特大型礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)和布置方式的選擇

中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 天津 300120

葫蘆素礦井主井井筒直徑為 9.6 m，提升高度為655.78 m。井筒內(nèi)“一”字布置了 4 個(gè) 50 t 提煤箕斗[1]，是國內(nèi)外煤礦中所應(yīng)用的最大噸位的箕斗。主井提升系統(tǒng)采用塔式提升，井塔內(nèi)安裝了 2 臺(tái)摩擦式提升機(jī)，配 8 000 kW 交流同步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)拖動(dòng)，傳動(dòng)方式采用交-直-交變頻控制[2]，提升系統(tǒng)最大速度為提升機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電控設(shè)備均為瑞典 ABB 公司進(jìn)口設(shè)備。該主井提升系統(tǒng)是國內(nèi)最早在一個(gè)井筒內(nèi)布置 4 個(gè) 50 t 箕斗、提升能力達(dá)到 13.0并成功運(yùn)行的千萬噸級(jí)立井提升系統(tǒng)。

1 提升機(jī)結(jié)構(gòu)型式

大型提升機(jī)一般可分為電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式和電動(dòng)機(jī)直聯(lián)懸掛式 2 種結(jié)構(gòu)型式。

內(nèi)裝式提升機(jī)的主要特點(diǎn)是將電動(dòng)機(jī)裝在卷筒或摩擦輪內(nèi)部，是工作機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)融合在一起的機(jī)電一體機(jī)。它不僅徹底顛覆了傳統(tǒng)提升機(jī)的結(jié)構(gòu)，而且技術(shù)更先進(jìn)，具有傳統(tǒng)提升機(jī)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

相較于常規(guī)的直聯(lián)懸掛式提升機(jī)，內(nèi)裝式提升機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 提升機(jī)尺寸較小，空間結(jié)構(gòu)緊湊，可以有效地減小電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)和提升機(jī)房的建筑面積[4]，從而減少土建費(fèi)用，尤其是對(duì)塔式提升機(jī)來說效果更為顯著；

(2) 提升設(shè)備的底座較小，與基礎(chǔ)連接的部件少，設(shè)備安裝時(shí)間短；

(3) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩直接作用于摩擦輪的鋼絲繩上，

由表 1 可知，內(nèi)裝式提升機(jī)與懸掛式提升機(jī)相比，井塔面積減少了 14.04%。內(nèi)裝式提升機(jī)無論是在結(jié)構(gòu)上還是在設(shè)備布置方面，均具有較大的優(yōu)勢(shì)，條件允許時(shí)內(nèi)裝式提升機(jī)應(yīng)是合理的選擇。

2 提升機(jī)布置方式

多繩摩擦式提升機(jī)有井塔式和落地式 2 種布置方式，各自的優(yōu)缺點(diǎn)已被業(yè)內(nèi)人士熟知，不再贅述。葫蘆素礦井主井提升系統(tǒng)安裝了 2 套提升設(shè)備，提升機(jī)布置方式的選擇如下所述。

2.1 井塔式布置

無需經(jīng)過中間部件傳遞，傳動(dòng)效率高；

(4) 主軸裝置兩端對(duì)稱，主軸承受力均勻；

(5) 主軸不傳遞扭矩，大大減小了主軸撓曲度；

(6) 這種結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的力，如鋼絲繩拉力和磁拉力都是對(duì)稱傳遞的，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的剛度，軸和軸承的變形不會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的氣隙；

(7) 電動(dòng)機(jī)的溫升不會(huì)使定子產(chǎn)生不對(duì)稱的變形，因而電動(dòng)機(jī)的氣隙始終保持均勻；

(8) 設(shè)備基礎(chǔ)的變化不會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的氣隙；

(9) 采用標(biāo)準(zhǔn)的自調(diào)心軸承，使用壽命長，通用性強(qiáng)；

(10) 維護(hù)量小，電動(dòng)機(jī)效率較高，運(yùn)行費(fèi)用較低。

內(nèi)裝式提升機(jī)不僅具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，而且在設(shè)備布置方面也具有非常大的優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)省大量的土建工程量。以葫蘆素礦井主井井塔為例，懸掛式與內(nèi)裝式的井塔面積比較如表 1 所列。

葫蘆素主井 2 臺(tái)提升機(jī)均采用單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。之所以采用單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，是因?yàn)殡p電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)會(huì)在 2臺(tái)設(shè)備之間形成一條狹窄的通道，不僅不利于設(shè)備的安裝、維護(hù)和檢修，布置上不合理，而且經(jīng)濟(jì)上也不合理。每臺(tái)提升機(jī)需要 2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)和 2 套電控設(shè)備，設(shè)備造價(jià)增加，機(jī)房面積增加約 14 m2，土建投資增加。因此，對(duì)于井塔式提升機(jī)，條件允許時(shí)應(yīng)采取單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)方式。

葫蘆素主井塔式提升機(jī)井塔平面布置如圖 1 所示。

2.2 落地式布置

葫蘆素礦井主井安裝 2 臺(tái)提升機(jī)，可以采用同側(cè)布置或異側(cè)布置。同側(cè)時(shí)布置在同側(cè)同一個(gè)機(jī)房內(nèi)，方便管理，占用工業(yè)廣場面積小，但機(jī)房內(nèi)起重機(jī)軌面高達(dá) 30 m，導(dǎo)致提升機(jī)房高度過大，施工難度大；異側(cè)時(shí)布置在井筒兩側(cè)，雖然需要建 2 個(gè)提升機(jī)房，占用工業(yè)廣場面積大，較同側(cè)布置多 1 臺(tái)起重機(jī)，但井架高度小、受力對(duì)稱，初期投資較省。因此，落地式提升機(jī)應(yīng)采取異側(cè)布置方式，如圖 2 所示。

綜上所述，對(duì)于井塔式和落地式布置方式的選擇，塔式布置方式不僅占地面積小，防滑性能好，后期維護(hù)工程量少，而且設(shè)備投資少，維護(hù)費(fèi)用低。因此，工期允許時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇塔式布置方式。

3 幾點(diǎn)體會(huì)

(1) 內(nèi)裝式提升機(jī)與直聯(lián)懸掛式提升機(jī)相比，無論在技術(shù)方面，還是在經(jīng)濟(jì)方面，都具有較大的優(yōu)越性，特別適用于大型提升機(jī)，尤其是當(dāng) 1 個(gè)提升機(jī)房內(nèi)安裝 2 套大型提升機(jī)時(shí)，采用內(nèi)裝式提升機(jī)不失為技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的選擇。葫蘆素礦井主井提升設(shè)備原設(shè)計(jì)采用內(nèi)裝式提升機(jī)，但最終因種種原因未能得到實(shí)施[5]。

(2) 提升系統(tǒng)鋼絲繩和井筒的防凍問題不容忽視，尤其是在北方寒冷地區(qū)，這方面井塔式明顯優(yōu)于落地式布置。

(3) 針對(duì)井塔式布置占用井口時(shí)間長的問題，隨著國內(nèi)平行施工技術(shù)的發(fā)展，可有效縮短井塔施工占用井口的時(shí)間。井塔和井筒裝備平行施工法就是在井塔建到一定高度后，安裝臨時(shí)設(shè)備，上面繼續(xù)施工井塔，下面同時(shí)施工井筒裝備。近年來，使用該方法獲得成功的案例越來越多，內(nèi)蒙古銀宏能源開發(fā)有限公司泊江海子礦井和葫蘆素礦井主、副井井塔就是采用這種方法施工的，說明井塔和井筒裝備是可以平行施工的。

(4) 要滿足主井提升系統(tǒng)的能力，或者提高箕斗的噸位，或者提高系統(tǒng)的提升速度[5]?；返某叽缡芫仓睆胶突方Y(jié)構(gòu)的制約，過度增加箕斗的斷面尺寸，不僅導(dǎo)致井筒直徑加大，礦建投資增加，而且給鑿井也帶來困難；而小的箕斗斷面又會(huì)使箕斗過于高細(xì)，結(jié)構(gòu)不合理，甚至?xí)绊懴到y(tǒng)的裝卸載時(shí)間等，使得一個(gè)井筒內(nèi)布置 4 個(gè)特大型箕斗的矛盾會(huì)更為突出。因此，在一定條件下，以提高提升速度來增加提升能力的效果更為顯著。但提高速度又會(huì)給提升系統(tǒng)帶來一些其他問題，如罐耳的磨損、對(duì)罐道的沖擊等。此外，目前我國深井大噸位提升系統(tǒng)的罐道型式多為鋼罐道，其安裝質(zhì)量也在很大程度上制約著提升速度的提高。因此，應(yīng)在綜合考慮上述各因素的前提下，合理確定超大型箕斗的斷面和系統(tǒng)最大提升速度。

圖2 落地式提升機(jī)的提升系統(tǒng)布置Fig.2 Layout of hoisting system of f loor hoist

4 結(jié)語

隨著礦井開采深度的增加和特大型智能化礦井的建設(shè)，作為整個(gè)礦井“咽喉”的主井提升系統(tǒng)也越來越重要，而對(duì)于特大型提升系統(tǒng)來說，提升機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和布置方式?jīng)Q定著主井提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性和安全性。因此，正確選擇提升機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和布置方式尤為重要。