道接頭，常村煤礦的副井井筒裝備罐梁層間距非標(biāo)段為4m，標(biāo)準(zhǔn)段為6m，通常每根罐道長(zhǎng)度為12m，若罐梁（托架）層間距為4m時(shí)，這時(shí)需設(shè)置兩個(gè)滑動(dòng)接頭，若為6m時(shí)，只需設(shè)置一個(gè)滑動(dòng)接頭。

結(jié)合常村煤礦副井的實(shí)際工程條件，考慮到表土段下部一定范圍內(nèi)井壁承受垂直附加力較大、變形比較嚴(yán)重，因此擬在井深160～170m處安設(shè)可伸縮罐道接頭，用以調(diào)節(jié)罐道與井壁之間的變形協(xié)調(diào)。根據(jù)常村煤礦副井井筒的實(shí)際地質(zhì)及井筒現(xiàn)存的涌水量，經(jīng)過計(jì)算分析，初步計(jì)劃是在副井井筒+38.0m～+26.0m和+32.0m～+20.0m層位實(shí)施立井可伸縮式罐道技術(shù)，使伸縮式罐道的壓縮量不低于250mm。

4.2 常村煤礦副井可伸縮式罐道項(xiàng)目方案

方案：利用“一種可伸縮的罐道接頭”專利技術(shù)，將可伸縮罐道接頭安設(shè)在一根罐道上，并將罐道接頭內(nèi)芯改為通長(zhǎng)設(shè)置，以增加罐道的強(qiáng)度和剛度，見圖3。

圖4 常村煤礦副井可伸縮罐道接頭設(shè)置位置示意圖

4.3 常村煤礦副井可伸縮式罐道項(xiàng)目方案的安裝施工

由于伸縮罐道與普通罐道結(jié)構(gòu)尺寸一樣，安裝的技術(shù)要求也基本相同，因此安裝工作可與副井罐道安裝工程一起進(jìn)行。主要安裝的技術(shù)要求是：罐道接頭錯(cuò)位為1mm，罐道接頭間隙為2mm～4mm；罐道中心線偏差為1mm，罐道間距水平偏差為7mm。伸縮罐道的壓縮量保證不低于250mm，伸縮罐道與罐梁的連接固定應(yīng)保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度。安裝中還要注意伸縮罐道安裝的位置和方向，保證伸縮罐道接頭位于罐道下部。常村煤礦立井可伸縮罐道接頭及立井可伸縮罐道的安裝工作根據(jù)副井井筒的實(shí)際條件綜合考慮進(jìn)行組織。考慮到為新建井筒，其安裝工作與副井井筒裝備安裝同時(shí)進(jìn)行，施工組織措施與井筒裝備同步施工。

5 常村煤礦副井可伸縮式罐道項(xiàng)目研究成果效果評(píng)價(jià)

通過對(duì)常村煤礦副井局部地段罐道接頭進(jìn)行改進(jìn)，很好地實(shí)現(xiàn)罐道與井壁在豎直方向上的協(xié)調(diào)變形，從而達(dá)到保持罐道的垂直度與平行度的目的，確保了常村煤礦井筒提升工作地安全。

6 常村煤礦副井可伸縮式罐道項(xiàng)目的成果及重要實(shí)驗(yàn)（試驗(yàn)）數(shù)據(jù)

在安全運(yùn)行1800天后，我們對(duì)常村煤礦副井井筒裝備質(zhì)量進(jìn)行了整體測(cè)試，得到下表中數(shù)據(jù)。

表1 常村煤礦副井井筒裝備的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

7 結(jié)語（常村煤礦副井可伸縮罐道的推廣價(jià)值）

常村煤礦副井可伸縮罐道技術(shù)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：

⑴罐道利用插接式可伸縮接頭的連續(xù)過渡方法來保證罐道作為導(dǎo)向軌道的連續(xù)性；

⑵罐道利用插齒之間的凹凸咬合來控制罐道在截面上的變位；

⑶罐道的伸縮量較大，最大可達(dá)到固定層間距的1/3；

⑷罐道可利用內(nèi)部的套管來確保其強(qiáng)度和剛度及穩(wěn)定性；

⑸罐道可制造成與正常段罐道一樣的規(guī)格，不用修改井筒裝備的布置和結(jié)構(gòu)，有利于井筒裝備的安裝。

由此，我們可以看到立井可伸縮罐道接頭技術(shù)在常村煤礦副井井筒裝備內(nèi)的成功實(shí)施，已為常村煤礦副井提升設(shè)備的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。常村煤礦副井可伸縮罐道接頭技術(shù)的推廣，將為同等規(guī)模礦井在復(fù)雜地質(zhì)條件下的罐道施工技術(shù)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1]李劍峰.我國煤礦立井井筒裝備的發(fā)展.河北煤炭,1986(3):37-40.

[2]吳世昌.立井井筒裝備工作狀態(tài)的測(cè)試.煤炭科技技術(shù)，1987（10）：3-4.

[3]季先華，徐慧錦.立井井筒裝備一次成型安裝工藝研究與應(yīng)用.能源技術(shù)與管理, 2011（4）：133-134.

[4]J.C.布蘭克 ,F.A.奧爾德 ,毛光寧.英國立井井筒永久支護(hù)的現(xiàn)狀和展望.煤炭工程.(49-52).

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.017

閆斐（1982-），男，河南洛陽人，助理工程師，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）在職研究生，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。