紅慶河煤礦主立井提升系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計與實踐

仲 松

(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

紅慶河煤礦位于內(nèi)蒙古伊金霍洛旗札薩克鎮(zhèn)境內(nèi)。受內(nèi)蒙古伊泰廣聯(lián)煤化有限責(zé)任公司委托，中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計研究院自2007年7月開始對該井田進(jìn)行項目建設(shè)的可行性研究工作，歷時5年，研究工作主要分為2個階段，第一階段為新街礦區(qū)總體規(guī)劃未批復(fù)階段(2007—2010年)：受當(dāng)時國內(nèi)主井提升設(shè)備、箕斗、井下裝載設(shè)備的能力及可靠性約束，礦井設(shè)1個主井裝備2對45t箕斗，礦井的設(shè)計生產(chǎn)能力為1200萬t/a；第二階段為礦區(qū)總體規(guī)劃批復(fù)(發(fā)改能源[2010]1911號)后階段(2010—2012年)：批復(fù)的礦區(qū)總體規(guī)劃紅慶河礦井生產(chǎn)能力1500萬t/a，南京設(shè)計院主要技術(shù)人員針對建井條件、立井提升設(shè)備及箕斗容器進(jìn)行了多次國、內(nèi)外全面調(diào)研和考察，尤其對近年來使用類似先進(jìn)設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)查研究并形成研究報告，經(jīng)行業(yè)專家論證肯定了1個主立井裝備2對50t箕斗滿足1500萬t設(shè)計生產(chǎn)能力的可靠性，于2013年獲得了國家發(fā)展改革委的項目核準(zhǔn)批復(fù)。于2016年9月底至10月底進(jìn)行開車調(diào)試、帶煤試運轉(zhuǎn)。礦井采用立井開拓方式，設(shè)計生產(chǎn)能力為1500萬t/a，服務(wù)年限為111.3a；井下劃分3個水平，水平間主、副運輸采用暗斜井聯(lián)系，風(fēng)井直接延伸；全井田共劃分23個采區(qū)，投產(chǎn)時在井筒兩翼的311、314采區(qū)內(nèi)各布置一大采高綜采工作面。該礦井采用立井提升，國內(nèi)外無此大能力提升項目可以借鑒，為實現(xiàn)提升能力必須選用大容量箕斗，隨之而來的是大提升機、大直徑井筒、大井塔、縮短提升休止時間、高速運轉(zhuǎn)箕斗在深井筒中運行穩(wěn)定性、箕斗卸載沖擊等問題均需要逐一解決。確保煤礦持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)高效，必須對該礦主立井提升系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行跨越式創(chuàng)新設(shè)計[1-3]。

1 主立井提升系統(tǒng)概況

紅慶河煤礦為新建礦井，采用“分區(qū)開采，集中出煤”的開采方式，目前原煤運輸系統(tǒng)：3煤南翼采區(qū)為“回采工作面的煤炭經(jīng)3-1101工作面巷道帶式輸送機→3煤南翼大巷帶式輸送機→2號井底煤倉(2472t)→主立井→地面生產(chǎn)系統(tǒng)”；3煤北翼采區(qū)為“回采工作面的煤炭經(jīng)3-1401工作面巷道帶式輸送機→3煤北翼大巷帶式輸送機→1號井底煤倉(2472t)→主立井→地面生產(chǎn)系統(tǒng)”。

整個設(shè)計采用全過程運用創(chuàng)新驅(qū)動理念，主井提升系統(tǒng)選用5×6電機內(nèi)裝塔式多繩摩擦輪提升機二臺，平行布置，用9000kW的58r/min低頻交流同步電動機拖動，電控設(shè)備選用交-直-交成套設(shè)備，提升速度達(dá)到15.18m/s，采用容量50t特大型箕斗，井筒直徑為9.5m。根據(jù)提升運動學(xué)計算，一次提升循環(huán)時間104.76s，休止時間35s，一套提升系統(tǒng)提升能力為825萬t/a，主井兩套提升系統(tǒng)年提升能力1650萬t/a，滿足提升能力1500萬t/a備用系數(shù)1.1的要求。

2 主立井提升系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計的主要途徑

2.1 箕斗容量及布置方式選型設(shè)計

特大型礦井主井提升系統(tǒng)普遍采用多系統(tǒng)雙箕斗提升方案，并且在條件好的地區(qū)采用單井筒大斷面提升，即主井內(nèi)布置多個箕斗進(jìn)行礦巖的提升，使總提升能力成倍的增加[4，5]。

在南京設(shè)計院相繼自主研發(fā)34t、40t多繩提煤的技術(shù)基礎(chǔ)上，收集了國內(nèi)外有關(guān)大型箕斗及裝、卸載設(shè)備的大量資料，吸收和改進(jìn)現(xiàn)有箕斗提升系統(tǒng)優(yōu)勢和缺陷，研發(fā)了紅慶河煤礦采用底卸式50t箕斗，斷面尺寸為：1550mm×3670mm(寬度×長度)，井筒斷面利用率K=0.32，箕斗本體采用扁鋼立柱、兩端設(shè)導(dǎo)向罐耳結(jié)構(gòu)形式，箕斗外形尺寸見表1，并對箕斗閘門口進(jìn)行工藝改造，50t箕斗采用底卸式閘門，閘門口尺寸加大為1250mm×1600mm，保證了50t箕斗卸煤快速流暢，卸煤凈時間15s。針對井下箕斗裝載硐室層位巖性及提升能力要求，為力求系統(tǒng)簡單、避免井上下裝卸載復(fù)雜化、有效增加井筒斷面利用率，兩對四個箕斗平行并列呈“一字形”布置在井筒內(nèi)。與國內(nèi)其他同樣箕斗大小的葫蘆素與門克慶煤礦主立井相比具有以下優(yōu)勢：①井筒直徑較后者兩個煤礦小0.1m，使井筒斷面利用率提高10%，節(jié)省投資近1300萬元，另外主井提升速度為15.18m/s較后兩者速度快，具有提升效率高的優(yōu)點；②箕斗裝卸載休止時間較小，比葫蘆素和門克慶煤礦縮短近10s?；穼Ρ确治鲆姳?。

表1 箕斗外形尺寸參數(shù)

表2 國內(nèi)同樣大小的箕斗對比分析表

2.2 主井井筒井壁結(jié)構(gòu)、裝備及設(shè)計

紅慶河煤礦主井凈直徑9.5m，斷面70.882m2，如圖1所示，全深787m。井筒上部采用凍結(jié)工法施工、凍結(jié)深度670m，下部采用普通法施工。凍結(jié)段井壁采用雙層現(xiàn)澆鋼纖維鋼筋混凝土HDPE塑料夾層復(fù)合井壁、非凍結(jié)段井壁采用單層現(xiàn)澆鋼纖維鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)形式。上述方案帶來了主井凍結(jié)段井筒內(nèi)層井壁按常規(guī)理論計算最大厚度為1.8m屬“大體積混凝土”，大體積混凝土在固化過程中釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，從而產(chǎn)生的溫度和收縮應(yīng)力導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫，減弱支護(hù)強度及增加漏水幾率，有必要從混凝土受力及高強高性能混凝土方面進(jìn)行研究，以減少內(nèi)層井壁厚度及溫度應(yīng)力。

根據(jù)彈性理論分析、有限元模擬和內(nèi)外壁相似模擬實驗求證井筒彈性應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)行了“深厚軟巖大直徑井筒凍結(jié)井壁三維受力計算結(jié)構(gòu)研究”，結(jié)果表明：井壁結(jié)構(gòu)中的混凝土處于多軸受壓應(yīng)力狀態(tài)下，其變形受到約束，混凝土的抗壓強度得到大大提高，試驗得到井壁結(jié)構(gòu)中混凝土抗壓強度比單軸抗壓強度提高1.562～1.859 倍，據(jù)此，采用井筒減薄的新支護(hù)理論，主井筒井壁比常規(guī)計算方法減薄300～500mm厚度，節(jié)省投資950萬元。

圖1 主井井筒斷面圖(mm)

在井筒裝備設(shè)計中，根據(jù)兩對50t箕斗荷重以及箕斗上下運行對罐道、罐道梁所產(chǎn)生的較大作用力(含豎向、水平方向)，采用多跨連續(xù)梁計算模型，荷載選用Q/12計算得來，強度驗算考慮上下層罐道梁及罐道的相互作用，采用三維建模計算，綜合考慮罐道型鋼冷彎工藝、材料消耗量的前提下，井筒內(nèi)裝備220mm×220mm×14mm(倒角R=24mm)較大截面尺寸的冷彎方形空心型鋼罐道、豎向和橫向均具有較大承載(抗壓、彎)能力的300mm×200mm×14mm(倒角R=21mm)冷彎矩形空心型鋼罐道梁、32c工字鋼支撐梁、采用250mm×250mm×25mm最大型號的角鋼制作罐道梁支座；罐道梁和支撐梁較為罕見的采用3.0m層間距以提高罐道的承載能力、減小罐道對每道罐道梁和支撐梁的作用力，確保了提升容器的安全運行。

2.3 主井提升系統(tǒng)提升方式

主井的提升方式常見的有塔式布置型式和落地式布置型式，塔式提升方式具有系統(tǒng)簡單，設(shè)備布置集中，初期投資和運營費用低，另外考慮到紅慶河煤礦地處寒冷地區(qū)，鋼絲繩布置在塔內(nèi)，使用壽命長，安裝、維護(hù)、更換方便，防凍和防滑性能好[5，6]，并且有利于設(shè)備運行、檢修維護(hù)方便、減少設(shè)施占地面積、不受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懙纫蛩赜绊憽?/p>

2.4 提高提升能力的技術(shù)途徑

提高主井提升能力的技術(shù)途徑主要是提高一次提升量、縮短提升一次循環(huán)時間、增加日提升時間和年工作日等。依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，年工作日一般取330d，日提升時間根據(jù)各個礦井工作制度進(jìn)行確定。所以，根據(jù)提升能力計算公式，影響主井提升系統(tǒng)提升能力的因素主要有一次提升量和提升一次循環(huán)時間兩方面，根據(jù)選用的50t箕斗，并且在滿足提升定額載荷或提升機最大張力差的情況下，選用縮短一次提升循環(huán)時間來實現(xiàn)紅慶河煤礦的穩(wěn)產(chǎn)高效高產(chǎn)。為落實大型箕斗一次提升循環(huán)時間，調(diào)研對比分析了國內(nèi)大型箕斗實際運行情況，見表3。通過研究得出大型箕斗裝、卸載休止時間中，井下裝載時間是其決定因素，井下裝載時間主要包括箕斗停穩(wěn)至定量斗閘門動作時間、定量斗閘門開啟時間、定量斗閘門動作至裝完煤時間、定量斗閘門關(guān)閉時間等幾個主要環(huán)節(jié)構(gòu)成，通過對上述動作環(huán)節(jié)時間分析和計算，紅慶河煤礦主井50t箕斗計算卸載時間為23.6s，計算裝載時間為27.4s，考慮不確定因素選取50t箕斗裝卸載休止時間35s，比規(guī)范要求時間縮短15s。

表3 國內(nèi)大型礦井箕斗參數(shù)及運行時間

紅慶河煤礦為加快箕斗快速裝卸載工藝，從三個方面對箕斗進(jìn)行了改進(jìn)：①在不增大井筒斷面前提下，加大了定量斗及箕斗卸料口最小斷面尺寸，其中定量斗閘門開口1500mm×2000mm，箕斗卸料口尺寸1250mm×1600mm；②加大了箕斗斗箱底板和定量斗及分配溜槽的溜煤角度，過渡轉(zhuǎn)角處采用圓弧結(jié)構(gòu)；③在定量斗、分配溜槽及箕斗內(nèi)采用新型低阻耐磨襯板。

2.5 主井提升設(shè)備選型設(shè)計

圖2 提升絞車大廳層布置示意圖(mm)

2.6 井塔設(shè)計

根據(jù)工藝布置，設(shè)計采用樁筏基礎(chǔ)，井塔平面尺寸25m×23m、建筑高度99.8m，為國內(nèi)目前設(shè)計最大的井塔，井塔的結(jié)構(gòu)形式采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，底層設(shè)落煤倉兩個，由上到下分別設(shè)絞車提升大廳層、絞車風(fēng)機層、天輪層、防撞梁層及結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)層等。外墻四角為鋼筋混凝土墻，外墻中部及內(nèi)墻為多孔磚填充墻；底層內(nèi)部不設(shè)柱，在二層設(shè)轉(zhuǎn)換層，在井塔內(nèi)部的轉(zhuǎn)換層至絞車大廳層之間設(shè)四個連接柱，二層以上層層設(shè)大梁，使連接柱與上下各層梁相連，把絞車大廳的荷載讓各層分擔(dān)，分層傳到周邊帶壁柱剪力墻上，以此解決凍結(jié)法施工對基礎(chǔ)承載力和沉降產(chǎn)生影響的技術(shù)難題。

2.7 井下箕斗裝載硐室支護(hù)設(shè)計

井下箕斗裝載硐室處于處于粉砂巖、泥巖、煤層及砂質(zhì)泥巖中，圍巖屬于松軟巖石，易變形，并且位于井筒底部與井筒相連接，圍巖應(yīng)力大，根據(jù)工藝布置需要，該硐室位于井筒一側(cè)，凈寬9.5m、凈深8.8m、凈高25.2m，硐室斷面屬于特大斷面，因此應(yīng)解決特大斷面軟巖硐室支護(hù)問題。經(jīng)過對常規(guī)硐室的斷面進(jìn)行優(yōu)化，將該硐室簡化為“扁圓柱體結(jié)構(gòu)”形式。

基于理論分析與有限差分軟件模擬從巷道開挖、圍巖穩(wěn)定、支護(hù)效果的過程分析，研究出適合的復(fù)合支護(hù)形式，即先采用錨網(wǎng)索噴進(jìn)行一次支護(hù)100mm、再采用鋼筋混凝土砌碹進(jìn)行二次支護(hù)CF70 1200mm厚的復(fù)合支護(hù)方式，并且通過工程應(yīng)用，目前該硐室支護(hù)狀態(tài)良好。

3 工程實踐

本文圍繞制約紅慶河煤礦主井提升系統(tǒng)的關(guān)鍵因素進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化，并將主井提升系統(tǒng)工程設(shè)計配套技術(shù)成功應(yīng)用于項目中。通過創(chuàng)新設(shè)計主井提升系統(tǒng)裝備2對50t箕斗，配備5×6塔式多繩摩擦輪提升機、裝載硐室支護(hù)設(shè)計、主井提升設(shè)備選型優(yōu)化設(shè)計等的校驗，最終確保主井提升系統(tǒng)能夠滿足礦井安全生產(chǎn)要求。目前，該主井井筒提升系統(tǒng)穩(wěn)定運行2a，狀態(tài)良好，實際最大箕斗最大提升速度為15.19m/s、休止時間為33s，實際提升能力已經(jīng)達(dá)到120～140萬t/月，實現(xiàn)了一個主井提升1500萬t/a的目標(biāo)。

但根據(jù)現(xiàn)場使用方反饋，存在的問題主要是未考慮更換容器、襯墊、天輪、首繩與滑繩保護(hù)功能，帶來了維護(hù)不便。下一步在井塔中增加擇繩調(diào)換智能保護(hù)裝置設(shè)置，為摩擦提升安全提供保證。

4 結(jié) 語

紅慶河煤礦主立井提升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計從新設(shè)備、新工藝、新方法著手，將5×6內(nèi)裝式塔式9000kW提升機、交-直-交變頻控制系統(tǒng)、容量50t特大型多繩提煤箕斗、15.18m/s的最快提升速度、高速穩(wěn)罐技術(shù)、箕斗更換便捷技術(shù)、高承載力的井筒裝備、大直徑9.5m井筒凍結(jié)井壁減薄理論的各項新技術(shù)、設(shè)備、新工藝、新理論的成功運用，堅實奠定了主井提升系統(tǒng)運行高可靠性。為紅慶河煤礦穩(wěn)產(chǎn)、高效、高產(chǎn)提供提升系統(tǒng)的安全保障，并為類似礦井主井提升系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。