山陽(yáng)煤礦副立井剛性井筒裝備設(shè)計(jì)及分析

劉成勇，宋 偉，宋立平

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

立井井筒是礦井的咽喉，立井剛性井筒裝備是保證礦井提升容器高速、安全運(yùn)行的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，主要由罐道和罐道梁(或托架)組成，沿井筒深度構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)體系[1-3]。近10 a來(lái)，隨著我國(guó)西部煤炭資源的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)，使得礦井提升容器載重和提升速度不斷增大，提升容器載重達(dá)50 t以上，提升速度高達(dá)14 m/s。

井筒裝備設(shè)計(jì)荷載是提升容器與井筒裝備的相互作用水平力，現(xiàn)行采礦設(shè)計(jì)規(guī)范中水平力的確定是基于30年代德國(guó)提出的參數(shù)水平力計(jì)算公式和90年代中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出的參數(shù)水平力計(jì)算公式；德國(guó)水平力公式適用條件是提升容器載重小于20～30 t，運(yùn)行速度小于14 m/s；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水平力公式適用條件為提升容器載重小于30～40 t，運(yùn)行速度小于14 m/s[4-7]。目前我國(guó)西部的一些超大型礦井提升容器運(yùn)行條件已超出現(xiàn)行采礦設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)剛性井筒裝備設(shè)計(jì)條件，使得井筒裝備設(shè)計(jì)工作準(zhǔn)確性、可靠性、安全性和穩(wěn)定性難以保證[8-11]；從近幾年監(jiān)測(cè)的礦井來(lái)看，監(jiān)測(cè)結(jié)果較接近原聯(lián)邦德國(guó)經(jīng)驗(yàn)公式。因此，為了安全起見(jiàn)，井筒設(shè)計(jì)仍應(yīng)采用原聯(lián)邦德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)公式。

1 工程概況

1.1 礦井概況

山陽(yáng)井田位于陜西省渭北石炭二疊紀(jì)煤田澄合礦區(qū)中深部，行政區(qū)劃屬合陽(yáng)縣王村鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、防擄寨鄉(xiāng)及甘井鎮(zhèn)管轄，本井田南與澄合礦區(qū)王村煤礦相鄰。合陽(yáng)縣城位于井田東南角外側(cè)，井田西南方向距澄城縣15 km，井田邊界東以F4斷層和合陽(yáng)縣城新規(guī)劃區(qū)西側(cè)為界；南與王村斜井、王村煤礦毗鄰；西以F22斷層與太賢井田相鄰；北以探礦權(quán)劃定的合陽(yáng)西中深部勘查區(qū)北部邊界及黃—韓—侯鐵路為界。井田東西長(zhǎng)13.2 km，南北寬6.8 km，面積81.6 km2。礦井移交生產(chǎn)時(shí)共開(kāi)鑿3條井筒，分別為主立井、副立井、回風(fēng)立井。

1.2 井筒及裝備的設(shè)計(jì)概況

井筒概況：其中副立井井筒凈直徑φ8.2 m，垂深為466 m；井壁為單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支護(hù)厚度為600 mm。井筒內(nèi)正常層間距為5.0 m，井筒內(nèi)與井壁連接的構(gòu)件均采用樹(shù)脂錨桿固定，錨桿采用全長(zhǎng)錨固。裝備范圍：1(2)號(hào)罐道-0.525～-473.678 m，3(4)、5(6)號(hào)罐道-2.123～-459.000 m，7(8)號(hào)罐道-0.102～-473.678 m。

寬罐籠帶平衡錘系統(tǒng)：寬罐籠提升鋼絲繩最大終端載荷575 kN，寬罐平衡錘提升鋼絲繩最大終端載荷475 kN，窄罐籠提升鋼絲繩最大終端載荷425 kN，窄罐平衡錘提升鋼絲繩最大終端載荷345 kN。

設(shè)計(jì)要求：①除固定電纜架的每根錨桿的錨固力≥4.0 t外，其余每根錨桿的錨固力均≥6.5 t；②托架壁板與井壁的間隙必須用樹(shù)脂膠泥充填密實(shí)。

井筒斷面布置：井筒內(nèi)裝備2套提升系統(tǒng)，1套選用1.5 t礦車雙層四車大型非標(biāo)寬罐籠+寬罐平衡錘，1套選用1.5 t礦車雙層四車大型非標(biāo)窄罐籠+交通罐。井筒內(nèi)布置1趟梯子間，4趟排水管路(φ377 mm)，1趟空氣壓縮管路(φ219 mm),1趟動(dòng)力電纜架，2趟通信電纜架，井筒斷面布置，如圖1所示。其中1.5 t礦車雙層四車大型非標(biāo)寬罐籠、1.5 t礦車雙層四車大型非標(biāo)窄罐籠、交通罐均采用托架進(jìn)行固定安裝，而交通罐罐道采用管道梁進(jìn)行固定，管路、梯子間通過(guò)梁進(jìn)行固定安裝。整個(gè)斷面布置緊湊、合理，斷面利用率高。

圖1 井筒斷面布置

2 井筒裝備選型及防腐設(shè)計(jì)

2.1 罐道上的荷載計(jì)算

原聯(lián)邦德國(guó)《豎井與斜井裝備的技術(shù)規(guī)程》(1977年)規(guī)定的有關(guān)水平力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式(根據(jù)GB 50384—2016煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范推薦罐道荷載計(jì)算亦按此公式計(jì)算)，對(duì)罐道與罐道梁正面的水平力PH計(jì)算見(jiàn)式(1)(2)，對(duì)罐道與罐道梁側(cè)面的水平力PX的計(jì)算見(jiàn)式(3)(4)，對(duì)罐道與罐道梁的垂直力PV的計(jì)算見(jiàn)式(5)(6)[12-14]。

(1)

(2)

PX1=0.8·PH1=0.8×47.917=38.33 kN

(3)

PX2=0.8·PH2=0.8×39.583=31.67 kN

(4)

PV1=0.25·PH1=0.25×47.917=11.98 kN

(5)

PV2=0.25·PH2=0.25×39.583=9.9 kN

(6)

2.2 罐道的計(jì)算

強(qiáng)度驗(yàn)算：裝備構(gòu)件一般在失去支承力的情況下，提升容器與裝備才出現(xiàn)極限工作狀態(tài)，發(fā)生運(yùn)行失穩(wěn)現(xiàn)象。為保證穩(wěn)定運(yùn)行，罐道截面應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度條件選擇，再按剛度條件校核。按計(jì)算的最大彎矩和變形確定罐道截面，罐道所需的截面抵抗矩為

(7)

(8)

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，罐道的強(qiáng)度應(yīng)滿足以下要求

(9)

經(jīng)代值計(jì)算

對(duì)于寬罐籠，設(shè)計(jì)初選罐道220 mm×220 mm×12 mm，IX=Iy=6 487 cm4，Wx=Wy=590 cm3，材質(zhì)Q345，則

=255 N/mm2

對(duì)于平衡錘，設(shè)計(jì)初選罐道200 mm×200 mm×10 mm，IX=Iy=4 251 cm4，Wx=Wy=425 cm3，材質(zhì)Q345，則

=293 N/mm2

剛度驗(yàn)算：罐道除滿足上述強(qiáng)度條件以防止構(gòu)件發(fā)生破壞外，還應(yīng)滿足剛度條件，使其變形不超過(guò)一定的限度，以免影響提升容器沿罐道正常運(yùn)行。一般要求罐道在水平荷載作用下的最大變形不超過(guò)規(guī)范規(guī)定的容許撓度，即

(10)

式中，Z—罐道的撓度，mm；L—罐道的跨度，mm。代值計(jì)算

(11)

(12)

經(jīng)驗(yàn)算，矩形空心型鋼罐道的強(qiáng)度、剛度均滿足安全要求。

設(shè)備選型：由于罐道的層間距一般設(shè)計(jì)為4 m、6 m、12 m，經(jīng)計(jì)算，影響其截面選擇的決定因素是強(qiáng)度，不是剛度。同時(shí)考慮Q345鋼材的可焊性能好，因此本次在設(shè)計(jì)罐道時(shí)采用Q345鋼材，大大提高了材料本身的強(qiáng)度，從而大大減小了鋼材的重量。理論上采用Q345比Q235鋼材可節(jié)約鋼材重量近50%，通過(guò)對(duì)市場(chǎng)的了解，Q345-A鋼材僅比Q235-A貴100元/t左右，因此罐道采用Q345-A鋼材替換Q235-A，僅此項(xiàng)副立井裝備節(jié)省投資約170萬(wàn)元。通過(guò)以上計(jì)算和分析，整理出罐道選型分別見(jiàn)表1、表2。

表2 三跨連續(xù)梁驗(yàn)算罐道承載終端載荷值選型表

表1 單跨簡(jiǎn)支梁罐道承載終端載荷值選型表

2.3 防腐設(shè)計(jì)

防腐設(shè)計(jì)是非常普遍的，它涉及各個(gè)行業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界由于腐蝕造成的鋼鐵損耗約占當(dāng)年鋼鐵產(chǎn)量的30%左右。煤礦立井井筒是礦井的咽喉工程，關(guān)系全局，且煤礦井下條件特殊，比較惡劣，因此，應(yīng)重視立井井筒裝備的腐蝕問(wèn)題。通過(guò)對(duì)井下水質(zhì)的分析，確定井筒內(nèi)的裝備均采用了有效防腐。例如：井筒內(nèi)梯子間采用玻璃鋼復(fù)合材料，井筒罐道及托架、罐道梁采用電弧噴涂，螺栓等小件采用鍍鋅件。特別是將托架等構(gòu)件均采用強(qiáng)力樹(shù)脂錨桿固定，不僅提高了防腐效果，而且提高了安裝速度。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該立井井筒裝備已經(jīng)運(yùn)行了8年，運(yùn)行情況良好，說(shuō)明該受力計(jì)算滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用條件。由于礦井副井內(nèi)各種裝備的性能與質(zhì)量，對(duì)保證礦井人員的生命安全至關(guān)重要，因此迫切需要進(jìn)行超大終端荷載(提升終端荷載800～1 500 kN)提升條件下井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行專題研究，以提出適合現(xiàn)階段和今后一定時(shí)期條件下井筒裝備成套設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)建設(shè)方法，獲得相關(guān)技術(shù)專利。此舉對(duì)完善立井井筒裝備設(shè)計(jì)體系，提高剛性井筒裝備設(shè)計(jì)理論水平，充實(shí)我國(guó)采礦設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)內(nèi)容具有重要的理論意義；同時(shí)，對(duì)確保超大提升終端荷載立井井筒提升工作安全運(yùn)行，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。