深豎井開鑿提升懸吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用?

趙興東，劉巖巖，徐繼濤，董路群，李鐵軍

(1.東北大學(xué)井巷與地壓控制研究中心， 遼寧沈陽 110819；2.中國(guó)華冶科工集團(tuán)有限公司， 北京 100176)

深豎井開鑿提升懸吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用?

趙興東1，劉巖巖1，徐繼濤1，董路群2，李鐵軍2

(1.東北大學(xué)井巷與地壓控制研究中心， 遼寧沈陽 110819；2.中國(guó)華冶科工集團(tuán)有限公司， 北京 100176)

在深豎井施工過程中，懸吊及其提升系統(tǒng)是制約豎井開鑿速度及安全的關(guān)鍵。本溪思山嶺鐵礦新建副井深度為1503.9m，斷面凈直徑10m，屬大斷面超深豎井。超深豎井開鑿對(duì)于井筒懸吊提升系統(tǒng)提出更高要求。針對(duì)思山嶺礦豎井施工，進(jìn)行懸吊提升設(shè)計(jì)，解決超深豎井施工提升懸吊中的一些問題。

思山嶺礦；超深豎井；提升懸吊系統(tǒng)

1 工程概況

本溪思山嶺鐵礦隸屬龍新礦業(yè)有限公司，該礦探明儲(chǔ)量約為25億t，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)考慮，選擇豎井開拓。新建副井井筒中心坐標(biāo)X＝62665.767，Y＝566829.743。井口標(biāo)高＋215.200m，井底標(biāo)高－1288.700m(含封底600mm厚)，井深1503.9m，井筒凈直徑10.0m，掘進(jìn)斷面直徑11.2m。井頸段共40m，其中臨時(shí)鎖口段3.7m，采用1000mm厚磚砌支護(hù)，井頸段采用1000mm厚鋼筋砼支護(hù)，井筒處支護(hù)厚度為600mm。

思山嶺礦計(jì)劃建設(shè)3條主井，1條副井，井深1509m，4條回風(fēng)天井，本文設(shè)計(jì)對(duì)象為新開鑿副井SJ1。

2 思山嶺副井提升懸吊特點(diǎn)

(1)井下的爆破開挖量大，鋼絲繩的長(zhǎng)度加大導(dǎo)致自重增加，要求配備大容量吊桶和高強(qiáng)度提升鋼絲繩[1]。

(2)超深豎井施工時(shí)，鋼絲繩長(zhǎng)，使吊桶擺動(dòng)幅度加劇，使得吊桶碰撞吊盤、井壁的概率大大增加，增大提升風(fēng)險(xiǎn)。

(3)大斷面深豎井施工，井內(nèi)設(shè)備增加，懸吊穩(wěn)車的鋼繩數(shù)量要多于普通豎井。深部井下地壓增大，提升懸吊時(shí)注意預(yù)防井下巖爆和高溫火災(zāi)。

3 提升懸吊設(shè)備

3.1 井 架

對(duì)于1503m豎井的施工，井架的承載能力應(yīng)該達(dá)到600 t以上，采用超深大井特型亭式井架，該井架規(guī)格尺寸大，天輪平臺(tái)梁能覆蓋井筒內(nèi)的提升和懸吊設(shè)備設(shè)施[2]；井架結(jié)構(gòu)好，強(qiáng)度高，承載力大，整體穩(wěn)定性好，滿足大直徑超深井筒懸吊要求。

3.2 提升機(jī)

提升機(jī)主要用來向吊盤或者井底運(yùn)送人員材料，以及排矸排水工作，超深豎井要求采用專有特制的大型提升機(jī)，主提升機(jī)為2JK－4.5×2.4/20，配備2 臺(tái)1200 kW電機(jī)，副提升機(jī)為2JK－4.0×2.4/20，配置2臺(tái)1000 kW電機(jī)，分布在井口兩側(cè)。

3.3 提升吊桶

吊桶的選擇要考慮到井筒工作面的抓巖生產(chǎn)率和井筒斷面的尺寸。

首先吊桶的一次提升循環(huán)時(shí)間T應(yīng)小于或等于抓巖機(jī)裝滿一桶矸石的時(shí)間Tzh，即:

式中:VT——排渣吊桶容積，m3；

Ct——提升不均勻系數(shù)，Ct＝1.25；

Azh——井筒工作面抓巖機(jī)的總生產(chǎn)率(松散

體積)，此處取60m3/h。

吊桶的一次提升循環(huán)時(shí)間T，按井深度不同變化，平均取360 s。計(jì)算得出VT＝8.3m3。

要求吊桶容積至少為8.3m3，可采用主提升機(jī)雙溝提升6m3的吊桶排渣，副提升機(jī)單溝提升5m3的吊桶排渣，既能滿足生產(chǎn)要求，又能在凈直徑為10m井筒內(nèi)下放。根據(jù)提升機(jī)及配套的電動(dòng)機(jī)、減速器可知，主提升機(jī)最大提升速度為Vms＝6.96m/s，副提升機(jī)最大速度為Vms＝7.54m/s。提升能力見表1。

表1 提升能力隨深度變化

采用2臺(tái)HZ－6B中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)抓碴，抓巖能力為50～60m3/h，并用MWY6/0.3電動(dòng)小挖作為輔助。井下爆破每炮進(jìn)尺4.5m，巖石松散系數(shù)取1.7，每炮碴102×4.5×1.7＝780m3。每炮需排渣780m3，考慮工序準(zhǔn)備和收尾時(shí)間，排完一渣炮實(shí)際需要9.5 h。

3.4 提升鋼絲繩

提升鋼絲繩在豎井施工中，用來提升吊桶、抓巖機(jī)，懸吊吊盤、模板、通風(fēng)排水管、安全梯等設(shè)備。要求鋼絲繩在安全系數(shù)范圍內(nèi)，鋼絲繩的破斷力大于其承載的總拉力，保證懸吊系統(tǒng)的平穩(wěn)[3]。

以900m以下主提升鋼絲繩選擇為例，提升的容器有坐溝式6m3吊桶，重量2.218 t；渣9600×0.9÷ 1000＝8.64 t；附屬裝置重量0.521 t；吊桶一次排水量5.4 t；YSJZ－6.12新型液壓高效傘鉆重量12.8 t。

選用從德國(guó)進(jìn)口的DIEPA D 1315 CZ－Φ42－2160，鋼絲繩最大懸垂高度1540m，每米重量8.56 kg，總重量13.18 t。鋼絲繩總破斷力F總＝228.64 t。

提升物料時(shí)，按最重計(jì)算，副井施工出渣時(shí)提升最大重量為:

上下人員時(shí)，吊桶內(nèi)可容9人，每人按75 kg計(jì)算，天輪下載荷重量為:Q人＝16.69 t。

提升物料時(shí)，鋼繩安全系數(shù)為:M物＝228.64÷ 26.959＝8.48＞7.5；上下人員時(shí)，鋼繩安全系數(shù)為: M人＝228.64÷16.59＝13.78＞9。因此，認(rèn)為該鋼絲繩可靠。

3.5 懸吊絞車

鑿井絞車用于懸吊吊盤、模板、風(fēng)筒、排水管、中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)、安全梯及管路纜線等鑿井設(shè)備和拉緊穩(wěn)繩，選鑿井絞車時(shí)，除了考慮設(shè)備的懸吊方式外，應(yīng)使懸吊的終端荷載與鋼絲繩自重之和不超過鑿井絞車的最大靜張力值。本礦使用JZ型絞車系列，所允許的鋼絲繩最大靜張力為50～400 kN。根據(jù)懸吊的鋼絲繩數(shù)，在井口布置20臺(tái)不同型號(hào)的絞車。

4 提升系統(tǒng)布置

4.1 井口平面布置

根據(jù)所需求的提升懸吊設(shè)備，設(shè)計(jì)井口平面布置如圖1所示。

4.2 天輪平臺(tái)平面布置

天輪是礦井立井井架最上方調(diào)節(jié)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)方向的定滑輪。作用是撐起連接提升機(jī)卷筒和提升容器的鋼絲繩，并引導(dǎo)鋼絲繩轉(zhuǎn)向[4]。天輪平臺(tái)使用“個(gè)”型支撐結(jié)構(gòu)，整體使用“人”型支撐，有利于上面荷載的下傳，同時(shí)有利于改善翻矸平臺(tái)下的空間。天輪平臺(tái)安裝在井架的上方，6根主梁使用自制工字鋼梁，28根副梁使用I63a型號(hào)，長(zhǎng)度為4590mm。提升天輪采用Φ3500鑄鋼天輪3套；吊盤采用MZS2.1－0－1×1.05天輪16套；模板采用MZS2.1－0 －1×1.05天輪4套，中心回轉(zhuǎn)采用MZS2.1－0－1×1.05天輪4套；壓風(fēng)供水采用MZS2.2－0－2×1.05天輪2套，，排水管采用MZS2.2－0－2×1.05天輪2套，風(fēng)筒采用MZS2.1－0－1×1.05天輪2套；安全梯采用MZS2.1－0－1×1.05天輪2套。

4.3 吊盤平面布置

吊盤是豎井施工向下掘進(jìn)的工作平臺(tái)，共分3層，直徑為9800mm。吊盤采用防偏斜、防旋轉(zhuǎn)技術(shù)，下層盤采用封閉技術(shù)，使吊盤堅(jiān)固耐用、防炮崩和免清理。保證吊盤上的懸掛鋼絲繩受力均勻，使用平衡懸掛裝置，卸載鋼絲繩上的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，保證吊盤不旋轉(zhuǎn)。工作面上主要布置抓巖機(jī)、水倉、爆破通訊電纜、壓風(fēng)供水管等，其中2條動(dòng)力電纜分別隨中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)懸吊，爆破電纜及通訊信號(hào)電纜分別隨2條吊盤繩懸吊。吊盤平面布置見圖2。

圖1 井口平面布置

圖2 吊盤平面布置

5 提升懸吊系統(tǒng)

主提升機(jī)2JK－4.5×2.4/20，各配備2臺(tái)1200 kW電機(jī)，雙鉤提升6.0m3吊桶排碴。副提升機(jī)2JK －4.0×2.1/20，配備2臺(tái)1000 kW電機(jī)，單鉤提升5.0m3吊桶排碴。YSJZ－6.12液壓傘鉆，由主提升機(jī)提吊出入井口，在鑿巖時(shí)也由其懸吊，以保證傘鉆不傾斜或翻倒。

Φ9800mm三層吊盤，選用8根35w×7－Φ44－1960不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和8臺(tái)JZ－25/1800穩(wěn)車懸吊。HZ－6B中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)兩臺(tái)，均選用35w×7－Φ34－1960不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ－25/1800穩(wěn)車懸吊。Φ159×4.5壓風(fēng)管和Φ57×3.5供水管，選用2根35w ×7－Φ42－1960不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和2臺(tái)JZ－40/1800穩(wěn)車懸吊。安全梯選用35w×7－Φ26－1960不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和1臺(tái)專用JZA－10/1800安全梯專用穩(wěn)車懸吊。1000mm玻璃鋼風(fēng)筒，選用2根35w×7－Φ42－1960不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和2臺(tái)JZ－40/1800穩(wěn)車懸吊。Φ108mm排水管，－602.5m水平以上用2根35w×7 －Φ36－1960不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和一臺(tái)2JZ－25/1800穩(wěn)車懸吊，－602.5m水平以下選用2根35w×7－Φ38－1960不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和一臺(tái)2JZ－25/1800穩(wěn)車懸吊。風(fēng)水帶繩選用18×7－Φ16－1870鋼絲繩，由吊盤上2 t絞車懸吊。

6 提升安全措施

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼絲繩在提升懸吊時(shí)的受力狀態(tài)，保證鋼絲繩的受力在安全范圍[5]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下地壓的變化，爆破平底后及時(shí)支護(hù)井壁，預(yù)防井下水災(zāi)和火災(zāi)。

(2)吊桶裝滿軒石后，提到適當(dāng)?shù)母叨?，把鉤工必須停鉤穩(wěn)罐，其他人員離開吊桶的擺動(dòng)范圍，防止吊桶擺動(dòng)傷人。

(3)吊盤提落至指定位置時(shí)，必須對(duì)吊盤進(jìn)行調(diào)平校正，確保吊桶、中線順利通過。吊盤周邊不得少于4個(gè)支撐點(diǎn)，支撐要牢固，吊盤固定后，各穩(wěn)車必須切斷電源鎖好開關(guān)。

7 結(jié) 論

(1)超深豎井提升懸吊面臨很多的安全和技術(shù)難題，針對(duì)問題提出合理的布置設(shè)計(jì)，保證施工的安全性，加快了施工速度。

(2)該工程從提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備配置方法并結(jié)合深豎井施工的特點(diǎn)，在施工中不斷對(duì)天輪平臺(tái)和吊盤進(jìn)行改進(jìn)，使其能更好的滿足生產(chǎn)要求。

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[4]張 誠(chéng).懸掛提升系統(tǒng)中懸掛裝置的連接與調(diào)試.礦業(yè)科技[J].2014:276.

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2015-05-06)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174044，51474052)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2011AA060400)；遼寧省教育廳人才項(xiàng)目(LJQ2012024)；遼寧省人事廳人才項(xiàng)目(2013921070)；2014年北京市科技計(jì)劃重大科技成果轉(zhuǎn)化落地培育項(xiàng)目(Z141100003514012)；2013年財(cái)政部施工新技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目(2013[235]號(hào)).