余欣回風(fēng)立井鑿井主要設(shè)備配置及選型分析

衛(wèi)少亮

(潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046103)

1 概述

余欣風(fēng)井場(chǎng)地位于余吾井田西南部，距余吾煤業(yè)中央?yún)^(qū)約7.7 km。余欣回風(fēng)立井井筒設(shè)計(jì)凈直徑為8.0 m、凈斷面積為50.24 m2、深度為743 m,采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度為339 m。該井筒施工設(shè)備以鑿井井架、提升絞車、穩(wěn)車、傘鉆、中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)、吊盤及吊桶等為主體，施工機(jī)械化程度較高，施工工期預(yù)計(jì)330天。

2 井筒施工方案

余欣回風(fēng)立井臨時(shí)提升系統(tǒng)采用主副2套獨(dú)立的單鉤提升，座鉤式吊桶提升矸石，底卸式吊桶下放混凝土。凍結(jié)表土及風(fēng)化基巖段施工采用短段掘砌混合作業(yè)，風(fēng)鎬和高效風(fēng)鏟配合挖掘機(jī)掘進(jìn)，2臺(tái)中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝矸，整體懸吊液壓?jiǎn)慰p式金屬模板砌壁，砌壁段高4 m，液壓自動(dòng)脫模；內(nèi)壁套砌使用組合式鋼模板砌筑，套壁段高1.2 m。凍結(jié)基巖段及基巖段采用傘鉆配鑿巖機(jī)鉆孔，實(shí)施4.5 m中深孔光面爆破，一掘一砌。

3 井筒技術(shù)特征

立井鑿井設(shè)備的選型配置應(yīng)根據(jù)井筒的特征條件、深度和直徑綜合計(jì)算和校驗(yàn)，各種設(shè)備之間既有聯(lián)系又相互制約。余欣回風(fēng)立井井筒技術(shù)特征見表1。

表1 余欣回風(fēng)立井井筒技術(shù)特征

4 主要設(shè)備選型及校驗(yàn)

井筒施工設(shè)備選配應(yīng)滿足以下要求：井架應(yīng)能承擔(dān)施工中的全部載荷，保證足夠的過卷高度;翻矸平臺(tái)高度應(yīng)滿足傘鉆提升高度和汽車排矸要求；井筒凈直徑在5.5 m～9 m之間、井深大于600 m時(shí)，布置2套單鉤提升和1臺(tái)～2臺(tái)抓巖機(jī)；吊桶上方必須安設(shè)帶保護(hù)傘的滑架，鉤頭閉鎖可靠；吊盤必須使用兩層或多層吊盤，并使用穩(wěn)車懸吊，各層盤鋼梁和立柱及連接部分應(yīng)有足夠的強(qiáng)度；穩(wěn)車使用JZ系列10 t～40 t穩(wěn)車群，裝設(shè)可靠的制動(dòng)裝置和防逆轉(zhuǎn)裝置，并設(shè)有電氣閉鎖。

4.1 鑿井井架

根據(jù)表1井筒斷面技術(shù)特征，同時(shí)為滿足提升載荷要求，井筒選配承載能力較大的Ⅴ型鋼管井架，井架底部跨距為16 m×16 m。為滿足傘鉆提升至封口盤以上的高度要求，二層平臺(tái)即翻矸平臺(tái)到基礎(chǔ)面高度為10.5 m。天輪平臺(tái)平面尺寸為7.5 m×7.5 m，基礎(chǔ)頂面至天輪平臺(tái)頂面高為26.4 m，滿足過卷高度要求。

4.2 提升鋼絲繩

根據(jù)表1井筒總深度748.6 m，井口水平至井架天輪平臺(tái)懸垂高度28.4 m，鋼絲繩最大懸垂高度777 m等技術(shù)特征，對(duì)鋼絲繩在提升物料和人員時(shí)的懸吊終端荷載計(jì)算，主鉤鋼絲繩選用18×7+FC-46-1870特型多層股不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，副鉤鋼絲繩選用18×7+FC-42-1870特型多層股不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定鋼絲繩提物時(shí)安全系數(shù)大于7.5，提人時(shí)安全系數(shù)大于9進(jìn)行校驗(yàn)，滿足要求。

4.3 提升絞車

根據(jù)表1井筒直徑8.0 m、井筒深度743 m的技術(shù)特征，井口布置主副2套單鉤提升絞車。設(shè)備選型分析如下：

(1) 滾筒選型 。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦建設(shè)安全規(guī)范》規(guī)定，主絞車滾筒直徑應(yīng)同時(shí)滿足：

(1)

其中：ds主為主鉤鋼絲繩直徑，ds主=46 mm；δ主為主鉤最粗鋼絲直徑，δ主=2.97 mm。

將數(shù)值代入式(1)計(jì)算得：D主≥2 760 mm，D主≥2 673 mm。

副絞車滾筒直徑應(yīng)同時(shí)滿足：

(2)

其中：ds副為副鉤鋼絲繩直徑，ds副=42 mm；δ副為副鉤最粗鋼絲直徑，δ副=2.71 mm。

將數(shù)值代入式(2)計(jì)算得：D副≥2 520 mm，D副≥2 439 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主鉤選用卷筒直徑3.6 m的提升機(jī)，副鉤選用卷筒直徑3.2 m的提升機(jī)，滿足要求。

(2) 提升絞車的選型。根據(jù)滾筒選型情況，主鉤選用JKZ-4×3/18型提升絞車，配備7(6) m3吊桶；副鉤選用JKZ-3.2×3/18型提升絞車，配備6(5) m3吊桶。提升絞車電控系統(tǒng)采用變頻控制系統(tǒng)，盤形閘制動(dòng)；車房安裝實(shí)時(shí)顯示提升絞車相關(guān)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)的工控機(jī)畫面，當(dāng)?shù)跬敖咏暇诤偷醣P時(shí)進(jìn)行語音提示和報(bào)警，并安裝深度指示器；提升信號(hào)裝置為數(shù)顯的本質(zhì)安全型信號(hào)裝置，并與絞車控制回路閉鎖。主副提升絞車技術(shù)特征見表2。

表2 主副提升絞車技術(shù)特征

(3) 提升絞車載荷校驗(yàn)。先對(duì)主鉤使用6 m3吊桶提升矸石、提升人員、提升傘鉆、使用4.0 m3底卸式吊桶下放混凝土等情況下的最大載荷進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，結(jié)果為使用6 m3吊桶提升矸石時(shí)終端荷載最大;再對(duì)主鉤使用7 m3吊桶提升矸石時(shí)的載荷進(jìn)行校驗(yàn)。

主鉤使用7 m3吊桶提升矸石時(shí)的載荷計(jì)算公式為：

(3)

其中：Km為裝滿系數(shù)，Km=0.9；VTB2為標(biāo)準(zhǔn)吊桶容積，VTB2=7 m3；γg為巖石松散容重，γg=1 600 kg/m3；Ks為巖石松散系數(shù)，Ks=1.8；γs為水容重，γs=1 000 kg/m3；Zd2為7 m3吊桶自重，Zd2=2 349 kg；Zg為鉤頭及連接裝置重量，新型18 t鉤頭及連接裝置自重Zg=305 kg；Zh為滑架及緩沖器自重，Zh=400 kg。

將數(shù)值代入式(3)計(jì)算得：Qg=15 934 kg。

7 m3吊桶最大提升深度為：

(4)

其中：Qd為絞車鋼絲繩破斷拉力，Qd=1 578 090 N；m為提物鋼絲繩安全系數(shù)，取m=7.5；PSB為鋼絲繩單位重量，PSB=8.25 kg/m；h2為井口水平至井架天輪平臺(tái)懸垂高度，h2=28.4 m。

將數(shù)值代入式(4)計(jì)算得：h1=640 m。為了安全起見，規(guī)定7 m3吊桶提升深度為620 m，然后需更換6 m3吊桶。所以主鉤使用7 m3吊桶提升深度達(dá)620 m時(shí)提升荷載即鋼絲繩最大靜張力為：

Fmax主=(Qg+PSB·h0)×9.81.

(5)

其中：h0為提升7 m3吊桶時(shí)主鉤鋼絲繩最大懸掛高度，h0=648.4 m。

將數(shù)值代入式(5)計(jì)算得：Fmax主=208.8 kN。主鉤鋼絲繩額定最大靜張力為290 kN>208.8 kN，滿足要求。

同上，使用相同步驟對(duì)副鉤使用6 m3吊桶提升矸石時(shí)的最大靜張力進(jìn)行校驗(yàn)(步驟略)，經(jīng)計(jì)算副鉤最大懸掛高度為556.4 m，此時(shí)副鉤提升載荷Fmax副=173.1 kN，副鉤鋼絲繩額定最大靜張力180 kN>173.1 kN，滿足要求。

根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果，主鉤和副鉤均滿足提升強(qiáng)度要求。

(4) 電動(dòng)機(jī)功率校驗(yàn)。主鉤電動(dòng)機(jī)最大實(shí)際功率為：

(6)

其中：Q主為主鉤提升7 m3吊桶裝滿矸石至井筒620 m位置時(shí)的載荷，Q主=21 283 kg；vm主為主鉤最大提升速度，vm主=6.85 m/s；ηc為減速機(jī)效率，ηc=0.85。

將數(shù)值代入式(6)計(jì)算得：P主=1 682 kW。主鉤電機(jī)額定功率為2 000 kW>1 682 kW，滿足要求。

副鉤電動(dòng)機(jī)最大實(shí)際功率為：

(7)

其中：Q副為副鉤提升6 m3吊桶裝滿矸石至528 m位置時(shí)的載荷即最大提升載荷，Q副=17 645 kg；vm副為副鉤最大提升速度，vm副=5.46 m/s。

將數(shù)值代入式(7)計(jì)算得：P副=1 111 kW。副鉤電機(jī)額定功率為1 250 kW>1 111 kW，滿足要求。

4.4 吊盤懸吊繩及穩(wěn)車

(1) 吊盤懸吊繩選型。由于基巖段吊盤總重量大于表土段吊盤總重量，因此取基巖段吊盤總重量(53 171 kg)進(jìn)行驗(yàn)算。

吊盤懸吊繩兼穩(wěn)繩根數(shù)為4，考慮基巖段吊盤懸吊繩兼穩(wěn)繩終端荷載時(shí)鋼絲繩單位長(zhǎng)度重量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

(8)

其中：QW為基巖段吊盤懸吊繩兼穩(wěn)繩終端荷載，QW=13 293 kg；σB為鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度，σB=1 870 MPa；ma為鋼絲繩的理論安全系數(shù)，ma=6；H0為基巖段鋼絲繩懸掛高度，H0=777 m。

將數(shù)值代入式(8)計(jì)算得：Ps=5.01 kg/m。

根據(jù)以上計(jì)算出的Ps值，查國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8918-2006，試選18×7+FC-44-1870型鋼絲繩進(jìn)行校驗(yàn)。該鋼絲繩單位重量PSB吊=7.55 kg/m，吊盤懸吊鋼絲繩破斷拉力總和Qd=1 436 960 N。

鋼絲繩工作荷載：

QZ=(QW+PSB吊·H0)×9.81.

(9)

將數(shù)值代入式(9)計(jì)算得：QZ=187 953 N。

鋼絲繩安全系數(shù)：

(10)

將數(shù)值代入式(10)計(jì)算得：m=7.65>ma=6。根據(jù)計(jì)算，吊盤懸吊繩兼穩(wěn)繩選用18×7+FC-44-1870型鋼絲繩滿足安全使用要求。

(2) 穩(wěn)車選型。鋼絲繩最大荷重Qmax=QZ=187 953 N，根據(jù)計(jì)算，選用JZ-25/1300型穩(wěn)車，其額定最大靜張力為250 000 N>187 953 N，滿足要求。

4.5 鑿巖機(jī)

按井深為748.6 m、井壁厚度為0.6 m、基巖段掘進(jìn)直徑為9.2 m、工作面布置147個(gè)炮眼、炮眼深度4.5 m、月掘砌成井130 m要求校核鑿巖能力。YGZ-70型導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)鉆眼速度為900 mm/min～950 mm/min，按5 min鉆完一個(gè)4.5 m深的炮孔考慮，退釬桿、移動(dòng)、定位等輔助作業(yè)時(shí)間為2 min考慮，則鉆完一個(gè)炮孔的作業(yè)時(shí)間為7 min。

循環(huán)作業(yè)圖表規(guī)定單模循環(huán)鉆孔時(shí)間為180 min，按工作面6臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)作業(yè)考慮，單臺(tái)鑿巖機(jī)鉆孔時(shí)間為：

(11)

其中：N為工作面炮眼數(shù)量，N=147；t為鉆孔時(shí)間，t=7 min。

將數(shù)值代入式(11)得鉆孔時(shí)間T=172 min<180 min。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用6臺(tái)YGZ-70型鑿巖機(jī)能滿足施工要求。

4.6 裝矸設(shè)備

按井筒凈直徑8 m、井深743 m配置，井內(nèi)布置2臺(tái)HZ-6型抓巖機(jī),單臺(tái)抓巖機(jī)理論生產(chǎn)率為50 m3/h，2臺(tái)綜合生產(chǎn)率為80 m3/h，根據(jù)循環(huán)作業(yè)圖表，需要7.17 h完成一茬炮的矸石。所需的出矸能力為：

(12)

其中：S為矸石面積，S=66.4 m2；h為段高，h=4 m。

將數(shù)值代入式(12)得出矸能力Q=66.8 m3/h<80 m3/h。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，2臺(tái)HZ-6型抓巖機(jī)的裝矸能力滿足施工需要。

4.7 壓風(fēng)機(jī)

根據(jù)施工方法及施工機(jī)具配備，井筒使用XFJD6.11型傘鉆配6臺(tái)YGZ-70型導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆眼作業(yè)時(shí)耗風(fēng)量最大。傘鉆總耗氣量為68 m3/min，1臺(tái)風(fēng)泵耗氣量為3 m3/min，井筒工作面所需最大需風(fēng)量為71 m3/min。地面臨時(shí)壓風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)安設(shè)兩臺(tái)MM250-42.5/1510型和兩臺(tái)MM110-20/706型螺桿式空壓機(jī),裝機(jī)總供風(fēng)量可達(dá)125 m3/min。

考慮到壓風(fēng)損耗，實(shí)際最大耗風(fēng)量為：

Qmax耗=αβγnKq.

(13)

其中：α為管網(wǎng)漏風(fēng)系數(shù)，α=1.1；β為風(fēng)動(dòng)機(jī)械磨損耗風(fēng)系數(shù)，β=1.05；γ為高原修正系數(shù)，γ=1.00；n為同型號(hào)風(fēng)動(dòng)工具使用數(shù)量，n=1；K為同型號(hào)風(fēng)動(dòng)工具使用系數(shù)，K=1；q為風(fēng)動(dòng)工具最大耗風(fēng)量，q=71 m3/min。

將數(shù)值代入式(13)計(jì)算得：Qmax耗=82 m3/min。選用MM250-42.5/1510型壓風(fēng)機(jī)2臺(tái)，額定風(fēng)量為42.5 m3/min；MM110-20/706型壓風(fēng)機(jī)2臺(tái)，額定風(fēng)量為20 m3/min。則裝機(jī)總供風(fēng)量Q裝機(jī)=(2×42.5 m3/min)+(2×20 m3/min) =125 m3/min>82 m3/min。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，壓風(fēng)機(jī)滿足井筒用風(fēng)要求。

4.8 通風(fēng)機(jī)

掘進(jìn)工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)為25人，每人需要的新鮮空氣為4 m3/min，按人數(shù)計(jì)算，掘進(jìn)工作面實(shí)際需要的風(fēng)量Q1=100 m3/min。

按炸藥量計(jì)算，爆破后工作面所需風(fēng)量為：

Q2=7.8[A(S井筒L)2K1]1/3/t1.

(14)

其中：t1為爆破后井筒通風(fēng)時(shí)間，t1=50 min；A為井筒基巖段全斷面爆破的炸藥量，A=503.1 kg；S井筒為井筒凈橫截面積，S井筒=50.24 m2；L為炮煙稀釋安全距離，L=300 m；K1為淋水系數(shù)，取K1=0.3。

將數(shù)值代入式(14)計(jì)算得：Q2=507 m3/min。根據(jù)通風(fēng)原則，井筒工作面需風(fēng)量為507 m3/min。選取備用系數(shù)為1.25，則通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量Q工作=Q2×1.25=634 m3/min。

根據(jù)計(jì)算，前期采用2臺(tái)FBD-№8.0/45×2型對(duì)旋風(fēng)機(jī)通風(fēng)(一用一備)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為473 m3/min～817 m3/min；揭煤時(shí)選擇2臺(tái)FBD-№8.0/55×2型對(duì)旋風(fēng)機(jī)通風(fēng)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為506 m3/min～874 m3/min，滿足要求。

4.9 鑿井設(shè)備配置

通過以上對(duì)主要設(shè)備的選型分析和校驗(yàn)，余欣回風(fēng)立井鑿井裝備配置見表3。

表3 余欣回風(fēng)立井井筒鑿井機(jī)械裝備

5 結(jié)束語

余欣回風(fēng)立井井深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，在井筒掘進(jìn)快速推進(jìn)的同時(shí)，必須要持續(xù)強(qiáng)化對(duì)提升、懸吊、打鉆、裝矸及通風(fēng)等重點(diǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)機(jī)電設(shè)備的日常管理，做好設(shè)備日常檢修維護(hù)，保障項(xiàng)目工程建設(shè)安全有序推進(jìn)。