煤礦立井井筒破壞修復(fù)后的提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

許 斌

(煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041)

立井提升系統(tǒng)作為礦井“咽喉”，作用十分重要。在提升系統(tǒng)改造優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)眾多專家、學(xué)者相繼展開大量研究工作。張宏[1]對(duì)副井罐籠、緩沖托罐、懸掛裝置等方面的優(yōu)化改造做出了嘗試。秦強(qiáng)[2]通過對(duì)主井大噸位箕斗曲軌卸載過程的力學(xué)分析，優(yōu)化了卸載曲軌設(shè)計(jì)方案。王文靜等[3，4]對(duì)主井在提升設(shè)備不變的前提下通過挖潛增加箕斗載重做出有益探索。賈照遠(yuǎn)[5，6]經(jīng)過分析計(jì)算，利用千斤頂對(duì)櫓式井架的斜架撐頂來糾偏，對(duì)井架糾偏做出了研究。孫東飛等[7]采用增加支撐支梁的方式成功將大型提升容器罐道梁規(guī)格降低，節(jié)省了井筒的有效空間。

雖然在提升系統(tǒng)眾多環(huán)節(jié)的改造優(yōu)化上，國(guó)內(nèi)專家、學(xué)者做出了大量研究成果，但是由于環(huán)境和生產(chǎn)條件的差異，難以形成具體的技術(shù)體系。需要具體問題具體對(duì)待。尤其本文中的井筒雖經(jīng)修復(fù)，但仍存在嚴(yán)重偏斜和變形，十分罕見。尚無案例可循。主、副井提升系統(tǒng)在井筒破壞修復(fù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，在斷面布置、提升容器、系統(tǒng)糾偏、提升能力設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了積極探索[8-10]。

1 主、副井提升系統(tǒng)原設(shè)計(jì)情況

淮南某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0Mt/a。工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)設(shè)有主井、副井和中央回風(fēng)井3個(gè)井筒。井口標(biāo)高+27.5m，井底水平標(biāo)高-735.0m。單水平上、下山開采。

礦井于2006年開工建設(shè)。2009年4月，副井井筒發(fā)生突水事故。事故之前，主井井架、提升機(jī)房已經(jīng)施工完畢，提升設(shè)備已經(jīng)安裝，副井提升系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。

原設(shè)計(jì)主井擔(dān)負(fù)原煤提升任務(wù)。井筒直徑為6.2m，布置1套32t雙箕斗(斷面3170mm×1700mm，本體高度17200mm)。井筒裝備方鋼罐道和罐道梁，由托架固定于井壁上。提升設(shè)備為德國(guó)SIEMAG公司?4.8×4落地式多繩摩擦提升機(jī)1臺(tái)，配套西門子同步電機(jī)(53.7r/min、4700kW)。電控設(shè)備采用西門子公司交-交變頻電控裝置。液壓制動(dòng)采用SIEMAG恒減速液壓裝置。提升速度13.5m/s。原設(shè)計(jì)主井井筒平面布置如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)主井井筒平面布置圖(mm)

原設(shè)計(jì)副井擔(dān)負(fù)全礦人員、矸石、材料、設(shè)備等運(yùn)輸作業(yè)任務(wù)。井筒直徑為7.0m，布置1套1.5t礦車雙層四車寬、窄罐籠(自重20.25t)。井筒裝備采用方鋼罐道和罐道梁，設(shè)有玻璃鋼梯子間。井筒內(nèi)還敷設(shè)排水管4趟，降溫管和通訊信號(hào)電纜架各2趟，壓風(fēng)管、動(dòng)力電纜架各1趟。提升設(shè)備為JKMD-4.5×4(Ⅲ)落地式多繩摩擦輪提升機(jī)1臺(tái)，配套低速直流電機(jī)(46.7r/min、2100kW)。電控設(shè)備采用ABB公司直流電控裝置。液壓制動(dòng)采用ABB恒減速液壓裝置。提升速度11m/s。副井原設(shè)計(jì)井筒平面布置如圖2所示。

圖2 原設(shè)計(jì)副井井筒平面布置圖(mm)

2 主、副井井壁修復(fù)面貌和存在問題

2.1 主、副井井壁修復(fù)面貌

主井井筒修復(fù)后，直徑由6.2m縮小到5.0m，呈垂直狀態(tài)。新井筒中心線較原井筒中心線向南和向西各偏移50mm。

副井井筒修復(fù)后，直徑由7.0m縮小到6.0m，呈縱向偏斜狀態(tài)(從-439.54m到-635.56m段井筒發(fā)生偏斜，最大偏移量達(dá)到870mm)。投影疊加后的井筒有效斷面近似橢圓形。

另外，副井出水造成工廣地層產(chǎn)生滑移，主副井井架、提升機(jī)房等均不同程度產(chǎn)生滑移。

2.2 提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在問題

修復(fù)后主、副井井筒面貌與原設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn)，原提升方案顯然不能繼續(xù)使用。提升系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)面臨以下幾個(gè)難題。

1)主、副井井筒套壁后，井筒直徑不同程度縮小，尤其副井井壁修復(fù)后仍然呈偏斜和彎曲狀態(tài)。需要在直徑縮小以及彎曲的井筒中設(shè)計(jì)大型容器和復(fù)雜裝備。

2)主、副井提升系統(tǒng)能力成為制約井筒修復(fù)后礦井井型的關(guān)鍵因素之一。如何充分利用已有設(shè)備、設(shè)施，恢復(fù)主、副井提升系統(tǒng)能力，滿足3.0Mt/a井型要求，成為設(shè)計(jì)需要解決的問題。

3)主、副井提升機(jī)中心線、天輪中心線均與新井筒提升中心線發(fā)生偏斜，需要安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理地糾偏，保證提升安全。

3 提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 井筒斷面布置及裝備設(shè)計(jì)

3.1.1 主井井筒斷面布置及裝備設(shè)計(jì)

首先，考慮選用剛性端罐道導(dǎo)向，有利于充分利用井筒斷面。

其次，提升容器面臨25t標(biāo)準(zhǔn)箕斗和32t非標(biāo)箕斗兩種方案的選擇。采用25t標(biāo)準(zhǔn)箕斗，屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，但是不能充分發(fā)揮已有提升設(shè)備、設(shè)施的能力。通過分析箕斗裝、卸載過程以及原煤流動(dòng)規(guī)律，同時(shí)考慮筆者團(tuán)隊(duì)以往在兩淮礦區(qū)的大噸位特窄型箕斗的成功經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)與建設(shè)單位協(xié)商后，最終采用32t非標(biāo)箕斗方案。斗箱斷面由3300mm×1700mm縮小為3080mm×1400mm，本體高度增加到18.5m。修復(fù)后主井井筒平面布置如圖3所示。

圖3 修復(fù)后主井井筒平面布置圖(mm)

箕斗斷面收縮以及本體加長(zhǎng)所產(chǎn)生不利影響通過如下措施解決：①箕斗加長(zhǎng)后，過卷高度和過放距離均有所降低，通過適當(dāng)優(yōu)化防撞梁位置，分別調(diào)整為11.25m和10.5m，滿足《煤礦安全規(guī)程》[11]相關(guān)規(guī)定；②箕斗斷面收縮后，對(duì)卸料時(shí)間略有影響(計(jì)算時(shí)間約增加1～2s)，通過分段設(shè)計(jì)箕斗卸載口角度，基本消除了這一影響。

3.1.2 副井井筒斷面布置及裝備設(shè)計(jì)

1)垂直運(yùn)行與非垂直運(yùn)行的比較。為最大限度利用修復(fù)后的井筒斷面，設(shè)計(jì)曾考慮非垂直運(yùn)行方案，即按6.0m斷面布置容器。具體為：裝備一只1.5t礦車雙層四車寬罐籠(5350mm×1850mm)和一只乘人罐籠(2500mm×1000mm)，寬罐籠用于升降各種材料、大型設(shè)備、人員等，乘人罐籠用于人員及小設(shè)備的提升，罐道非垂直布置，局部隨井筒偏斜而傾斜(最大1°左右)。優(yōu)點(diǎn)是：容器尺寸大。其缺點(diǎn)是：罐道局部隨井筒偏斜而傾斜布置，滾輪罐耳承受罐籠附加水平力的作用，個(gè)別滾輪的彈性需額外調(diào)節(jié)；經(jīng)過傾斜段，尾繩水平方向擺動(dòng)較大；罐內(nèi)阻車器為滑動(dòng)阻車器，通過傾斜段時(shí)，由于一端沒有阻車器阻擋，礦車有竄動(dòng)、掉道的可能性；沒有偏斜罐道提升運(yùn)行的先例可循[12，13]。

最終，從安全角度出發(fā)，設(shè)計(jì)放棄該方案。仍采用垂直運(yùn)行方案，即在投影疊加后近似橢圓形的井筒有效斷面布置容器和其他裝備，保持垂直運(yùn)行。

2)容器布置方案。首先，在提升礦車能力相當(dāng)?shù)那闆r下，為保證提升大件的能力，排除一對(duì)短罐籠(雙層二車)方案。采用單寬罐帶平衡錘方案。其次，為便于運(yùn)輸大型設(shè)備，盡可能加大寬罐，縮小平衡錘。寬罐由原端罐道改為側(cè)罐道導(dǎo)向，釋放端部空間200mm，寬罐長(zhǎng)度增加到5050mm，寬度保持1850mm不變。滿足最大件(長(zhǎng)度4895mm)的運(yùn)輸需求，同時(shí)可以一次運(yùn)輸4輛1.5t礦車；寬罐側(cè)罐道所占用的寬度方向的空間需要平衡錘縮小來解決，平面尺寸壓縮至1600mm×760mm，采用端罐道導(dǎo)向。兩個(gè)容器采用不同的導(dǎo)向方式，充分利用井筒有效斷面。

3)井筒裝備方案。井筒裝備布置時(shí)，將原降溫管、灑水管調(diào)整至回風(fēng)井筒中，利用井筒剩余空間布置：梯子間、排水管(DN300)四趟，壓風(fēng)管(DN350)一趟，動(dòng)力電纜架兩趟，通訊信號(hào)電纜架一趟。井筒裝備設(shè)計(jì)原則：罐道和管路作垂直布置，梯子間和電纜利用井筒偏斜形成的的不規(guī)則空間沿井壁敷設(shè)。

罐道設(shè)計(jì)中，根據(jù)井筒偏斜程度，采用4.0m、3.0m、 2.4m等三種罐道層間距進(jìn)行糾偏調(diào)整。在偏斜段(72層，72個(gè)斷面)，精確定位每層罐道梁與托架的相對(duì)位置，保證安全間隙，并且有效地將罐道梁安裝誤差控制在1mm以內(nèi)。最終確保罐道垂直安裝，滿足了提升容器安全運(yùn)行的需求。此外，在三個(gè)關(guān)鍵部位(鋼板井壁與混凝土井壁交界段、偏斜最大段、表土與基巖交界段)設(shè)置罐道差動(dòng)聯(lián)接裝置，保證罐道在豎向有一定的可縮性，預(yù)防罐道豎向變形造成“卡罐”。

管線布置中，5趟大口徑管路均利用罐道梁作為卡管梁，節(jié)省空間，方便安裝；采用管路伸縮器，吸收管路熱脹冷縮的能量，預(yù)防變形影響提升安全。

3.2 提升能力

3.2.1 主井、副井提升任務(wù)的統(tǒng)籌調(diào)整

修復(fù)后副井井筒僅能布置一只單罐籠帶平衡錘，其提升能力較原來雙罐系統(tǒng)降低近一半。顯然難以滿足3.0Mt/a井型的輔助提升需求。

修復(fù)后，雖然主井井筒直徑縮小，但是通過采用非標(biāo)箕斗等措施，提升能力基本沒有降低。并且，在礦井建設(shè)期間，《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》歷經(jīng)兩次修改，提升工作制度由原來300d/a、14h/d改為330d/a、18h/d。由此，主井提升能力變得較為富裕。

圖4 修復(fù)后副井井筒平面布置圖(mm)

該礦井屬深表土、高瓦斯、高地壓、高地溫的復(fù)雜條件礦井，矸石量大(0.26Mt/a)。分析礦井輔助作業(yè)量的構(gòu)成情況可知，矸石運(yùn)輸作業(yè)量約占輔助提升量的一半以上。另一方面，利用箕斗配合膠帶機(jī)實(shí)現(xiàn)矸石運(yùn)輸連續(xù)化和自動(dòng)化，逐步成為矸石運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向。因此，合理利用主井富裕能力提運(yùn)矸石，不僅可以解決副井提升能力不足的問題，還可以實(shí)現(xiàn)矸石運(yùn)輸連續(xù)化，提高礦井輔助運(yùn)輸水平。

綜上，統(tǒng)籌調(diào)整主井、副井提升任務(wù)，由主井提運(yùn)全礦井原煤并分時(shí)運(yùn)輸矸石，副井提運(yùn)全礦人員、材料、設(shè)備等。主、副井提升任務(wù)的調(diào)整，為保證礦井3.0Mt/a能力創(chuàng)造條件。

3.2.2 主井提升能力

設(shè)計(jì)考慮煤和矸石分時(shí)分運(yùn)，日提煤時(shí)間17h/d，日提矸1h/d。提升循環(huán)時(shí)間124s。經(jīng)計(jì)算，主井提煤能力4.70Mt/a，提矸能力0.32Mt/a?？梢詽M足年提煤3.0Mt/a、年提矸0.26Mt/a的任務(wù)。由于提升容器載重和自重均與原設(shè)計(jì)保持一致，因此，主井提升機(jī)、電機(jī)、電控、液壓制動(dòng)裝置、鋼絲繩均滿足安全要求。

3.2.3 副井提升能力

主、副井提升任務(wù)調(diào)整后，副井擔(dān)負(fù)人員、材料和設(shè)備輔助作業(yè)任務(wù)。分類進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算和挖潛調(diào)整：①計(jì)算寬罐帶平衡錘可以滿足運(yùn)輸材料的需求；②通過計(jì)算論證，利用井上下口空間余量，將寬罐由兩層改為三層(上層乘人)，解決人員集中上、下問題；平衡錘設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，兼做交通罐，解決人員零星上、下問題；③最大設(shè)備為液壓支架，解體后最大重量為28t，小于原設(shè)計(jì)32t，可以滿足要求。綜上，計(jì)算最大班作業(yè)時(shí)間3.43h<4.5h，人員集中下井時(shí)間22.97min<30min，均滿足規(guī)范要求。副井裝備一套1.5t礦車三層四車寬罐帶平衡錘，滿足3.0Mt/a井型的輔助提升需求。

此外，容器修改后，關(guān)于提升系統(tǒng)安全性能，需要說明如下幾點(diǎn)：①罐籠加高后，過卷、過放距離仍然滿足要求；②罐籠自重有所增加，但最大靜張力較原來略小，鋼絲繩及容器懸掛裝置等安全系數(shù)均未降低；③最大件重量較原設(shè)計(jì)小，提升機(jī)、電機(jī)、電控裝置、制動(dòng)裝置均滿足安全需求。

3.3 糾偏設(shè)計(jì)

副井出水造成工廣地層產(chǎn)生滑移，主、副井井架、提升機(jī)房等均不同程度產(chǎn)生滑移，另外，主、副井井筒斷面重新布置后，容器位置較原來均發(fā)生變化。主、副井均需要糾偏設(shè)計(jì)，使提升機(jī)中心線、井架天輪中心線、容器提升中心線重新共線，確保提升系統(tǒng)安全運(yùn)行。

關(guān)于已有井架和提升機(jī)房的安全可靠性，說明兩點(diǎn)：①主、副井井架為四斜柱式鋼井架，提升機(jī)房均采用采用鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估，主、副井井架和提升機(jī)房強(qiáng)度未受影響；②設(shè)計(jì)通過保持箕斗載荷與自重不變，保證了主井提升設(shè)備和鋼絲繩亦可隨之保持不變；副井罐籠雖有變化，但是系統(tǒng)最大靜張力和靜張力差均略有減小，鋼絲繩也保持不變。如此，則主、副井提升機(jī)房和井架的載荷不變。

綜上兩點(diǎn)，主、副井提升機(jī)房和井架滿足安全需求，可以使用。

3.3.1 主井糾偏設(shè)計(jì)

1)主井偏離情況。實(shí)測(cè)主井井筒新中心線較現(xiàn)提升機(jī)滾筒中心線向南(提升機(jī)軸向)偏移了76mm，兩個(gè)箕斗幾何中心線跟隨向南偏移76mm。

實(shí)測(cè)井架天輪中心線較現(xiàn)提升機(jī)滾筒中心線向南(天輪軸向)偏移了46mm。另外，由于箕斗中心距從原設(shè)計(jì)2350mm縮小到2080mm，因此，上、下天輪在東西方向(天輪徑向)也需要做相應(yīng)調(diào)整。

2)糾偏設(shè)計(jì)。首先，需要確定糾偏的基準(zhǔn)線。①井架天輪平臺(tái)不但南北方向需要改動(dòng)，而且東西方向也需要調(diào)整，因此排除天輪作為糾偏基準(zhǔn)的方案；②存在以箕斗中心線作為基準(zhǔn)和以提升機(jī)滾筒中心線作為基準(zhǔn)兩種方案，提升機(jī)已經(jīng)安裝完畢而井筒尚未裝備，顯然以提升機(jī)滾筒中心線為基準(zhǔn)進(jìn)行糾偏的工作量小，方案更合理。

其次，箕斗和井筒裝備糾偏。若通過減小箕斗外形尺寸，使其在井筒中作非對(duì)稱布置，以滿足向南糾偏76mm的需求，則箕斗需要進(jìn)一步加長(zhǎng)，過卷和過放距離將難以滿足安全要求。因此，設(shè)計(jì)考慮利用箕斗外形細(xì)長(zhǎng)以及有配重塊的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)內(nèi)部配重塊的位置，將箕斗重心線從中心線位置向南調(diào)整76mm，同時(shí)調(diào)整首、尾繩在箕斗上的掛點(diǎn)，不改變箕斗外形尺寸，從而充分利用主井井筒斷面，保持過卷過放距離安全。

最后，井架天輪平臺(tái)的糾偏。經(jīng)過計(jì)算，設(shè)計(jì)保持井架主體結(jié)構(gòu)不變，對(duì)兩層天輪平臺(tái)作水平定位尺寸調(diào)整。需要更換和調(diào)整構(gòu)件包括天輪支座、天輪平臺(tái)鋪板梁、天輪平臺(tái)鋪板、天輪平臺(tái)欄桿等。并且，根據(jù)井架銹蝕情況，重新對(duì)井架做除銹和防腐處理，確保井架既有構(gòu)件滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

綜上，通過以上三步驟，使提升機(jī)中心線、井架天輪中心線、容器提升中心線重新共線，確保提升系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3.3.2 副井糾偏設(shè)計(jì)

1)副井偏離情況。新布置容器的提升中心線較原提升中心線向東(提升機(jī)軸向)偏離80mm，另外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)提升機(jī)滾筒中心線較原提升中心線向西偏移了36mm，這樣提升機(jī)中心線相對(duì)于新容器提升中心線向西偏離了116mm。

實(shí)測(cè)井架天輪中心線較現(xiàn)提升機(jī)滾筒中心線向西(天輪軸向)偏移了7mm。另外，由于容器中心距從原設(shè)計(jì)2030縮小到1900mm，且容器位置較原來有較大變動(dòng)，因此，上、下天輪在南北方向(天輪徑向)也需要做相應(yīng)調(diào)整。

2)糾偏設(shè)計(jì)。首先，需要確定糾偏的基準(zhǔn)線。①井架天輪平臺(tái)不但東西方向需要改動(dòng)，而且南北方向也需要調(diào)整，因此排除天輪作為糾偏基準(zhǔn)的方案；②存在以容器中心線作為基準(zhǔn)和以提升機(jī)滾筒中心線作為基準(zhǔn)兩種方案，正常情況下，顯然以提升機(jī)滾筒中心線為基準(zhǔn)糾偏工作量小。但是該方案缺點(diǎn)是：本項(xiàng)目的罐籠尺寸剛好滿足運(yùn)輸大件需求，不能通過縮小尺寸調(diào)整糾偏；罐籠外形和承載特點(diǎn)決定其提升中心線與幾何中心線共線，也不能通過調(diào)整重心線來糾偏。因此，只能以容器中心線作為基準(zhǔn)。

其次，提升機(jī)糾偏。經(jīng)與建設(shè)方、施工單位、生產(chǎn)廠商協(xié)商論證，利用集團(tuán)公司設(shè)備調(diào)劑方便的優(yōu)勢(shì)，采用非標(biāo)卷筒替代現(xiàn)有卷筒的方案來糾偏。即制作非標(biāo)卷筒將摩擦襯墊在卷筒上的安裝位置向西調(diào)整116mm(利用卷筒擋繩板與制動(dòng)器之間的空間)。將更換下的卷筒調(diào)劑到其他礦使用。校驗(yàn)基礎(chǔ)強(qiáng)度以及提升機(jī)的強(qiáng)度均可以滿足糾偏后的受力情況。其優(yōu)點(diǎn)：不增加設(shè)備投資；設(shè)備基礎(chǔ)載荷變化微小，安全可靠。

最后，井架天輪平臺(tái)的糾偏，與主井天輪平臺(tái)糾偏方案類似。

綜上，通過以上步驟，使提升機(jī)中心線、井架天輪中心線、容器提升中心線重新共線，完成糾偏工作。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)主、副井井筒斷面變化的具體情況，通過非標(biāo)設(shè)計(jì)，完成大型提升容器和復(fù)雜裝備的設(shè)計(jì)工作。為大型礦井主、副井井筒斷面布置提供案例。

2)在副井提升容器減少一只的不利情況下，充分挖掘提升系統(tǒng)潛力與統(tǒng)籌調(diào)整提升任務(wù)相結(jié)合，最終，解決復(fù)雜條件大型深井輔助提升能力的難題。為大型復(fù)雜條件礦井的副井設(shè)計(jì)提供借鑒。

3)根據(jù)主、副井提升系統(tǒng)不同的特點(diǎn)，采用不同的糾偏方案。為大型提升系統(tǒng)糾偏設(shè)計(jì)提供參考。