全風(fēng)壓風(fēng)井建井期間大吊桶提矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

張品峰

（中煤第七十一工程處有限責(zé)任公司，安徽 宿州 234000）

1 概況

1.1 礦井概況

兗煤菏澤能化有限公司萬(wàn)福煤礦位于菏澤市巨野縣柳林鎮(zhèn)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.8 Mt/a，屬低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。礦井設(shè)計(jì)為立井—暗斜井開拓方式，井底第一水平為-820 m，生產(chǎn)水平為-980 m。礦區(qū)工廣內(nèi)布置三條立井，三井筒井底已經(jīng)全部貫通，主要巷道、硐室等礦建二期工程已經(jīng)大部分施工完成；副井井筒已經(jīng)完成了永久罐籠提升系統(tǒng)裝備；主井和回風(fēng)立井井筒均曾進(jìn)行過(guò)臨時(shí)改絞，用于施工礦建二期工程；主井布置一對(duì)單繩提煤箕斗提升系統(tǒng)，回風(fēng)立井布置一對(duì)1.5 t雙層單車鑿井罐籠提升系統(tǒng)。

1.2 本案起因

礦方為實(shí)施主井和回風(fēng)立井永久裝備工程，加快形成礦井永久生產(chǎn)系統(tǒng)，并且在永久裝備施工期間保證礦建二期工程不間斷施工，同時(shí)接續(xù)施工三期工程，提出了主井和回風(fēng)立井交替裝備的計(jì)劃，總體如下：

拆除回風(fēng)立井雙罐籠提升系統(tǒng)，施工井口相關(guān)通道及防爆門基礎(chǔ)，實(shí)施梯子間及管線裝備，安裝完成主要通風(fēng)機(jī)并投入使用；暫不安裝防爆門→回風(fēng)立井重新布置一套提矸系統(tǒng)，滿足二期工程及后續(xù)三期工程施工排矸需要；并使全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)保持可用→回風(fēng)立井提矸系統(tǒng)投入使用后，即拆除主井雙箕斗提升系統(tǒng)，實(shí)施主井永久裝備→主井永久裝備完成后，拆除回風(fēng)立井提矸系統(tǒng)，安裝防爆門，完成風(fēng)井永久裝備→礦井所有永久生產(chǎn)系統(tǒng)投入運(yùn)行。

1.3 回風(fēng)立井條件

回風(fēng)立井井筒凈直徑Φ6.0 m，井筒總深度879 m。新的提矸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)實(shí)施前，原雙罐籠提升系統(tǒng)已經(jīng)拆除，井口防爆門基礎(chǔ)已經(jīng)施工完成，井筒斷面內(nèi)東側(cè)梯子間及固定管線已經(jīng)裝備，地面主要通風(fēng)機(jī)已經(jīng)安裝完成?，F(xiàn)場(chǎng)保留了原鑿井系統(tǒng)的V型鑿井井架和井筒南側(cè)的2JKZ-4×2.65/15型鑿井提升機(jī)。井口北向?yàn)榈孛嬉L(fēng)道，東向安全通道路線在臨時(shí)井架范圍以外出露地面。井下為南北向雙側(cè)馬頭門，井底臨時(shí)水窩設(shè)計(jì)深度14.0 m，實(shí)際已經(jīng)淤滿。

計(jì)劃回風(fēng)立井安裝提矸系統(tǒng)后，與副井提升系統(tǒng)共同組成礦井臨時(shí)生產(chǎn)施工配套系統(tǒng)，其中副井負(fù)責(zé)上下人員、提升物料，回風(fēng)立風(fēng)井負(fù)責(zé)排矸并保持全風(fēng)壓通風(fēng)。

2 提矸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)配套布置方案

（1）方案設(shè)計(jì)條件

井下二期工程有4個(gè)主要掘進(jìn)工作面，包含巖巷、煤巷及半煤巖巷，既有機(jī)掘工藝施工也有炮掘工藝施工，另有若干巷道刷擴(kuò)及維修工作面。井下采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)，將各工作面煤矸匯集到回風(fēng)立井南側(cè)馬頭門附近“矸石倉(cāng)”緩存區(qū)，使用提矸系統(tǒng)將矸石提升出井。

（2）具體實(shí)施方案

新型大設(shè)備提升排矸：在井筒空余斷面空間內(nèi)布置提升排矸系統(tǒng)，使用現(xiàn)場(chǎng)的V型鑿井井架和2JKZ-4×2.65/15型鑿井提升機(jī)，選用新型8 m3坐鉤式大矸石吊桶和18 t鉤頭裝置，僅用于排矸，不提升人員和物料； 井架天輪平臺(tái)布置直徑3 m提升天輪，采用20 t液壓拉緊裝置張緊雙繩罐道；依托井架二平臺(tái)和防爆門基礎(chǔ)布置一體化翻矸和封口鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在馬頭門底板水平由耙裝機(jī)、梭車和溜槽銜接組成配套裝矸環(huán)節(jié)。

井口雙層負(fù)壓密閉：一方面，礦井井下已經(jīng)開辟了大量工作面，施工人員多且分散，通風(fēng)路線長(zhǎng)、路徑復(fù)雜，建井時(shí)期的局部通風(fēng)機(jī)壓入式臨時(shí)通風(fēng)網(wǎng)路已經(jīng)不能滿足整個(gè)礦井的通風(fēng)需要； 另一方面，地面抽出式通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)裝備完成，具備了施行礦井全壓通風(fēng)的條件。在井口布置內(nèi)外兩層密閉，內(nèi)外層相關(guān)出入門及蓋門設(shè)關(guān)聯(lián)閉鎖，不能同時(shí)開閉，確保井口時(shí)刻密閉，保障全風(fēng)壓通風(fēng)。

回風(fēng)立井新型大吊桶提升排矸系統(tǒng)布置立面見(jiàn)圖1，平面布置見(jiàn)圖2。

圖1 提升排矸系統(tǒng)布置立面

圖2 提升排矸系統(tǒng)布置平面

2.2 系統(tǒng)主要研究解決問(wèn)題

（1）新型大設(shè)備配套

一方面，礦井井下已經(jīng)開辟了大量工作面，要求風(fēng)井的提矸系統(tǒng)具備較大的排矸能力； 另一方面，回風(fēng)立井已經(jīng)完成了井筒內(nèi)梯子間和管線部分裝備工程，分析認(rèn)為井筒內(nèi)不具備布置成對(duì)提升容器的條件； 布置單臺(tái)鑿井罐籠則裝載總重較大，而排矸能力卻較小，布置提煤箕斗而井底水窩又沒(méi)有足夠的深度，故回風(fēng)立井僅能布置單鉤提升大型矸石吊桶。

地面保留了V型鑿井井架和2JKZ-4×2.65/15型鑿井提升機(jī)，提升機(jī)最大凈張力差255 kN，最大提升速度6.7 m/s，電動(dòng)機(jī)功率2 000 kW。研究確定選用中煤礦建集團(tuán)研發(fā)的新型8 m3坐鉤式大矸石吊桶和18 t鉤頭裝置，僅用于排矸，不提升人員和物料；選用18×7+FC-44-1870型鋼絲繩，提升最大靜張力217.9 kN，提升機(jī)所需功率1 717.3 kW，鋼絲繩安全系數(shù)6.7，提升機(jī)容繩量1.38層，提升系統(tǒng)滿足規(guī)程要求，提升能力實(shí)現(xiàn)了最大化。

（2）大型吊桶翻矸

對(duì)于V型鑿井井架，傳統(tǒng)鑿井提升系統(tǒng)最大的配備為5 m3矸石吊桶，此次選配新型8 m3大吊桶，為確保吊桶在系統(tǒng)中安全運(yùn)行和傾轉(zhuǎn)倒矸，必須建立一種簡(jiǎn)單有效的系統(tǒng)驗(yàn)證方法。為此，專門選用V型井架和5 m3吊桶作為配套示范布置，從中篩選關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)作為對(duì)照設(shè)計(jì)控制依據(jù)，圍繞8 m3吊桶重新設(shè)計(jì)坐鉤式翻矸結(jié)構(gòu)布置。

在5 m3吊桶示范布置中，根據(jù)提升機(jī)速度計(jì)算出地面過(guò)卷距離，在保持該過(guò)卷距離的前提下，測(cè)得5 m3吊桶翻轉(zhuǎn)時(shí)滑架下部提升繩最大偏斜角達(dá)到25.4°；在8 m3吊桶布置中，通過(guò)將溜槽翻矸門設(shè)計(jì)為懸掛式結(jié)構(gòu)，用高強(qiáng)螺栓連接在井架二平臺(tái)下方，在保證過(guò)卷距離的前提下，8 m3吊桶翻轉(zhuǎn)時(shí)滑架下部提升繩最大偏斜角為23.2°，小于5 m3吊桶提升繩最大偏斜角。

在運(yùn)行機(jī)理上實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化了8 m3吊桶安全穩(wěn)定排矸的可行性之后，進(jìn)行了新型坐鉤式自動(dòng)翻矸架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了坐鉤、托梁、支架等構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核等工作。

（3）鋼絲繩雙繩罐道

由于臨時(shí)提升排矸系統(tǒng)工作模式單一，排矸量大，且回風(fēng)立井井筒總深度879 m，吊桶提升宜采用固定張緊的鋼絲繩雙繩罐道導(dǎo)向。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，采用雙繩罐道的吊桶，鋼絲繩剛性系數(shù)不小于500 N/m，但在以往類似實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)罐道繩仍剛性不足。為確保鋼絲繩罐道使用安全，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)罐道鋼絲繩剛性系達(dá)624.44 N/m，消弱罐道繩震蕩和吊桶擺動(dòng)，確保吊桶提升穩(wěn)定順暢，鋼絲繩罐道最大靜張力為173.623 kN，20 t液壓拉緊裝置滿足要求。

（4）井口雙層負(fù)壓密閉

井口密閉結(jié)構(gòu)依托井架結(jié)構(gòu)和防爆門基礎(chǔ)，結(jié)合地面溜矸系統(tǒng)布置型鋼結(jié)構(gòu)框架，縮小框架結(jié)構(gòu)尺寸，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠抵抗礦井全壓通風(fēng)時(shí)的負(fù)壓，保證礦井通風(fēng)對(duì)高風(fēng)壓和大風(fēng)量的要求。井口密閉總體為內(nèi)外兩層，外密閉層設(shè)人員及設(shè)備出入門，翻矸溜槽外露部分為側(cè)面封閉式矩形斷面，端口再設(shè)自動(dòng)封閉蓋板，排矸過(guò)程中自動(dòng)開啟和關(guān)閉；在井架二平臺(tái)和井口防爆門基礎(chǔ)上分別布置鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，且利用防爆門基礎(chǔ)上的封口盤平臺(tái)作為內(nèi)層密閉，利用提升口蓋門作開閉口。該密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下功能要求：

首先，外層出入門、溜槽端口蓋板和封口盤提升蓋門設(shè)關(guān)聯(lián)閉鎖，禁止同時(shí)開閉，確保人員、設(shè)備進(jìn)出井口工作區(qū)時(shí)不干擾破壞全風(fēng)壓通風(fēng)。其次，所有開口蓋門中，封口盤提升蓋門最易于設(shè)計(jì)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，在承受負(fù)壓條件下實(shí)現(xiàn)正常開閉，當(dāng)提升蓋門關(guān)閉后承受負(fù)壓，為外層密閉的開口蓋門提供卸壓后開啟的條件。第三，后期提升排矸系統(tǒng)拆除、安裝防爆門時(shí)，可以充分利用雙層密閉結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，使外密閉層承受負(fù)壓，揭開內(nèi)密閉層，防爆門安裝完成后再拆除外層密閉，從而保持礦井全風(fēng)壓通風(fēng)不間斷。

3 應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用效果

該建井期間全風(fēng)壓風(fēng)井大吊桶提矸系統(tǒng)計(jì)劃使用期2年，提矸系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期提升能力，滿足了井下4條巷道施工為主的所有掘進(jìn)工程排矸需求?；仫L(fēng)立井全風(fēng)壓通風(fēng)也滿足了礦井施工生產(chǎn)的需要。提矸系統(tǒng)中設(shè)計(jì)成果已經(jīng)獲得專利。

3.2 應(yīng)用前景

該提矸系統(tǒng)在基建礦井二三期工程施工階段提供了一種成本較低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、提升能力較大的施工輔助提升系統(tǒng)新模式，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取的減小提升繩偏角、保障大吊桶坐鉤安全排矸的措施，使傳統(tǒng)的鑿井系統(tǒng)可能選配更大的吊桶，提高鑿井施工能力，在一般鑿井設(shè)計(jì)中應(yīng)可以借鑒采用。