準(zhǔn)東二號礦井副井井筒及裝備設(shè)計淺析

張金磊 蔡拔興 田小攀

（神華國能哈密大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

1 項目概況

準(zhǔn)東二號礦井副井井筒主要擔(dān)負(fù)礦井的輔助提升任務(wù)，兼作礦井的主要進風(fēng)井。井筒凈直徑9.5m，凈斷面70.9m2，井筒深度545m。設(shè)計裝備一套罐道間距3920mm的六繩大罐籠(凈寬3800mm，本體高度7500mm)帶平衡錘（罐道間距3000mm）的提升容器，由大罐籠擔(dān)負(fù)全礦的矸石、設(shè)備、材料和人員的升降任務(wù)，凈寬3.8m的寬罐籠可提升最大件質(zhì)量為45t（含平板車質(zhì)量）。根據(jù)礦井井下輔助運輸方式的選擇，本礦井井下采用無軌膠輪車作為輔助運輸設(shè)備。因此，本大罐籠還可滿足大部分無軌膠輪車直接進出罐籠的需要。為方便平時零星人員的上下井，利于能源的節(jié)約，井筒內(nèi)另布置了一對交通罐加平衡錘的提升設(shè)備，兩繩提升，兩端鋼罐道導(dǎo)向。交通罐罐道間距為1400mm，凈寬1440mm，上下兩層共可乘人16人。平衡錘罐道間距為700mm。

2 設(shè)計理念超前

2.1 主提升采用寬罐配平衡錘方式

采用寬罐配平衡錘的主提升，完全滿足礦井井下材料、設(shè)備、人員等的提升要求。對于3.8m的寬罐籠，在下框架式支架搬運車”U”型拖車部或其他超寬設(shè)備與材料時，可以直接裝罐下井，減少了輔助裝載時間。如果減小罐籠寬度，框架式支架搬運車“U”型拖車部的下井則需借助有軌平板車將拖車部側(cè)立，這樣就要在井口與井底采用吊裝設(shè)備進行吊裝轉(zhuǎn)換，增加了不必要的輔助時間。

在完全滿足副井提升要求的前提下，將寬罐籠寬度減低，改平衡錘為平衡罐，對提升能力的提高作用不明顯。原因是平衡罐若寬度較大，則寬罐的寬度相應(yīng)減小，無法滿足無軌膠輪車進出罐籠的需要，這樣井口和井底車場勢必要采用全無軌，如此對于副井井口房和井底車場的布置影響較大。采用雙股線布置后，按照《煤礦安全規(guī)程》的要求，在滿足安全間隙的前提下，井口房和井底車場馬頭門的寬度需要加大很多（目前井口房進出車側(cè)寬度分別為9m、13m，井底車場馬頭門進出車側(cè)寬度分別已達(dá)7m和6m），經(jīng)驗算井口房進出車側(cè)寬度要增加至近9m和15m，井底車場馬頭門進出車側(cè)寬度要增加至近8.5m和7.5m，這樣的硐室寬度會大大增加礦井工程投資。因井底車場馬頭門處巷道為煤層巷道，變形量較大，硐室寬度增加既影響井筒結(jié)構(gòu)，又給巷道的支護帶來很大的難題，給副井井筒和井底車場馬頭門的施工帶來很大的困難。

平衡錘在升降正常件和大件時采用人工增減配重塊的方式來調(diào)節(jié)靜張力差，在平衡錘的具體設(shè)計中可以選擇合理結(jié)構(gòu)，并在井口房配置相應(yīng)的吊裝牽引設(shè)備，方便快捷地調(diào)整平衡塊數(shù)量，快速實現(xiàn)鋼絲繩張力差的調(diào)節(jié)，降低因鋼絲繩張力差的調(diào)節(jié)對提升的影響，以達(dá)到高效節(jié)能的目的。

2.2 改變行人通道方式

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》“嚴(yán)禁在同一層罐籠內(nèi)人員和物料混合提升”的要求，進出寬罐籠的無軌膠輪車司機必須出罐，不得在司機室內(nèi)隨罐籠一起提升。因此，采用3.8m寬的寬罐籠也是為了方便司機開門進出司機室的需要。

對于進出交通罐的人員采取加寬馬頭門而不采用專門的行人通道的方式，主要是因為采用專門的行人通道不利于鎖罐人員對交通罐內(nèi)人員進出的觀察，容易產(chǎn)生誤發(fā)信號，不利于礦井的安全生產(chǎn)。

3 設(shè)計解決技術(shù)難點

3.1 井筒及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計

本井田廣泛分布泥巖、砂巖巖組，上部風(fēng)化段巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，吸水率和含水率增大，巖芯多呈塊狀及短柱狀。巖體的力學(xué)強度明顯降低，在開挖條件下，如巖體遇水，泥巖和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖易軟化變形，巖體的穩(wěn)定性較差，因此確定風(fēng)化的泥巖、砂巖巖組的工程地質(zhì)類型為不穩(wěn)固型。風(fēng)化段下部為石樹溝群、西山窯群（組）巖體，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等組成，根據(jù)巖石物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)值分析，大部分層段屬軟、極軟巖層，總體上井筒所通過的巖層工程地質(zhì)性質(zhì)不良。由于巖體的力學(xué)強度較低，某些部位的巖石膨脹力、膨脹率較大，在開鑿井筒時井壁不完整，遇水時井壁易變形。

井田屬頂?shù)装逯苯舆M水、水文地質(zhì)條件簡單的裂隙孔隙充水礦床，其水文地質(zhì)勘探類型為二類一型。地下水以微弱大氣降水為主要的充水水源，補給條件差，含水層組富水性弱，單位涌水量在0.1L/s·m以下。經(jīng)預(yù)計，礦井正常涌水量為153.6m3/h，最大涌水量230.4m3/h。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，礦井水文地質(zhì)類型屬中等。

井筒掘進直徑達(dá)到9.5m，施工及支護難度均較大。

在利用數(shù)值模擬技術(shù)分析研究的基礎(chǔ)上，通過井壁極限承載力有限元分析和物理模型試驗，選用施工工藝簡單、施工速度快、工程造價低的單層現(xiàn)澆混凝土井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，有效地解決了井筒施工和支護難題。

通過對井壁受力分析，較合理地確定了井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載、強度準(zhǔn)則和設(shè)計方法。進而選擇了合理的井壁厚度及混凝土強度等級等參數(shù)。

3.2 井筒布置復(fù)雜

本礦井設(shè)計生產(chǎn)能力大，主井為斜井，立風(fēng)井安裝有行人梯子間、防火灌漿管路和注氮管路等，副井擔(dān)負(fù)升降人員、提升輔助材料、下總重量不超過45t大設(shè)備（液壓支架含平板車）的任務(wù)，此外還擔(dān)負(fù)提升矸石等任務(wù)。副井裝備兩套提升容器，一套1.5t礦車單層三車兩側(cè)鋼罐道，罐道間距3920mm的六繩大罐籠(凈寬3800mm，本體高度7500mm)帶平衡錘（罐道間距3000mm）的提升容器，另一套為一對交通罐加平衡錘的提升設(shè)備，兩繩提升，兩端鋼罐道導(dǎo)向。交通罐罐道間距為1400mm，凈寬1440mm，上下兩層共可乘人16人。平衡錘罐道間距為700mm。

此外還裝備有兩趟排水管、一趟灑水管和一趟壓風(fēng)管及通訊電纜、動力電纜、信號電纜等。

3.3 罐道梁載荷計算比較復(fù)雜

本礦井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

寬罐自重（包括首尾繩懸掛裝置）：54t；

窄罐自重（包括首尾繩懸掛裝置）：76.5t；

寬罐下最大件重量：45t。

為保證罐籠對罐道梁載荷計算的準(zhǔn)確性，計算方法分別采用經(jīng)驗公式計算法和原聯(lián)邦德國水平力簡化計算方法。

經(jīng)驗公式法檢驗結(jié)果：

水平力簡化計算方法檢驗結(jié)果：

3.4 鎖罐功能先進

相比較機械液壓聯(lián)合鎖罐，本副井選擇全機械鎖罐，具有以下優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)簡潔，操作簡便，機械故障率低；

（2）純機械式鎖定，鎖定機構(gòu)可靠，鎖罐性能穩(wěn)定；

（3）鎖定時液壓系統(tǒng)不承受鎖罐力，避免了液壓系統(tǒng)泄漏、失壓等情況引起的鎖罐失效；

（4）由提升機釋放解鎖，不受提升繩伸出量限制；

（5）既能滿足剛性罐籠鎖定，也能滿足柔性罐籠鎖定：鎖罐時罐籠只受豎直方向的拉伸載荷，不會因托起罐籠而引起柔性罐籠變形、提升系統(tǒng)張力超差等事故；

（6）翻轉(zhuǎn)平臺（即搖臂）與鎖罐爪動作分離：罐籠裝卸輕載時只動作翻轉(zhuǎn)平臺搭接，提高提升效率；裝卸重載時鎖罐機構(gòu)動作，保證提升安全。

4 結(jié)語

井筒安全、順利施工到底并投入使用，驗證了井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、可靠性和各項研究成果的準(zhǔn)確性，為進一步開展更復(fù)雜地層條件下的井筒設(shè)計研究奠定了基礎(chǔ)。副井井筒裝備安裝完畢后，運行安全、可靠，節(jié)約了檢修時間，減少了事故發(fā)生的概率，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。