大傾角直線斜井提升系統(tǒng)設(shè)備選型配套技術(shù)

譚祥國/TAN Xiang-guo

(中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610300）

隨著國家經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，隧道工程的規(guī)模及設(shè)計長度不斷刷新,出現(xiàn)了許多特長山嶺隧道。為加快隧道施工進(jìn)度，特長隧道施工常常通過增設(shè)豎井、斜井、橫洞等輔助導(dǎo)洞多開工作面。而輔助導(dǎo)洞也往往因為地形等原因出現(xiàn)較陡的坡度，礦斗車有軌運輸具有難以替代的優(yōu)勢。因此，斜井提升系統(tǒng)設(shè)備選型配套對整個工程施工的成敗顯得尤其重要。

1 工程概述

山西省中部引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃大水網(wǎng)建設(shè)中一項重要的工程。工程干線自天橋水電站庫區(qū)取水，供水范圍包括4市16個縣。工程包括取水工程和輸水工程。為加快隧道施工進(jìn)度，引水隧道沿線基本設(shè)置斜井。山西中部引黃工程引水隧道各斜井斜距長、斷面小、坡度大，對保證正線隧道施工發(fā)揮著重要作用。施工前合理確定施工方案、做好提升系統(tǒng)設(shè)備選型與配套，對各斜井安全、經(jīng)濟(jì)、快速施工具有重要的指導(dǎo)作用。

我公司標(biāo)段總長約15.2km，引水隧道共設(shè)5個直線斜井，斜井獨頭掘進(jìn)，由斜井進(jìn)入正洞后向兩邊共分10個作業(yè)面進(jìn)行施工。各斜井隧洞凈空斷面?。▋艨?.6×5m)，局部洞段埋深較大（400m），除51#斜井外其余斜井縱坡在28.35%～40.83%之間，傾角在15.83°～22.208°之間,長度在593.92～752m之間。幾個斜井所承擔(dān)的主洞施工任務(wù)繁重，出碴、材料及人員運輸困難，施工效率很低。本文以傾角最大的50#斜井為例重點介紹該類大傾角直線斜井提升系統(tǒng)設(shè)備選型配套技術(shù)。

2 斜井提升系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體運輸施工方案確定

緩坡斜井低于13°(i=0.23)以下可采用汽車運輸,陡坡斜井坡度在16°～24°(i=0.3～0.45)只能用絞車提升運輸。50#斜井為直線斜井，與正洞垂直相交，坡角22.208°，有效長度593m。根據(jù)該斜井的設(shè)計及工期目標(biāo)計劃，經(jīng)過方案研究比選，決定在斜井洞口設(shè)置單卷筒絞車,采用WY-120/55L履帶挖掘式裝載機(jī)（扒碴機(jī)）裝碴，絞車配合曲軌側(cè)卸式礦車有軌運輸出碴。正洞采用小型電動自卸貨車無軌運碴，在斜井與正洞交叉處經(jīng)過無軌與有軌轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。設(shè)置斜井絞車提升曲軌側(cè)卸式礦車運碴至井外卸碴棧橋，然后通過自卸汽車倒運至棄碴場的斜井提升系統(tǒng)(圖1)。

2.2 礦斗車容積計算

圖1 提升系統(tǒng)縱斷面示意圖

曲軌側(cè)卸式礦車容積是由斜井工區(qū)的工期推算確定的。斗車容量選擇要堅持合理、經(jīng)濟(jì)、有效并留有一定富余系數(shù)的原則。根據(jù)斜井施工組織安排，洞身段全斷面開挖IV、V類圍巖循環(huán)進(jìn)尺控制在1.5m左右，Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5m左右。整個施工環(huán)節(jié)開挖出碴是關(guān)鍵的控制因素，以此作為礦車容積的計算依據(jù)。按照斜井Ⅲ級圍巖設(shè)計圖紙，開挖斷面為20.7m2，松散系數(shù)取1.4。計算得Ⅲ類圍巖每工作循環(huán)最大碴土量 Vmax=2.5×20.7×1.4=72.45m3。

按照每個循環(huán)安排的出碴時間不超過3.5h，則每小時的出碴量V小時=Vmax/3=20.7m3/h。

當(dāng)絞車提升速度v選取2.7m/s時，每車提升循環(huán)時間T=井底裝碴時間+線路運行時間(593+40m 計 算 )=300+2×(593+40）/2.7=769s，即每小時提升4.7車，可得曲軌側(cè)卸式礦車容積V=V小時T=20.7/4.7=4.4m3。

曲軌側(cè)卸式礦車幾何尺寸要綜合考慮扒碴機(jī)尾部尺寸、軌距、物料裝載等因素確定。最后確定容積為5m3（長×寬×高＝4 200mm×1 500mm×1 550mm)，裝載碴土?xí)r不得超過4.5m3，同時便于其他松散物件的裝載。

2.3 絞車提升速度

曲軌側(cè)卸式礦車的運行速度要綜合考慮提升絞車的提升能力、軌道安裝質(zhì)量、軌距、行車平穩(wěn)性等因素。根據(jù)進(jìn)度安排，考慮絞車提升系統(tǒng)的起、制動、曲軌等耗損時間，絞車的最大提升運行速度

其中η為折合系數(shù)，一般為0.75～0.9之間，取0.85，則vmax=2.7/0.85=3.14m3/s。

2.4 絞車提升能力

選用5m3側(cè)卸式礦車時（碴土裝載容積≤4.5m3），單卷筒絞車最大靜拉力

式中 Q— 礦車一次提升的碴土重量，取4.5 m3×17.5kN/m3=78.8kN；

Q—曲軌側(cè)卸式礦車的自重,取45kN;

p—鋼絲繩每米重量，取0.0211kN/m;

H— 提升的距離（由絞車卷筒到井底的有效鋼絲繩長度)，H=793m；

α— 斜井中產(chǎn)生最大拉力處的傾角，α=22.208°；

f1—礦車滾動摩擦系數(shù)，f1=0.015；

f2—— 鋼絲繩與支托間摩擦系數(shù)，f2＝0.15～0.20，取最大值f2=0.2。

則Fj=57.9kN。

2.5 絞車提升鋼絲繩的選擇[3]

絞車鋼絲繩的選取與絞車卷筒的卷繞形式、使用工況、用途等因素有關(guān)。

Fb——絞車最大靜張力，F(xiàn)j=57.9kN

S——安全系數(shù)，與用途有關(guān)，取S=6；

φ——鋼絲繩破斷拉力換算系數(shù)，取0.85；

依據(jù)鋼絲繩的破斷拉力，查表選用鋼絲繩6×37-24.5-170，其最大破斷拉力總和381 kN，單位長度重量0.0211kN/100m，可滿足使用要求。

2.6 絞車卷筒的選擇

對于多層纏繞，滾筒的寬度B按照下式計算：

式中 H— 提升長度(m），考慮整個項目其他井口絞車通用性，按5個井口中最大提升長度選取752m；

30—鋼絲繩試驗的備用長度，（m）；

n′—錯繩圈數(shù)2～4圈，取4圈；

ε—繩圈間隙2～3mm，取2mm；

k—纏繞層數(shù)，取3層；

d—鋼絲繩直徑，24.5mm；

D— 查表選用標(biāo)準(zhǔn)卷筒直徑，卷筒直徑

查表選用標(biāo)準(zhǔn)卷筒，卷筒寬度取1 800mm；

2.7 提升絞車電動機(jī)功率計算

提升絞車的電機(jī)功率

式中 Fj——絞車最大靜張力Fj=57.9kN；

vmax—— 提 升 絞 車 最 大 繩 速，vmax=3.14 m/s；

η——提升絞車傳動效率,取η=0.9；

P——電動機(jī)容量備用系數(shù)，取P=1.1；

根據(jù)以上參數(shù)的計算最終選定JK2.0×1.8單卷筒提升絞車。主要技術(shù)參數(shù)如下。

1）單卷筒：直徑×寬度＝2 000×1 800mm（鋼絲繩直徑24.5mm，繩容量1 294m）；

2）最大靜張力：60kN；

3）電機(jī)：250kW（380V、8極）;

4）最大提升速度：3.14m/s;

5）L630行星輪減速機(jī)，速比：25。

3 洞外有軌棧橋設(shè)計

3.1 洞外有軌棧橋設(shè)計原則

洞外有軌運輸棧橋設(shè)計需要遵從以下幾點：①斜井與洞外軌道平面中心線必須控制在一條直線上；②提升絞車與天輪位置水平距設(shè)置需充分考慮鋼絲繩與水平線夾角大小要求，除考慮場地因素外，宜選擇較小角，以減小天輪受力對軸承的要求；③斜井與軌道除出洞口段與棧橋連接處設(shè)變坡點外，其它位置不宜再設(shè)置變坡點，以增加礦斗運行的平穩(wěn)性，變坡點需設(shè)置豎曲線以保證斜井的運行安全。

3.2 天輪直徑的選擇

50#斜井洞外場地狹窄，設(shè)施布置難度大。為減少提升絞車與井口的距離，又保證鋼絲繩的內(nèi)、外偏角不超過1°30′，因此在使用中采用游動天輪。

為了使游動天輪容易游動，當(dāng)鋼絲繩在天輪上圍包角小于60°時，天輪直徑按Dt≥40d確定。選用直徑1.6m、游距為1.35m的游動天輪。

3.3 洞外有軌棧橋設(shè)計計算

1）井架的距離Lj確定井架高度之前，先結(jié)合洞口場地布置，計算井口至天輪中心的水平距離為 Lj=L1′+L2′+L3′。

式中 L1′—— 由井口至卸車點的長度，根據(jù)場地的實際情況取22m；

L2′—— 礦車卸渣點至托繩架中心線距離，一般為6.5～8m，本處取6.5m；

L3′—— 托繩架中心線至天輪中心線間距離，一般為8～12m，本處取8m。

井口至天輪中心的水平距離=22+6.5+8=36.5m。

2）井架高度Hj斜井井架高度計算按下式

式中 β1— 鋼絲繩在礦車停車點處的牽引角，通常β1=9°～10°，角度過大可能導(dǎo)致礦井前輪被提起而產(chǎn)生“掉道”事故，影響提升系統(tǒng)的正常運行，取 9°；

Rt——所選天輪半徑，Rt=0.8m。

井 架 的 高 度 Hj=L′tgβ1-Rt=36.5×tg9°-0.8=6.6m

3.4 滾筒軸中心至天輪中心的水平距離

由于50#斜井井口場地的限制，絞車滾筒中心與天輪中心水平距離LX′確定為15m。由此須按照規(guī)范要求對鋼絲繩繩偏角進(jìn)行驗算。為了保證鋼絲繩在滾筒上的有序排列，保證鋼絲繩不會從天輪繩槽脫落，減少鋼絲繩對天輪的摩擦與磨損，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：雙鉤提升的外偏角α1和內(nèi)偏角α2均不得大于1°30′；多層纏繞時，內(nèi)偏角α2不應(yīng)大于1°15′[1]。本系統(tǒng)采用游動天輪導(dǎo)向、單鉤、多層卷繞提升時鋼絲繩偏角

式中 LX'— 由于50#斜井井口場地的限制，絞車滾筒中心與天輪中心水平距離LX′確定為 15m;

B—滾筒寬度，取1.8m；

Y—活動天輪的允許游動距離，取1.35m。

滾筒中心至斜井井口距離:L=LX′+L1′

LX′——滾筒中心至天輪中心的水平距離；

L1′——由井口至卸車點的長度，根據(jù)場地的實際情況取22m；

則滾筒中心至斜井井口距離

L=LX′+L1′=37m

4 軌道線路及相關(guān)設(shè)施

1）軌道采用單軌線，采用鋼軌P28，軌距762mm，每10m間距設(shè)置固定軌距的拉桿。

2）軌道軸線處每10～15m間距設(shè)鋼托輥和軌道防滑裝置一個，用于承托鋼絲繩，防止鋼絲繩拖床、跳顫，減小運行阻力，延長鋼絲繩使用壽命。

3）井底開挖面設(shè)置阻車器，并保持曲軌側(cè)卸式礦車與工作面始終在一定距離范圍內(nèi)。

4）洞口及開挖面設(shè)置監(jiān)視器，實施對隧道地質(zhì)情況、圍巖類別、各種機(jī)械及作業(yè)人員的工作狀態(tài)監(jiān)控。

5 結(jié)束語

斜井有軌運輸系統(tǒng)配套設(shè)計關(guān)鍵是要根據(jù)正洞的產(chǎn)碴量及其他材料的運輸，選擇配套的提升系統(tǒng)設(shè)備，然后根據(jù)洞口的場地狀況合理設(shè)計有軌棧橋，并重點做好洞口碴場、運輸軌道布置、井底立體轉(zhuǎn)載場布置、混凝土運送方式等課題的相關(guān)研究。通過該方案的優(yōu)化實施，達(dá)到了安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠的施工效果。

[1] 國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦安全規(guī)程[M]．北京:人民出版社，2005．

[2] 孫玉蓉，周法孔．礦井提升設(shè)備[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，1995．

[3] 東北工學(xué)院．機(jī)械零件設(shè)計手冊[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1986．

[4] 周西榮，嚴(yán)萬生．礦山固定機(jī)械手冊[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1986．