龍首礦新1#粉礦回收井改造方案的研究與應(yīng)用

安文杰， 楊有林， 駱軍軍， 馬維東， 任鵬飛， 張 超

(1.鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 金昌 737100 ； 2.金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅 金昌 737100)

1 前言

龍首礦新1#井是箕斗井，井筒凈直徑4 m，鋼絲繩罐道。采用JKM3.25×4(I)-(LS)型多繩提升機(jī)，Z560- 3A型直流電動(dòng)機(jī)、功率800 kW，7 m3多繩底卸式單箕斗帶平衡錘提升系統(tǒng)，提升速度8.47 m/s，該井于1995年投入使用，專門用于提升礦石，設(shè)計(jì)提升能力為3 000 t/d。

電梯井始建于1995年，位于新1#井附近，提升硐室設(shè)在1 220 m中段部，里面安裝1臺(tái)H20- XPM客貨兩用電梯，配用JTD- 560型電機(jī)(19 kW、380 V)，提升速度1 m/s，設(shè)有1 220 m(井口)、1 191 m(破碎水平)、1 171 m(皮帶裝礦水平)、1 126 m(粉礦回收水平)四層四站[1]，井筒直徑3 m，已運(yùn)行20多年。

新1#井附近的巖石主要為混合巖化斜長(zhǎng)角閃巖脈，灰黑色，壓碎結(jié)構(gòu)形成的泥質(zhì)物非常發(fā)育，呈散體結(jié)構(gòu)，構(gòu)造面裂隙較發(fā)育，巖體較軟且地壓大[2]，造成井筒1 191～1 230 m錯(cuò)位，部分馬頭門變形，現(xiàn)存在以下主要問題：

(1)因井下環(huán)境潮濕，電梯轎廂及井底設(shè)施銹蝕嚴(yán)重、原有電氣設(shè)備老化，已影響電梯系統(tǒng)安全運(yùn)行。

(2)電梯井采用鋼罐道運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、腐蝕嚴(yán)重，存在一定的安全隱患。

(3)原電梯井井筒通風(fēng)系統(tǒng)不暢、有淋水，電梯的電控板和元器件防護(hù)等級(jí)低，轎廂頂部的控制板等電控元器件暴露在井筒中，電梯的各種電子控制板經(jīng)常出現(xiàn)燒壞，存在重大的安全風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)不到質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)要求。

2 改造方案的對(duì)比研究

為了不影響礦山現(xiàn)有系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，又能保證西部貧礦工程投產(chǎn)后新1#井提升系統(tǒng)的正常運(yùn)行，公司決定對(duì)電梯井進(jìn)行升級(jí)改造，本次新建粉礦回收豎井設(shè)計(jì)為盲豎井，可考慮多繩摩擦罐籠豎井與單繩纏繞罐籠井兩種方案。

2.1 多繩摩擦罐籠豎井

機(jī)房硐室及配電室設(shè)在1 280 m水平，與現(xiàn)有4行盲井機(jī)房設(shè)在同一水平，粉礦井的供電、設(shè)備維修、操作人員的管理均可與4行盲井結(jié)合考慮，新掘盲豎井示意圖如圖1所示。

圖1 新掘盲豎井示意圖

共設(shè)有1 220 m(井口)、1 191 m、117 m、1 126 m共4個(gè)中段，井底標(biāo)高1 111 m，采用單層單缺罐帶平衡錘多繩提升系統(tǒng)，鋼絲繩罐道，選用JKM-1.6×4多繩塔式提升機(jī)，減速比10.5，最大提升速度4.37 m/s，提升高度94 m,單層罐籠，按一次提升15人設(shè)計(jì)，底板尺寸2.6 m×1.15 m，自重≤5 000 kg，平衡錘質(zhì)量6 310 kg，配交流變頻電機(jī)(N=90 kW,600 rpm，380 V)，提升首繩6 ×22TS，直徑16 mm，重量1.05 kg/m，最小破斷力179.9 kN，4根，繩間距200 mm；尾繩型號(hào)35W×7，直徑22 mm，重量2.23 kg/m，2根。

機(jī)房?jī)?nèi)配置一臺(tái)LD型橋式起重機(jī)，Q=10 t,Lk=7.5 m，總功率16.2 W，380 V。罐籠采用動(dòng)態(tài)調(diào)繩，鋼絲繩罐道，6根罐道。井底水窩設(shè)D25- 30×5型排污泵2臺(tái)，1用1備，水泵流量25 m3/h，揚(yáng)程150 m，配套電機(jī)功率22 kW，380 V，將井底積水通過排污泵揚(yáng)至1 220 m水溝，排至井口水倉(cāng)[3]。

2.2 單繩纏繞罐籠井

選用2JTP- 1.6×1.2/20型單繩纏繞提升絞車，卷筒2個(gè)，寬度1.2 m，φ1.6 m，最大靜張力45 kN，最大靜張力差30 kN，減速比20，最大提升速度3.07 m/s[4]，配交流變頻電動(dòng)機(jī)，功率90 kW，734 rpm，380 V，上、下過卷高度為6.4 m、6.7 m。提升鋼絲繩φ22 mm，重量1.89 kg/m，抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，最小破斷力341 kN。提升容器為2 200 mm×1 150 mm單層罐籠帶平衡錘，平衡錘3.67 t，一次提升1輛0.7 m3翻斗式礦車，自重2.3 t。采用鋼絲繩罐道，其中罐籠4根，平衡錘2根，罐道繩φ32 mm，重量5.72 kg/m，抗拉強(qiáng)度1 270 MPa[5]，電梯井工程改造方案如圖2所示。

圖2 1220電梯井改造示意圖

1)絞車硐室

絞車硐室設(shè)在電梯井1 220 m馬頭門對(duì)側(cè)，絞車中心線距井口26 m，硐室為11.5 m×9 m×5 m，安裝1臺(tái)10 t電動(dòng)葫蘆，斜繩道傾角32°9′29″，寬3.5 m，設(shè)單側(cè)人行踏步。

2)配電硐室

配電室布置在1 220 m中段電梯井現(xiàn)有配電室以西，且與新建絞車硐室連通，配電室20 m×5 m，承擔(dān)粉礦提升、1 191 m破碎、1 171 m皮帶裝礦及下部計(jì)量和排水等用電。

3)井底水窩

井底水窩設(shè)50QW15- 35- 4型無堵塞潛水排污泵2臺(tái)，1用1備，水泵流量15 m3/h，揚(yáng)程35 m，配套電機(jī)功率4 kW，380 V，將井底積水排至1 126 m,與新1#井粉礦的水集中后通過接力泵揚(yáng)至1220m水溝，排至井口水倉(cāng)。

4)井筒延伸

為滿足天輪、穩(wěn)繩、罐道繩上部液壓拉緊裝置、過卷高度，及下部固定設(shè)施的需要，井筒上、下部需各延伸15 m，井帽、井底標(biāo)高分別變?yōu)? 238 m，1 108 m。

為解決井底泥漿清理不及時(shí)形成堆積，將重錘托起造成罐道繩松弛的故障、需將原來自下而上依靠重力作用提供拉緊的方式改變自上而下電腦自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力的拉緊方式，把原來的上端固定、下端重錘拉緊的方式改為下端固定、上端液壓監(jiān)測(cè)拉緊的方式，取消了井底重錘，在井架上方安裝液壓動(dòng)力裝置、罐道繩上拉緊裝置和監(jiān)測(cè)裝置。

2.3 兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)

由于粉礦回收井的主要作用承擔(dān)破碎水平、皮帶裝礦水平工作人員上下及1 126 m粉礦回收，而且提升任務(wù)量不大。

2.3.1 多繩摩擦罐籠井的缺點(diǎn)

由于提升容器是由數(shù)根提升鋼絲繩共同懸掛，因而懸掛新繩和更換鋼絲繩的工作量比較大，維護(hù)(調(diào)整，檢驗(yàn)繩)較復(fù)雜，同時(shí)為了保證每根鋼絲繩運(yùn)行中的受力相等地，除了在提升容器上要設(shè)平衡裝置外，對(duì)提升鋼絲繩的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的要求比較高，當(dāng)有一根鋼絲繩需要更換時(shí)，必須將提升鋼絲繩全部同時(shí)更換，且要求換用具有同樣彈性模量、規(guī)格和強(qiáng)度的鋼絲繩 ，以保證在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的鋼絲繩具有相同的伸長(zhǎng)性能[6]。

由于粉礦井井筒淋水較大，再加上破碎礦石產(chǎn)生大量的粉塵及腐蝕性氣體，由于使用了直徑較細(xì)的4根鋼絲繩提升，因而鋼絲繩的外露面積增加了，且繩股中鋼絲直徑也較小，耐腐蝕性能顯著降低，這些因素將對(duì)鋼絲繩的使用壽命產(chǎn)生不利的影響[7]。

多繩摩擦式提升機(jī)是依靠提升鋼絲繩在摩擦輪的襯墊上產(chǎn)生的摩擦力提升的，因而對(duì)襯墊的質(zhì)量要求較高，即需要具有較高的摩擦系數(shù)，以要求具有較高的耐磨性和一定的彈性，為了保證提升鋼絲繩與襯墊之間具有足夠的摩擦系數(shù)，應(yīng)使用特殊的潤(rùn)滑油脂，增加了使用成本。

為了不影響新1#井的正常生產(chǎn)，需新掘φ4 m的豎井，掘進(jìn)工程量2 135 m3,現(xiàn)粉礦電梯井廢棄，造成現(xiàn)有設(shè)施浪費(fèi)，從投資不經(jīng)濟(jì)。

2.3.2 單繩纏繞罐籠井的優(yōu)點(diǎn)

(1)由于粉礦井需每次提升1輛0.7 m3翻斗式礦車，自重2.3 t，井筒深度不超過150 m，重量輕、體積小，單繩單層罐籠完全滿足生產(chǎn)需求。

(2)絞車硐室及配電室可設(shè)電梯井1 220 m馬頭門的對(duì)側(cè)，管理使用方便，只需掘15 m的斜繩道，與天輪硐室貫通，就可滿足絞車的提升需要，對(duì)電梯井筒適當(dāng)延伸，滿足井底水窩排水就可以，利用現(xiàn)井筒提升，基建投資少。

為了縮短工期、減少投資經(jīng)多方比較，決定對(duì)現(xiàn)有的電梯井提升系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造利用。此次改造主要依托原有的電梯井筒進(jìn)行改造，利用破碎、皮帶的供配電設(shè)施進(jìn)行局部?jī)?yōu)化改造，新建卷?yè)P(yáng)硐室采用單繩卷?yè)P(yáng)單層罐籠帶平衡錘提升人員和清理井底粉礦。

3 井筒改造中的難點(diǎn)和解決措施

為了加快工程進(jìn)度，已提前按照施工設(shè)計(jì)完成了1 220 m提升機(jī)硐室、斜繩道、變配電硐室等輔助設(shè)施的掘砌工程，后續(xù)的改造工程編寫專項(xiàng)施工方案，經(jīng)評(píng)審后按施工工藝執(zhí)行。

3.1 改造中的難點(diǎn)

由于井筒改造過程中，新1#井要正常生產(chǎn)，破碎和皮帶裝礦水平的人員上下班及粉礦回收等工作與井筒施工存在交叉作業(yè)，為了將相互影響降低到最小，提前預(yù)控安全風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)把施工工期，為了加快工程進(jìn)度，井筒改造的內(nèi)容按照立井施工工藝組織實(shí)施，為確保順利完成天輪硐室擴(kuò)刷、井筒延伸、馬頭門基礎(chǔ)及配套硐室和井筒裝備拆裝等，需提前部署，嚴(yán)格按工序施工，施工流程工藝如圖3所示。

圖3 電梯井改造工藝流程

3.2解決措施

3.2.1措施工程

1)風(fēng)水管及輸料管

由于井筒和各水平馬頭門工作空間的限制，馬頭門和井筒延伸的噴漿作業(yè)均放置在1 220 m井口，噴漿料通過輸料管輸送到工作面進(jìn)行噴漿。風(fēng)水管從1 220 m水平主供風(fēng)、供水管路上接出，風(fēng)管和輸料管采用φ57 mm、水管用φ32 mm的無縫鋼管，分別布置在原井筒鋼梁上，單節(jié)長(zhǎng)4 m, 接頭焊接法蘭、用φ12 mm螺栓緊固，使用U型卡子固定于梯子間鋼梁上，每道鋼梁上固定一次。

2)溜灰管

井筒延伸及馬頭門混凝土澆筑均在1 220 m井口攪拌，通過溜灰管下料，井底使用自制緩沖器及活漏斗入模板。溜灰管固定工作方式同風(fēng)水管，同時(shí)需在溜灰管兩側(cè)加裝φ15.5 mm保險(xiǎn)繩，利用專用大板卡將溜灰管連同兩側(cè)保險(xiǎn)繩連接為一體，每節(jié)加裝一道直至井底，保險(xiǎn)繩上口并且利用相關(guān)配套繩卡，緊固于1 220 m封口盤鋼梁上。

管路安裝前在井口安裝位置需向下投放好中心線，按照管路直徑在鋼梁上鉆好眼，安裝時(shí)將管路綁扎固定于吊桶外，下放至安裝位置，由梯子間人員將吊桶拉至梯子的一側(cè)，罐籠內(nèi)外人員配合將管道安裝固定。

3)封閉盤和安全防護(hù)盤

為防止井內(nèi)墜物，在施工馬頭門時(shí)需在馬頭門底板以下和頂板以上各2 m處分別安裝封閉盤和防護(hù)盤，封閉盤主梁采用掏梁窩埋入井壁的方法、安全防護(hù)盤采取用牛腿支架安裝，盤面均鋪設(shè)鋼板封閉。其中天輪硐室、1 220 m馬頭門施工和吊盤安裝期間各需拆、裝一次封閉盤；1 191 m、1 171 m、1 126 m馬頭門施工期間各需安裝、拆除一次封閉盤和防護(hù)盤。

4)通風(fēng)

改造期間風(fēng)流線路為：①新1#井新鮮風(fēng)流→②1 126 m粉礦回收道、1 171 m水平皮帶道→③電梯井→④1 220 m水平車場(chǎng)→⑤1 220 m水平主運(yùn)輸回風(fēng)巷。因此在封閉盤和防腐護(hù)盤預(yù)留通風(fēng)口，井筒下掘時(shí)，在1 126 m水平粉礦回收道內(nèi)安裝一臺(tái)FD-1No.5 /2×5.5 kW對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)向工作面壓風(fēng)，φ500 mm膠質(zhì)風(fēng)筒用φ15.5 mm鋼絲繩懸吊在1 126 m水平井筒鋼梁上，污風(fēng)通過風(fēng)筒上回至1 220 m水平進(jìn)入主回風(fēng)系統(tǒng)；馬頭門施工時(shí)可利用自然風(fēng)流通風(fēng)。

5)提升系統(tǒng)

在井筒延伸結(jié)束后，為保證井筒施工安全，需將2臺(tái)5T吊盤穩(wěn)車安裝于斜繩道底部起坡處,考慮臨時(shí)提升卷?yè)P(yáng)出繩方位與吊盤車出繩方位為兩個(gè)方向，故在天輪硐室澆筑砼期間在現(xiàn)有提升天輪上方需預(yù)埋2根I40a的吊盤天輪主梁，以便于后期安裝吊盤的提升天輪。

3.2.2 施工工藝

1)天輪硐室及馬頭門

天輪硐室及馬頭門擴(kuò)刷采用加密孔、少裝藥、松動(dòng)爆破、風(fēng)鎬刷大的方式進(jìn)行，施工順序?yàn)橄软敽髱停扔谜ㄋ帉⒒炷疗崎_后，再采用風(fēng)鎬擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)斷面，若刷大后圍巖不穩(wěn)定，在素噴封閉圍巖的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次錨網(wǎng)噴支護(hù)。馬頭門及硐室采用全斷面成型法施工，隨掘隨噴錨網(wǎng)支護(hù)，等擴(kuò)刷成型后再進(jìn)行澆筑砼施工，最后進(jìn)行搖臺(tái)坑的開挖和澆筑。

2)井筒延伸

采用鉆爆法短掘短支對(duì)井筒延伸，每次掘進(jìn)1 m，由上至下施工至井底后，再?gòu)南轮辽线M(jìn)行一個(gè)整體結(jié)構(gòu)澆筑，澆筑時(shí)需按照設(shè)計(jì)不同位置做好井底穩(wěn)繩拉緊梁和罐籠防撞梁的安裝預(yù)埋。

掘進(jìn)過程中，操作人員首先在工作面上鉆孔、裝藥、連線，施工人員全部升井后，由爆破員在1 220 m井口合閘爆破。通風(fēng)30 min后，由班組長(zhǎng)和爆破工組成的檢查小組先下去檢查，確認(rèn)工作面無隱患后，方可進(jìn)行下道工序，待矸石出夠到足以完成一個(gè)掘支周期后，進(jìn)行單層噴錨網(wǎng)噴支護(hù)。

井筒掘進(jìn)到底后，在井壁進(jìn)行澆筑砼施工期間，需利用井壁碹股搭設(shè)腳手架并兼做井筒澆筑工作期間的作業(yè)管理平臺(tái)，腳手架工程搭設(shè)層高1.5 m，與模板碹股同步安裝，井字形固定于碹股以內(nèi)。腳手架立柱和橫撐分別采用φ108 mm、φ89 mm無縫鋼管，安裝時(shí)先將四面橫撐兩頭固定在槽鋼碹股上，在對(duì)應(yīng)的橫撐兩頭I20a鋼碹股上割出2個(gè)φ18 mm的螺紋穿插孔，將螺紋鋼銷子依次穿入碹股及橫梁將其固定為一體，平臺(tái)的立柱安裝時(shí)必須貼緊橫梁且要與橫梁連接牢固，立柱之間的接頭采用焊接法固定、橫梁與立柱交錯(cuò)部位采用專用卡子緊固為一體。腳手架安裝完成后，在每層橫梁上滿鋪δ50 mm×200 mm×3000 mm木板形成作業(yè)平臺(tái)，從下至上進(jìn)行混凝土整體澆筑。

3)封閉盤安裝拆除

施工前，在各水平馬頭門搖臺(tái)坑底板位置安裝新的封閉盤，施工管理步驟：在井筒內(nèi)原有鋼梁上利用δ50 mm×200 mm×3 000 mm木板滿鋪的作業(yè)平臺(tái)，然后在井壁上標(biāo)出新裝鋼梁的安裝不同位置并掏梁窩，依次下放新裝封閉盤鋼梁并逐件組裝和灌注梁窩混凝土，最后鋪設(shè)鋼板形成封閉盤；拆除封閉盤時(shí)，先拆除盤面鋼板，再分解鋼梁并升井。

4)設(shè)施拆卸與安裝

(1)原鋼梁拆除。

豎井澆筑結(jié)束后，利用井底的拉緊梁和罐籠防撞梁，安裝臨時(shí)工作平臺(tái)組裝吊盤，井筒模板及腳手架拆除后慢速上提吊盤，同時(shí)對(duì)井筒原有梯子間及鋼梁、風(fēng)水管和溜灰管拆除。操作人員應(yīng)站在吊盤上作業(yè)，除手頭工具外，吊盤上不得存放任何物品，拆卸的所有部件，拆除一件、需上提一件，直至下一個(gè)馬頭門底部位置以下2 m停止拆卸，等馬頭門完工后再進(jìn)行下一階段的拆卸工作，直至1 220 m井口為止。

(2)新設(shè)施安裝。

安裝應(yīng)自上而下，安裝前需將吊盤提至井口封口盤下方，對(duì)吊盤進(jìn)行改造，拆除上下盤喇叭口并用δ50 mm木板密封，安裝人員站在上、下盤，可以進(jìn)行平行作業(yè)，即在下層盤鉆安裝孔，安裝牛腿，在上層盤安裝主副梁、梯子和隔網(wǎng)。

在進(jìn)行上井口第一層平臺(tái)安裝前，首先對(duì)原封口盤進(jìn)行拆除，再進(jìn)行第一層平臺(tái)安裝，并利用第一層平臺(tái)進(jìn)行一個(gè)臨時(shí)封閉，第一層平臺(tái)安裝結(jié)束后，在主梁兩端安裝好大線及長(zhǎng)鋼尺，并按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行整個(gè)井筒的安裝。

4 結(jié)論

廢舊井筒的改造在礦山開發(fā)利用中的屬于高難度建設(shè)工程，設(shè)備投入較多、交叉作業(yè)，井筒提絞設(shè)施安裝難度大，危險(xiǎn)性高，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中優(yōu)化了提升機(jī)液壓制動(dòng)站，加強(qiáng)了液壓制動(dòng)系統(tǒng)的冗余安全保護(hù)能力，應(yīng)用新型繩罐道固定張緊裝置，實(shí)現(xiàn)了罐道繩在線檢測(cè)，一鍵張力調(diào)控。

改造后的豎井提升系統(tǒng)，可將1 220 m、1 191 m、1 171 m、1 126 m四個(gè)生產(chǎn)水平相互聯(lián)通，清理的粉礦經(jīng)1 126 m中段運(yùn)輸至井口通過罐籠提升至1 191 m破碎站成品礦倉(cāng)，再由主井提升至地表。

實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互和遠(yuǎn)程集中控制，為新1#井的破碎、粉礦回收提供了安全保障，與新建罐籠豎井相比節(jié)約了投資，縮短了建設(shè)時(shí)間，對(duì)礦山改造低投入高回報(bào)做了有效的嘗試，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和推廣性。