2 000 m大直徑超深豎井新型鑿巖提升懸吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙興東，武 桐，李文光，鄧堯增

（1.東北大學(xué) 深部金屬礦采動(dòng)安全實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819；2.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州 261400）

深部礦產(chǎn)資源開發(fā)逐漸發(fā)展成為世界采礦工業(yè)的重要組成和發(fā)展的必然趨勢。為開采深部礦體，常采用深豎井開拓。當(dāng)前深豎井掘進(jìn)主要以鉆爆法為主，在深豎井開鑿過程主要采用懸吊系統(tǒng)作為鉆爆工作平臺，運(yùn)輸提升矸石，懸吊溜灰、通風(fēng)、供水、供電等輔助系統(tǒng)，發(fā)揮著重要作用。與1 000 m以淺豎井建造相比，2 000 m深豎井施工提升懸吊系統(tǒng)存在的主要技術(shù)問題有：提升設(shè)備大型化、荷載重，懸吊設(shè)備數(shù)量多，鋼絲繩直徑增大造成鋼絲繩自重顯著增加，導(dǎo)致鑿井井架負(fù)荷大；吊盤升降時(shí)與穩(wěn)車同步性難以保證；吊桶擺動(dòng)幅度大，易碰撞吊盤、井壁；同時(shí)豎井深部地壓大（≥50 MPa）、溫度高（≥40℃）、水頭壓力大（≥9 MPa）、強(qiáng)腐蝕，對鑿井設(shè)備安全可靠性要求高［1-3］。本文針對三山島金礦2 000 m深豎井鑿井提升懸吊系統(tǒng)，結(jié)合礦山生產(chǎn)能力和工程技術(shù)條件，進(jìn)行合理選型布置，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，滿足安全生產(chǎn)需要。

1 工程概況

三山島西嶺金礦隸屬于山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司，已探明黃金儲量550 t以上，其2 000 m深豎井位于礦區(qū)工業(yè)場地內(nèi)，井筒中心坐標(biāo)X＝41 988.115，Y＝95 375.889。井 筒 凈 直 徑10.5 m，掘進(jìn)斷面直徑11.5 m，井口標(biāo)高＋15 m，井底標(biāo)高－1 990 m，井筒深度2 005 m。井頸段17 m，采用900 m厚雙層鋼筋混凝土支護(hù)，井筒正常地層段采用500 mm厚C30／C40素混凝土支護(hù)，不良巖層段采用錨桿、金屬網(wǎng)加C40鋼筋混凝土支護(hù)，厚度500 mm。

2 提升懸吊設(shè)備選型

2.1 井架

由于井筒深度達(dá)到2 000 m，屬于超深豎井，施工時(shí)懸吊荷載及沖擊荷載較大，需要求井架的承載能力大于700 t；井筒凈直徑為10.5 m，考慮到設(shè)備、材料運(yùn)輸，吊盤懸吊、鎖口盤安裝及鑿井設(shè)備和懸吊天輪均能布置在天輪平臺上，天輪平臺的有效布置面積應(yīng)達(dá)到8.5 m×8.5 m［4］；為避免提升時(shí)滑架與天輪平臺相撞或發(fā)生跑車事故，吊桶提升的過卷高度不小于10 m。最終選用ⅤⅡ型鑿井井架（圖1），井架參數(shù)見表1［5］。經(jīng)過使用和現(xiàn)場實(shí)測，ⅤⅡ型鑿井井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、強(qiáng)度高、空間穩(wěn)定性好，滿足超深豎井的提升要求。

圖1 ⅤⅡ型鑿井井架Fig.1 ⅤⅡtype sinking headframe

表1 ⅤⅡ型鑿井井架規(guī)格及參數(shù)Table 1 Specifications and parameters ofⅤⅡtype sinking headframe

2.2 提升機(jī)

為滿足超深豎井提升要求配備專用鑿井提升機(jī)，布置1臺JKZ-5.5×3／27作為主提升機(jī)（見圖2左），電機(jī)功率2 800 k W，卷筒直徑5.5 m，用于廢石、混凝土及大型設(shè)備提升；布置2臺JKZ-5.0×3／20作為副提升機(jī)（見圖2右），電機(jī)功率1 250 k W，卷筒直徑5.0 m，用于人員上下、炸藥、排水等輔助提升。鑿井提升機(jī)參數(shù)見表2。

表2 主、副提升機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of main and auxiliary hoists

圖2 主、副提升機(jī)Fig.2 Main and auxiliary hoists

2.3 吊桶

吊桶作為豎井井筒開鑿期間提升矸石的主要容器，是全部鑿井設(shè)備的核心，選擇吊桶時(shí)需要考慮井筒斷面尺寸及抓巖機(jī)生產(chǎn)率。吊桶排渣容積計(jì)算如式（1）［2］：

式中：V T—吊桶排渣容積，m3；T—吊桶提升一次循環(huán)時(shí)間，考慮井筒深度變化，平均取300 s；A zh—井筒工作面抓巖機(jī)的總生產(chǎn)率，取60 m3；Ct—提升不均勻系數(shù)，取1.25。

計(jì)算得出吊桶排渣容積V T＝6.94 m3。根據(jù)井筒不同標(biāo)高范圍出矸情況選用相應(yīng)吊桶排渣：井筒標(biāo)高－1 460 m以上選擇7 m3吊桶；標(biāo)高范圍在－1 460～－1 850 m時(shí)，更換為5 m3吊桶（見圖3）；標(biāo)高達(dá)到－1 850 m以下時(shí)，將5 m3吊桶更換為4 m3吊桶。

圖3 5 m3座鉤式吊桶Fig.3 5 m3 seat hook bucket

豎井掘進(jìn)每循環(huán)爆破進(jìn)尺4 m，巖石松散系數(shù)為1.6，每次爆破出矸量為415.28 m3，選用2臺HZ-6B中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)抓巖，使用7 m3吊桶裝6.3 m3矸石，主提升機(jī)雙溝提升，每掘進(jìn)循環(huán)用時(shí)5.83 h。

2.4 提升鋼絲繩

隨著井筒掘進(jìn)深度增加鋼絲繩自重也在增加，導(dǎo)致提升機(jī)提升荷載也在增加，以井筒標(biāo)高－1 460 m以上所用鋼絲繩為例計(jì)算鋼絲繩安全系數(shù)。本豎井選用34×7-60-1860＋FC型進(jìn)口鋼絲繩作為主提升鋼絲繩，所用鋼絲繩懸吊高度2 041 m，單位質(zhì)量約15 kg／m，總質(zhì)量30.411 t，鋼絲繩全部破壞拉力為336.327 t，以下對提升鋼絲繩安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。

在此標(biāo)高范圍內(nèi)，鋼絲繩配18 T鉤頭，質(zhì)量0.289 t，附屬裝置總質(zhì)量0.544 t，掛7 m3矸石吊桶，吊桶質(zhì)量2.349 t。

提升矸石時(shí)，按排出矸石最大質(zhì)量計(jì)算，出渣量為10.071 t；提升人員時(shí)，7 m3吊桶限乘12人，每人按75 kg計(jì)算，人員總質(zhì)量為0.9 t。

綜合上述分析，提升物料時(shí)，鋼絲繩的最大靜張力為Q物＝43.375 t；提升人員時(shí)，鋼絲繩的最大靜張力為

鋼絲繩總破斷拉力為336.327 t，以最大靜張力驗(yàn)算提升鋼絲繩安全系數(shù)。提升物料時(shí)，M物＝336.327／43.375＝7.75；提 升 人 員 時(shí)，M人＝336.327／34.204＝9.83。根據(jù)《GB16423—2020金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，驗(yàn)算結(jié)果均符合規(guī)定。

2.5 鑿井絞車

鑿井絞車用于懸吊吊盤、穩(wěn)繩、抓巖機(jī)、各種管路及電纜等，所選用的鑿井絞車最大靜張力應(yīng)大于或等于鋼絲繩懸吊的終端荷重與鋼絲繩自重之和［6］。根據(jù)井筒懸吊設(shè)備重量、懸吊方式及鋼絲繩數(shù)量，選用20臺JZ型鑿井絞車布置在井口周圍，如圖4所示，絞車最大提升速度8.22 m／min，鋼絲繩額定拉力500 k N，提吊能力強(qiáng)、容繩量大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

圖4 鑿井絞車布置平面圖Fig.4 Layout plan of sinking winches

3 提升系統(tǒng)布置

3.1 天輪平臺布置

天輪平臺的布置主要是將井內(nèi)各懸吊設(shè)備的天輪和天輪支承梁妥善布置在天輪平臺上，通過天輪調(diào)節(jié)鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)方向，充分發(fā)揮鑿井井架的承載能力。天輪平臺尺寸為9 m×9 m，“目”字型結(jié)構(gòu)，主提升采用Φ5 200 mm天輪1套，副提升采用Φ4 500 mm天輪2套，吊盤采用Φ1 500 mm天輪16套，模板采用Φ1 250 mm天輪4套，傘鉆采用Φ1 050 mm天輪2套，安全梯采用Φ650 mm天輪2套，爆炮電纜采用Φ800 mm天輪2套，動(dòng)力電纜采用Φ1 050 mm天輪3套，電纜采用Φ1 050 mm天輪2套，液壓電纜采用Φ1 250 mm天輪2套，中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)采用Φ1 500 mm天輪2套。

3.2 吊盤布置

吊盤作為井筒內(nèi)的主要工作平臺，既是井筒工作面掘砌施工過程中的安全保護(hù)裝置，又是設(shè)備工具安裝、檢修的平臺［7］。在本豎井施工中采用3層吊盤，直徑10 500 mm，安裝有鋼結(jié)構(gòu)附圈，為滿足施工需要，中間盤為活動(dòng)盤，主工作盤間距5 m。由于吊盤盤徑大，荷載分布不均勻，吊盤共設(shè)計(jì)了8個(gè)懸吊點(diǎn)，每個(gè)懸吊點(diǎn)設(shè)置了“人字形結(jié)構(gòu)”各兩個(gè)懸吊吊卡，共計(jì)16個(gè)連接點(diǎn)。下層盤與上層盤各布置了5個(gè)聚氨酯吊盤固定器，更好穩(wěn)固調(diào)平。吊盤懸吊裝置均勻布置在橫向的四根工字鋼鋼梁上，并上下左右對稱布置，實(shí)現(xiàn)了吊盤受力的均衡性。工作平臺上布置有抓巖機(jī)、混凝土輸送管、壓風(fēng)管、吊泵、安全梯及各種電纜等，其中信號電纜隨吊盤懸吊繩懸掛，其他設(shè)備有專門懸吊繩懸掛。吊盤平面布置見圖5。

圖5 吊盤布置平面圖Fig.5 Layout plan of hanging scaffold

4 提升懸吊系統(tǒng)

為排除井筒工作面矸石、下放材料設(shè)備及升降工作人員，設(shè)置提升懸吊系統(tǒng)滿足施工要求。在井口安裝ⅤⅡ型鑿井井架，井架上設(shè)天輪平臺并采用“個(gè)”型支撐，整體結(jié)構(gòu)呈“人”型支撐，有利于向下傳遞荷載。井架一側(cè)布置1臺JKZ-5.5×3／27型主提升機(jī)，配備2臺2 800 k W電機(jī)；兩側(cè)分別布置1臺JKZ-5.0×3／20型副提升機(jī)，各配2臺1 250 k W電機(jī)。由主提升機(jī)將YSJZ4.10型雙聯(lián)傘鉆提升至井口，施工時(shí)采用JZ-25／1800鑿井絞車懸吊。

井筒施工懸吊系統(tǒng)采用Φ10 500 mm三層鋼結(jié)構(gòu)吊盤，配備4根18×7-52-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩、4根35×k7-56-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和8臺JZ-50／2500鑿井絞車；模板配備4根18×7-42-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和4臺JZ-40／2500鑿井絞車；2臺HZ-6B型中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)配備18×7-48-1870、18×7-56-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-50／2500鑿井絞車；安全梯配備18×7-20-1870、18×7-24-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-16／1000鑿井絞車；爆破電纜配備18×7＋I(xiàn)WS-24-1670、18×7＋I(xiàn)WS-32-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-16／1300鑿井絞車；動(dòng)力電纜配備18×7＋I(xiàn)WS-26-1870、18×7＋I(xiàn)WS-38-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-25／1800鑿井絞車；液壓電纜配備18×7＋I(xiàn)WS-32-1870、18×7＋I(xiàn)WS-46-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-40／2500鑿井絞車；照明、監(jiān)控、通訊等電纜配備18×7＋I(xiàn)WS-26-1770、18×7＋I(xiàn)WS-36-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-25／1800鑿井絞車。

5 安全措施

1）豎井提升時(shí)嚴(yán)格控制提升重量，避免鋼絲繩在運(yùn)行過程中突然受到猛烈拉力作用，導(dǎo)致鋼絲繩發(fā)生扭曲變形，甚至斷裂。嚴(yán)禁提升超速運(yùn)行，完善提升系統(tǒng)托罐、防撞等裝置，確保運(yùn)行速度在容許范圍內(nèi)［8］。

2）采用變頻控制、傳感、PLC控制技術(shù)，保證吊盤在升降時(shí)與穩(wěn)車鋼絲繩以相同速度運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，安全監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼絲繩的移動(dòng)速度，通過控制變頻器調(diào)整鋼絲繩速度，實(shí)現(xiàn)吊盤與穩(wěn)車同步運(yùn)行［9］。

3）采用聚氨酯吊盤固定器，避免穩(wěn)盤在井筒中的橫向擺動(dòng)，固定吊桶提升軌跡，防止吊桶碰撞吊盤，保持平穩(wěn)升降。

6 結(jié)論

1）通過采用新型設(shè)備、合理安排系統(tǒng)布置和采取安全技術(shù)措施，使深豎井提升懸吊系統(tǒng)所面臨的一些技術(shù)問題得到解決，工程質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，副井井筒月進(jìn)尺達(dá)到了120 m。不僅提高了成井速度，而且最大程度避免了施工過程中事故的發(fā)生，保障工作人員的安全。

2）使用ⅤⅡ型鑿井井架，具有更高的承載力，增加深豎井提升懸吊的穩(wěn)定性；超深豎井鑿井提升機(jī)能在井筒深度不斷增加時(shí)仍能滿足成井所需提升能力要求；采用提升裝置安全監(jiān)控系統(tǒng)對吊盤穩(wěn)車進(jìn)行變頻調(diào)速集中控制，提高穩(wěn)車群整體提升能力，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。