某鈾礦山主豎井井筒裝備設計

施林峰，呂繼民，韓建輝

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

煤炭、冶金礦山產(chǎn)能大，主豎井一般作為主提升井，專司礦石提升；副井作為人員、材料設備提升井，主、副豎井互不干擾。而硬巖鈾礦山相對規(guī)模較小，提升量不大，多采用主副豎井合一的罐籠井，配人行梯子間，井筒直徑一般為4.5～6.0 m。這就導致鈾礦山井筒斷面布置十分緊湊，井筒裝備復雜，設計難度較大。

硬巖鈾礦山開拓系統(tǒng)通常為多中段開采模式，中段高40～50 m，豎井中段馬頭門較多，井筒裝備設計的合理與否直接影響井筒提升裝備的安裝及正常運行，影響管路的安裝、正常使用與檢修，也影響礦井的安全逃生[1]166。另外，在鈾礦山建設中主豎井投資占比較大，井筒斷面布置直接影響井筒直徑，從而影響投資。因此，井筒裝備設計在鈾礦山設計中至關重要。

針對鈾礦山豎井主副合一、井筒裝備復雜、井筒斷面布置獨特的特點，以某鈾礦山主豎井為例，在對鈾礦山主豎井井筒裝備設計方法、設計過程分析的基礎上，進一步優(yōu)化井筒斷面布置方法，以供同類型豎井工程參考。

1 某鈾礦山豎井概況

某南方硬巖鈾礦山的主豎井作為礦山主提升豎井，用于提升礦石、廢石、材料、設備、升降人員、通風和布置供排水管路、通信、高低壓電纜等，同時兼作入風井，服務年限20年。豎井井口標高877.3 m，井底標高412 m，井筒深465.3 m(含井底水窩28 m)。豎井從上到下劃分800、760、720、680、640、600、560、520、480、440 m共10個中段，各中段均為單面馬頭門。

作為提升井和安全逃生通道，按照礦山提升能力要求，井筒內(nèi)需布置梯子間、罐籠(規(guī)格：2 500 mm×1 450 mm)、平衡錘(規(guī)格：1 400 mm×580 mm)，還需鋪設排水管、供水管、供水施救系統(tǒng)供水管、壓風自救系統(tǒng)壓風管，以及高、低壓電纜、信號電纜等。采用落地式多繩摩擦輪提升，井口設鋼井架。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，巖體基本質(zhì)量分級：豎井自上而下各圍巖類別分別確定為Ⅴ、Ⅳ、Ⅱ級，0～6 m為破碎軟巖；6～32 m為中風化麻狀花崗巖，巖體基本質(zhì)量指標(BQ)[2]8=273；32～466 m為微風化片麻狀花崗巖，BQ=457。水文地質(zhì)條件復雜，地下水類型為構(gòu)造裂隙水，全井穿越4個充水破碎裂隙帶，最大涌水量41 m3/h。

該豎井是鈾礦山比較典型的豎井，具有鈾礦山豎井單罐籠、平衡錘提升，主副豎井合一，井筒斷面較小的特點，緊鄰井壁的空間較小但同樣要布置梯子間、風水管路、電纜。因此只有盡可能采取斷面布置優(yōu)化措施，才可在較小的斷面中合理布置諸多設施。

2 影響井筒斷面布置的主要因素

影響豎井井筒斷面布置的因素主要有罐籠平衡錘尺寸、罐道形式、梯子間布置、風水管路和風量。

2.1 罐籠平面尺寸確定

罐籠尺寸的大小直接影響井筒斷面的布置，一般根據(jù)礦車規(guī)格初步確定罐籠平面尺寸，再依據(jù)下井大件尺寸校核。根據(jù)提升量合理確定礦車大小，進而選擇合適的罐籠型號。常見罐籠有單層單車、單層雙車、雙層單車、雙層雙車幾種形式，主要根據(jù)年提升能力確定。單層雙車，罐籠所占面積較大，會導致井筒直徑增大；雙層單車，罐籠所占面積小，但運行過程中需要二次對罐。

鈾礦山主豎井通常也作為入風井使用，井筒斷面也需滿足通風要求。鈾礦山目前開采深度相對較淺，多數(shù)礦山未超過600 m；豎井向深部延深的可能性極大，若豎井斷面初期布置過于緊湊將不利于未來延深。對于舊井筒改造，因井筒或地面井架、井塔已經(jīng)形成，容納不下更大的罐籠，可采用雙層或多層罐籠提高提升能力，以適應現(xiàn)存設施的結(jié)構(gòu)要求。

提升容器斷面尺寸與井筒斷面尺寸密切相關，井筒直徑應滿足容器長度、寬度要求，并考慮目前施工條件下可能的井筒直徑，在保證安全規(guī)程要求的安全間隙條件下，合理布置井筒斷面，使礦井投資、建設工期、容器結(jié)構(gòu)合理性有機統(tǒng)一[3]47。

2.2 罐道形式選擇

罐道通常分柔性罐道和剛性罐道。柔性罐道常指用密封鋼絲繩做罐道，罐籠上的罐耳沿鋼絲繩罐道滑行；剛性罐道種類較多，其中冷彎方鋼罐道因其具有正面和側(cè)面截面系數(shù)相等、受力性能好、服務年限較長、罐籠上安裝滾輪罐耳行走時摩擦力較小等優(yōu)點，而被廣泛應用。設計采用剛性罐道時一般采用冷彎方鋼罐道。

2種罐道布置形式以及相應的安全間隙要求見表1。在井筒斷面布置中影響較大的是容器與井壁之間的距離，鋼罐道和鋼絲繩罐道的容器與井壁之間的最小距離分別為150 mm和350 mm，從縮小井筒直徑的角度考慮，鋼罐道占優(yōu)；但這2種罐道在其他方面各有優(yōu)缺點，在設計中需對2種罐道形式下的井筒裝備進行經(jīng)濟技術比較，綜合工期、造價等因素確定。

表1 容器之間以及容器和井壁、罐道梁、井梁之間的最小間隙[4]24Table 1 Minimum clearance between vessels, vessels and shaft wall, tank way beam and shaft beam

2.3 梯子間布置

梯子間的布置形式一般有一字長條式和并列式2種。一字長條式梯子間最小寬度600 mm，并列式梯子間最小寬度1 200 mm，長度方向均包括2個梯子長度的水平投影和不小于300 mm的休息平臺。當罐籠較長時，可采用并列式梯子間，以擴大管道間的空間，便于檢修和通風；當罐籠較短時，可采用一字長條式梯子間，這樣可避免因梯子間過寬而導致井筒直徑增大。常用的梯子層間距有5 m和4 m，4 m層間距便于在較小的井筒空間中布置；5 m層間距有利于發(fā)揮井筒空間較大的優(yōu)勢，節(jié)省裝備量。

部分大型礦山可考慮取消梯子間，采用布置2套提升系統(tǒng)的方式，該方式的優(yōu)點是提升能力大，互不干擾；缺點是系統(tǒng)復雜，投資費用高[5]158。需要根據(jù)產(chǎn)能綜合考慮，硬巖鈾礦山一般產(chǎn)能不大，1套提升系統(tǒng)能夠滿足需求。

2.4 風水管路布置

平面布置管路時，需考慮各種管路進出馬頭門、管子道的方位和適當?shù)臋z修空間，并使管路位置盡量緊湊，較粗的排水管固定于空間較大的罐道梁上，較小的供水管固定于空間相對狹窄的梯子梁上，以達到節(jié)省井筒斷面的目的。

3 井筒裝備設計

鈾礦山豎井井筒裝備主要包括罐道、罐道梁、管支座、擋罐梁、梯子間、各種管路及電纜設施等。以南方硬巖鈾礦山的主豎井為例，進行井筒裝備設計。

3.1 井筒斷面布置的技術要求

3.1.1 井筒斷面布置基本原則

井筒斷面布置基本原則：1)提升容器(罐籠)與井壁或井梁的安全間隙應滿足相關規(guī)程、規(guī)范的要求(表1)。除考慮提升容器的布置外，還應使梯子間、管道間在滿足使用功能的同時盡量布置緊湊。2)由于該鈾礦山產(chǎn)能不大，主豎井確定采用罐籠提升，當采用鋼絲繩罐道時，提升容器與井壁或井梁之間不小于350 mm；采用鋼罐道時，提升容器與井壁或井梁之間不小于150 mm。3)根據(jù)豎井深度和經(jīng)濟技術對比選擇罐道形式，井筒斷面布置應考慮罐道形式要求。4)當豎井作為入風井時，應滿足風量的要求。

3.1.2 井筒區(qū)間設置要求

井筒各區(qū)間設置要求：1)井筒斷面劃分為提升間、管道間、梯子間；2)提升間內(nèi)不宜布置管道、電纜；3)管道間的布置應和地表管路進出方位、井下管子道、供水、排水管去向一致。

豎井內(nèi)梯子間布置要求[6]1511：1)安裝梯子的傾角不應大于80°；2)相鄰平臺的梯子孔應錯開；3)梯子的寬度不應小于400 mm；4)平臺梯子孔左右不小于600 mm，前后不小于700 mm。

3.1.3 其他井筒裝備設置要求

其他井筒裝備設置要求：1)罐道梁可采用簡支梁、懸臂梁的布置形式。采用懸臂梁時，其懸臂長度不宜超過0.6 m。鋼罐道梁的層間距宜為4.0～6.0 m[7]23。2)井筒中管路支承大梁和次梁、馬頭門梁、井底裝礦點鋼梁、楔形罐道擋梁、擋罐粱、設備安裝和檢修起吊梁等，應采用梁窩埋入式固定；鋼梁埋入井壁的深度不應小于井壁厚度的2/3，且不應小于梁的高度。其余受力不大的小梁可采用錨桿托架方式固定。3)梯子間與提升間之間應設置安全隔網(wǎng)。4)豎井井筒裝備應根據(jù)環(huán)境條件、服務年限等設計防腐。

設計中應充分考慮技術要求，在滿足基本技術要求的前提下，進行設計選型及斷面優(yōu)化，達到安全性和經(jīng)濟性的有機統(tǒng)一。

3.2 罐道形式的選擇

罐道形式的選擇直接影響井筒直徑的大小。在同等條件下，鋼絲繩罐道的安全間隙要大于鋼罐道，2種罐道形式的優(yōu)缺點見表2。

表2 鋼絲繩罐道和冷彎方鋼罐道優(yōu)缺點對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of steel wire rope tank track and cold-formed square steel tank track

根據(jù)表2，并結(jié)合該鈾礦實際情況分析：1)由于該豎井深465.3 m，根據(jù)礦山運行經(jīng)驗，當井筒深度超過400 m時，用于提升人員和材料的井筒采用鋼罐道較為安全適宜；2)該鈾礦山生產(chǎn)中段多達10個，鋼絲繩罐道運行時各中段需另設穩(wěn)罐裝置，對提升速度影響較大；3)鋼絲繩罐道安全間隙大，導致井筒斷面增大，掘砌工程量增加。因此本豎井罐道形式采用冷彎方鋼罐道，罐道布置在罐籠兩側(cè)。

由于該鈾礦山年提升能力不大，確定罐籠形式為單層單車，將罐籠布置于井筒中心。罐籠中心與平衡錘中心線距離與提升機滾筒繩間距相關，設計中加設導向輪，將繩間距從1 850 mm縮小為1 650 mm，從而縮小井筒直徑。

3.3 梯子間設計

通常主副合一豎井的井筒斷面布置是罐籠居中，平衡錘和梯子分列兩側(cè)。該豎井罐籠為單層單車，罐籠規(guī)格2 500 mm×1 450 mm，采用一字長條式梯子間可避免井筒直徑過大問題。因此，設計一字長條式梯子間對稱井筒中心線布置，梯子間與提升間采用安全網(wǎng)隔離。

由于梯子傾角不得超過80°，5 m層間距梯子水平投影約為880 mm；4 m層間距梯子水平投影約為720 mm，對縮小井筒斷面較為有利，因此選擇梯子層間距采用4 m。梯子層間距與罐道梁層間距一致。

近幾年拉擠型玻璃鋼梯子間被廣泛應用于礦山豎井井筒裝備，拉擠玻璃鋼梯子間與鋼制梯子間相比，機械強度高、安裝方便、施工工期短、使用壽命長(2～3倍壽命)。雖然拉擠玻璃鋼梯子間初期投資稍高；但年維護費用低，而且梯子間耐腐蝕，可避免短期內(nèi)中途更換，從而避免停產(chǎn)損失。從地下礦山生產(chǎn)需求[8]105考慮，推薦采用拉擠型玻璃鋼復合材料。

3.4 管路、電纜線路布置設計

根據(jù)礦山生產(chǎn)需要，該豎井內(nèi)需要鋪設2根φ273 mm排水管，1根φ108 mm供水管、1根φ57 mm供水施救系統(tǒng)供水管、1根φ76 mm壓風自救系統(tǒng)壓風管，以及高、低壓電纜、信號電纜。管路布置主要考慮安裝、檢修及更換方便，適當集中布置，兼顧增設管路的余地，優(yōu)先在梯子梁上采用U型卡固定管路。為檢修方便，主要管路、電纜布置在梯子間兩側(cè)，高壓電纜布置在平衡錘一側(cè)。在豎向上，考慮管道重力和水錘作用，水管每隔100～150 m需加設直管支座，水倉管子道處加設彎管支座，由于支座所占面積較大，同層布置嚴重影響空間布局，因此優(yōu)化為錯層布設。

由于梯子間兩側(cè)管子空間有限，若兩根φ273 mm排水管布置在該處，勢必會大幅加大井筒直徑。綜合分析該豎井井下各中段均為單面馬頭門，礦車進出均在一側(cè)，罐籠為單車罐籠，長度較小，設計中可以對罐籠一側(cè)空間加以利用。在保證安全間隙的前提下，井筒裝備中增設排水管專用固定梁，將排水管設置在罐籠一側(cè)，達到了縮小井筒斷面，節(jié)約投資的效果。

3.5 其他井筒裝備

其他井筒裝備有托架和錨桿等。井筒裝備中罐道梁、管路梁、梯子梁采用托架固定，支管支座梁、彎管支座梁、擋罐梁等受力較大梁采用梁窩固定。托架采用厚15 mm鋼板制作，托板貼緊井壁。鋼梁和托架的聯(lián)接處設計成十字交叉的長孔，以便于安裝，保證安裝精度。各類利用托架支承的梁采用樹脂錨桿固定，錨桿直徑27 mm，長450 mm。

井筒主要鋼梁采用刷漆防腐，構(gòu)件表面除銹應達到Sa2.5級[9]6，底漆為氯化橡膠富鋅底漆，面漆為氯化橡膠涂料；梯子間采用玻璃鋼防腐。

井筒梯子間內(nèi)的柵欄、平臺板、梯子及梯子梁、托架和托、掛鉤，已經(jīng)實現(xiàn)了玻璃鋼系列化[10]73。關于罐道、罐道梁防腐也在嘗試采用環(huán)氧樹脂涂層或聚脲涂層防腐，防腐壽命高于常規(guī)刷漆防腐，施工簡單，可以考慮使用。

3.6 罐道和主要受力梁選擇及力學驗算

3.6.1 罐道的選擇與驗算

確定罐道形式為冷彎方鋼罐道，選擇罐道型號為180 mm×180 mm×10 mm。為保證罐道在罐籠運行的沖擊下不至于損壞，并將罐道撓度控制在允許范圍內(nèi)以防罐耳脫軌，需對罐道進行驗算。

3.6.1.1 罐道受力荷載計算

作用在罐道上的荷載主要包括自重(靜荷載)以及提升容器傳來的運行荷載和斷繩制動荷載。

在設計中，荷載采用經(jīng)驗公式計算法[11]24，根據(jù)原聯(lián)邦德國《豎井與斜井裝備的技術規(guī)程》規(guī)定有關水平力簡化公式計算。

Px=0.8Py=5.65 kN，

Pv=0.25Py=1.77 kN，

式中：Q—最大提升終端荷載，取55 kN；γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；γQ—活荷載分項系數(shù)，取1.4；Px—側(cè)面水平力，kN；Py—對罐籠與罐道梁正面水平力，kN；Pv—垂直力，kN。

3.6.1.2 罐道強度、剛度驗算

罐道按兩端簡支模型計算：

強度、剛度驗算：

式中：My—最大正向彎矩，kN·m；Mx—最大側(cè)向彎矩，kN·m；Py—對罐籠與罐道梁正面水平力，kN；Px—側(cè)面水平力，kN；L0—罐道梁層間距，設計取4.0 m；Wx、Wy—冷彎方鋼截面模數(shù)，取360 cm3；[σ]—材料抗彎強度設計值，215 N/mm2；E—彈性模量，取206×103N/mm2；Iy—慣性矩，取3 240 cm4；f—撓度，mm。

計算得出撓度f=1.41 mm，符合f

3.6.2 管支座梁驗算

設計選擇管支座(彎管支座)主梁為工字鋼I50b，次梁I28 b；選擇擋罐梁主梁為工字鋼I50b，次梁I45b。排水管選用φ273 mm×9 mm，每米管道質(zhì)量59.94 kg，管支座處至井口的水柱高222 m，彎管支座距上層直管支座178 m。對彎管支座梁進行驗算。

3.6.2.1 受力荷載計算

該豎井井筒裝備設計中，管卡只起導向作用，管支座梁主要承受管子以及其附件自重和水錘作用。根據(jù)《采礦設計手冊》中的計算公式進行計算。

P0=ρ×H=2 220 kN/m2，

ΔP=ρ×C×v=2 185 kN/m2，

S=πr2=0.051 m2，

P=γ0γG(Pa+Pb)+γ0γQkS(P0+ΔP)，

式中：P0—支座處管內(nèi)靜水壓力，kN/m2；ρ—水的重力密度，取10 kN/m3；ΔP—水錘壓力增值，kN/m2；C—水錘波速，取1 150 m/s；V—排水管正常工作時水的流速，取2.0 m/s；v—產(chǎn)生水錘時管內(nèi)反沖流速，v=0.95V=1.9 m/s；S—排水管凈截面積，m2；P—作用在梁上的設計荷載，kN；Pa—管子自重，取104.56 kN；Pb—法蘭等附件重，取4 kN；γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；γG—永久荷載分項系數(shù)，取1.2；γQ—活荷載分項系數(shù)，取1.4；k—水錘動力傳遞系數(shù)，取0.63。計算得出P=361.26 kN。

3.6.2.2 管支座梁強度驗算

主梁驗算按簡支梁受2個次梁傳遞集中力作用模型驗算：

M=p(2a+b)c/L=357.96 kN·m；

強度驗算：

式中：集中力p=P/2=180.63 kN，主梁長度L=4.447 m，被集中力2個p作用后三段主梁長度分別為a=1.671 m，b=0.455 m，c=2.321 m；M—最大彎矩，kN/m2；Wx—主梁工字鋼I50b的截面模數(shù)，取1 940 cm3；E—彈性模量，取206×103N/mm2；I—慣性矩，取3 240 cm4；f—撓度，mm。

同理進行次梁驗算，次梁強度、撓度滿足要求。

3.6.3 擋罐梁驗算

擋罐梁主要受事故過卷荷載作用，設計中過卷事故荷載N=215.6 kN，主、次梁均按簡支梁受集中力作用，經(jīng)次梁傳導作用于主梁上的2個集中力N1=N2=N/4=53.9 kN，主梁長度L1=5.179 m，受力3段分別為a1=1.582 m，b1=2.015 m，c1=1.582 m。

最大彎矩驗算：

M1=γ0γQN1(2a1+b1)c1/L1=131.3 kN·m；

強度驗算：

撓度驗算：

主梁驗算滿足要求。次梁驗算滿足要求。

3.7 井筒斷面直徑的確定

井筒斷面直徑的確定方法有解析法與圖解法，解析法計算較繁瑣，一般采用圖解法直接求得井筒直徑。

采用圖解法確定井筒直徑步驟：1)根據(jù)已定罐籠、平衡錘型號，繪制罐籠、平衡錘的最大外型尺寸，并確定罐籠與平衡錘的中心線距離，兩者的中心線距離等于提升機的卷筒直徑或經(jīng)天輪導向后卷筒兩邊提升繩的距離(d=1 650 mm)；2)罐道計算，確定罐道型號、位置，罐道與罐道滑動槽的間隙應符合罐籠制造廠家的要求(罐道型號180 mm×180 mm×10 mm)；3)罐道梁計算，確定罐道梁型號、位置，再確定罐道梁托架位置，托架與罐籠之間的安全間隙應不小于150 mm(罐道梁型號200 mm×120 mm×10 mm)；4)繪制梯子間平面投影，梯子間布置于罐籠一側(cè)(梯子層間距4 m，投影長720 mm)；5)做上述構(gòu)件的外接圓，圓心即為井筒中心，直徑可按100 mm的模數(shù)進級，如4 430 mm可進級為4 500 mm，由此初步確定井筒凈斷面直徑為4 500 mm；6)井筒兼做進風井時，需校核風速，若井筒斷面不滿足風量要求，須按100 mm的模數(shù)進級直到滿足風量要求為止(最大風量48 m3/s)；7)布置風水管路，復核井筒布置。圖解法井筒斷面布置方法如圖1所示。

圖1 井筒斷面布置方法示意圖Fig. 1 Schematic diagram of shaft section layout method

經(jīng)過罐道、罐道梁及主要受力梁選型驗算，結(jié)合井筒裝備設計，圖解法確定井筒直徑，最終確定的主豎井井筒斷面布置如圖2所示。

圖2 主豎井井筒斷面布置圖Fig. 2 Sectional layout of main shaft

3.8 井筒裝備優(yōu)化措施

本次設計采取的優(yōu)化措施：1)采用冷彎方鋼罐道，縮小井筒斷面，節(jié)省掘進工程量，提高罐籠平穩(wěn)運行性能；2)設置導向輪，將繩間距從1 850 mm縮小為1 650 mm，縮小井筒直徑；3)采用一字型梯子間布局，4 m層間距，壓縮了井筒斷面；4)采用玻璃鋼防腐，提高了井筒裝備防腐性能；5)利用提升系統(tǒng)單向出車的特點，在罐籠另一側(cè)加設排水管梁，解決排水管過大導致增大井筒直徑的問題。

通過設計優(yōu)化，主豎井井筒凈直徑僅為4.5 m，4.5 m的井筒凈直徑也是近十幾年來新建鈾礦山主豎井采用的最小直徑。目前該豎井已經(jīng)順利建成。

4 結(jié)論

通過對某鈾礦山主豎井井筒裝備設計的分析，得到井筒斷面布置的主要設計流程：先根據(jù)豎井開拓深度、工程水文地質(zhì)條件、提升能力、礦車大小等確定罐籠和平衡錘尺寸，綜合比選確定罐道形式；然后根據(jù)罐道布置形式，選擇驗算罐道、罐道梁型號；接著確定罐籠平衡錘中心距、布置梯子間、風水管路和電纜，采用圖解法確定井筒斷面直徑、校核風速(必要時按100 mm的模數(shù)進級)，最終得出完整的井筒斷面布置。在井筒裝備設計中還需針對鈾礦山運行實際情況進行分析，采取優(yōu)化措施，以達到技術安全可行、投資經(jīng)濟合理的目的。