立井提升系統(tǒng)罐道接頭間隙切割工藝改進(jìn)

王力生

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司， 北京 100013)

0 引言

紅慶河礦井隸屬內(nèi)蒙古伊泰廣聯(lián)煤化有限公司，設(shè)計(jì)最大建設(shè)規(guī)模1 500萬(wàn)t/a，主井井筒直徑為Φ9 500 mm，提升高度770 m，裝備2套提升設(shè)備均采用SIEMAG公司5×6塔式多繩摩擦式內(nèi)置電機(jī)提升機(jī)，配德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)的(9 000 kW、3 300 V、58 r/min)內(nèi)裝式低速交流同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，最大提升速度為15.18 m/s。紅慶河煤礦副井井筒直徑10.5 m，提升高度683 m，裝備一套特制雙層大罐籠+平衡錘和一對(duì)特制交通罐籠。其中大罐籠+平衡錘提升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)礦井交接班升降人員、整體升降液壓支架、無(wú)軌膠輪車運(yùn)送材料等提升任務(wù)。另一套特制交通罐籠提升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)礦井零散人員及急救提升任務(wù)。2套提升設(shè)備均采用塔式多繩摩擦式提升機(jī)。副井大罐籠提升系統(tǒng)裝備SIEMAG公司一臺(tái)5.6×6塔式多繩摩擦提升機(jī)，配德國(guó)SIMENS公司生產(chǎn)的(3 800 kW，3 150 V、34.38 r/min)低速直聯(lián)懸掛式交流同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，最大提升速度為10.08 m/s。副井交通罐提升系統(tǒng)裝備SIEMAG公司一臺(tái)JKM2.25×4塔式多繩摩擦輪提升機(jī)，配SIMENS公司375 kW、690 V、743 r/min交流電動(dòng)機(jī)帶減速器傳動(dòng)方式，最大提升速度為7.61 m/s。四部提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)都選用德國(guó)SIEMAG公司交-直-交變頻器，制動(dòng)系統(tǒng)采用德國(guó)SIEMAG公司兩套ST3-F型液壓制動(dòng)系統(tǒng)。主副井四部提升機(jī)井筒罐道均采用矩形空芯組合罐道，矩形罐道型號(hào)規(guī)格見(jiàn)表1。

該主副井提升機(jī)自2016年9月投入運(yùn)行后，檢查測(cè)量了提升機(jī)罐道接頭的間隙發(fā)現(xiàn)，其提升機(jī)罐道接頭間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)《煤礦設(shè)備安裝工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50946—2013)7.4.3第2條的規(guī)定，即規(guī)定中要求鋼軌、組合罐道罐道接頭間隙為2～4 mm，錯(cuò)茬不超過(guò)1 mm。為保證提升系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，反復(fù)進(jìn)行分析研究，重點(diǎn)探討罐道接頭間隙的施工方案。

1 罐道接頭間隙不足或缺失的原因及危害

1.1 罐道接頭間隙不足或缺失的原因

紅慶河煤礦提升機(jī)井筒是新建井筒，井筒都采用雙層澆筑，不存在井筒沉降問(wèn)題。經(jīng)調(diào)查井筒罐道及罐道梁施工都是在冬季施工，施工中雖然采取預(yù)留罐道接頭間隙余量措施，但冬季施工罐道本身呈收縮狀態(tài)下安裝，并且冬季罐道梁及牛腿澆筑不可避免造成牛腿及罐道梁下沉，造成井筒罐道接頭間隙大范圍不足或缺失。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，副井兩部提升機(jī)罐道間隙不足或缺失的達(dá)226處，主井井筒罐道接頭間隙不足或缺失的達(dá)143處。

1.2 罐道接頭間隙不足或缺失的危害

礦井提升機(jī)擔(dān)負(fù)煤礦井下與地面人員升降、物料運(yùn)輸及原煤生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)，罐道是提升容器在井筒中運(yùn)行的導(dǎo)向裝置，用來(lái)減少提升容器的橫向擺動(dòng)，故對(duì)于罐道及罐道接頭間隙的維護(hù)是提升機(jī)維護(hù)的重要環(huán)節(jié)，罐道接頭間隙不足或沒(méi)有會(huì)造成以下問(wèn)題：

1) 造成罐道調(diào)整困難。罐道應(yīng)力集中引起罐道錯(cuò)茬，造成滾輪罐耳磨損加劇，提升容器在井筒中運(yùn)行中擺動(dòng)及異響加大，給井筒維護(hù)帶來(lái)很大的困難。

2) 因溫度升高造成罐道膨脹伸長(zhǎng)。罐道伸長(zhǎng)形成物力應(yīng)力得不到釋放，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)罐道剛度時(shí)，罐道會(huì)突然發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲變形，提升容器運(yùn)行到變形位置時(shí)，會(huì)突然卡罐，造成提升容器變形損壞，鋼絲繩突然受力造成斷繩甚至墜罐等惡性人員或機(jī)械事故。

2 提升機(jī)矩形罐道接頭所需間隙分析

紅慶河煤礦位于內(nèi)蒙古西部黃河中上游的鄂爾多斯高原腹地，平均海拔在1 000～1 500 m之間，自然地理環(huán)境獨(dú)具特色。根據(jù)內(nèi)蒙古氣象局對(duì)鄂爾多斯1971—2000年月度平均氣溫統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2所示。

表2 鄂爾多斯市年度氣候溫度統(tǒng)計(jì) ℃

由表2看出，鄂爾多斯一年最高溫度為35.3 ℃，最低溫度為-28.4 ℃，立井井筒由于防寒而預(yù)防井筒結(jié)冰的需要，冬季都會(huì)對(duì)井筒供暖風(fēng)，一般要求井筒進(jìn)風(fēng)溫度不得低于4 ℃，因此，其提升機(jī)井筒溫度變化范圍基本為4 ℃～35 ℃之間，按矩形罐道熱膨脹公式:

L2=α×L1×(T2-T1)

(1)

式中:L2為矩形罐道溫度變化伸長(zhǎng)量；α為矩形罐道溫度膨脹系數(shù)，一般取13.2×10-6;L1為矩形罐道原長(zhǎng)度；T2為最高溫度；T1為最低溫度。

由式1可計(jì)算出一年中各矩形組合罐道，因溫度變化而造成伸縮量及罐道接頭間隙計(jì)算值，見(jiàn)表3所示。

表3 提升機(jī)罐道伸長(zhǎng)量及罐道接頭間隙計(jì)算值

3 氣割罐道接頭間隙施工方案的存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多方查詢及借鑒其他單位對(duì)罐道接頭間隙解決方案發(fā)現(xiàn)，對(duì)組合罐道接頭間隙解決方案都是采用氣割法，該方法主要存在的問(wèn)題為：

1) 施工方案復(fù)雜，需要搭接多層平臺(tái)，施工強(qiáng)度大。

2) 施工中，垂直空間中多層平臺(tái)多人垂直多重作業(yè)，占用人員多，平臺(tái)空間狹小，有極大的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

3) 井筒中燒焊作業(yè)，對(duì)井筒中的電纜、管路、涂油鋼絲繩風(fēng)險(xiǎn)極大，極易造成井筒火災(zāi)、井筒墜物等重大事故。

4) 施工空間狹小，如果罐道接頭與罐道梁固定座之間的間隙不夠，氣割頭無(wú)法完整切割，需要罐道端頭脫離罐道支撐梁，多重平臺(tái)起吊作業(yè)下，人員風(fēng)險(xiǎn)極高，另外氣割作業(yè)高溫易造成罐道變形。

5) 單根罐道接頭間隙切割所需施工周期長(zhǎng)，影響礦井正常生產(chǎn)。

4 提升機(jī)罐道接頭間隙施工工藝的改進(jìn)措施

紅慶河煤礦井筒矩形罐道長(zhǎng)度達(dá)到12 m，每根罐道由4根罐道梁或牛腿支撐，罐道截面積達(dá)260 mm2，管壁厚度達(dá)14 mm，并且罐道接頭之間與罐道梁固定座之間僅有7 mm的間隙，氣割頭無(wú)法伸入進(jìn)行切割；如果采取氣割方案的話，需要拆解整根罐道使其脫離罐道支撐梁，才能進(jìn)行切割作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)及施工作業(yè)時(shí)間都不允許采用氣割作業(yè)施工。

經(jīng)反復(fù)論證，決定用電動(dòng)管道往復(fù)鋸對(duì)罐道接頭間隙采用冷切割方案。

4.1 方案所需工器具及施工方法

1) 管道電動(dòng)切割鋸選型方案見(jiàn)表4所示。

表4 管道切割鋸選型參數(shù)

2) 電動(dòng)鋸條選型方案見(jiàn)表5所示。 通過(guò)計(jì)算，選擇鋸條厚度為2.5 mm的硬質(zhì)合金鋸條，可以一次把罐道接頭間隙切割到位，該型號(hào)鋸條適應(yīng)于高強(qiáng)度鋼與不銹鋼的切割，滿足矩形罐道接頭強(qiáng)度要求。

3) 作為管道往復(fù)切割鋸配套移動(dòng)供電單元，選擇3 kW的柴油發(fā)電機(jī)組，見(jiàn)表6所示。

表5 管道切割鋸鋸條選型參數(shù)

表6 3 kW柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)

4) 罐道接頭切割鋸切割工作臺(tái)設(shè)計(jì)制作。為便于施工設(shè)計(jì)了切割鋸切割工作臺(tái)，為分體結(jié)構(gòu)，兩組卡箍結(jié)構(gòu)裝置用螺栓緊固在需要切割罐道上，平臺(tái)端部設(shè)置切割鋸固定支架和切割鋸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，切割鋸工作工臺(tái)緊固在罐道大致位置后，靠調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)切割鋸鋸條與罐道接頭重合，便于切割成直線，切割工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)間不超過(guò)10 min即可完成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 罐道接頭間隙切割工作狀態(tài)

5) 罐道應(yīng)力釋放緩沖楔形墊塊制作。罐道接頭間隙用管道鋸進(jìn)行冷切割時(shí)，為預(yù)防快切割到終端時(shí)罐道應(yīng)力釋放造成夾鋸，需要在罐道接頭間隙切割到一半時(shí)，采用楔形墊塊分別塞在已經(jīng)切割過(guò)的罐道接頭間隙的三個(gè)端面中，靠楔形墊塊來(lái)承擔(dān)罐道應(yīng)力釋放。楔形墊塊采用硬度達(dá)到HRC60的高碳鋼制作而成，楔形墊塊寬度70 mm，長(zhǎng)度100 mm，楔形尖端0.5 mm，楔形尾端5 mm。

4.2 罐道接頭間隙的施工方案

1) 把柴油發(fā)電機(jī)、管道鋸及鋸條，切割工作平臺(tái)，常用工具以及工作人員(2～3)人共同進(jìn)入提升容器乘人間內(nèi)。

2) 檢修模式把容器停在需要切割罐道接頭處，并閉鎖提升機(jī)。

3) 在罐道上固定切割工作平臺(tái)，固定管道鋸，調(diào)整管道鋸的鋸條與罐道接頭縫對(duì)齊。

4) 打開(kāi)發(fā)電機(jī)，開(kāi)動(dòng)切割鋸進(jìn)行罐道切割。

5) 施工狀態(tài)見(jiàn)罐道接頭間隙切割工作狀態(tài)見(jiàn)圖1所示。

5 管道切割鋸切割的效果

罐道冷切割施工與相關(guān)單位氣割切割施工對(duì)比區(qū)別見(jiàn)表7所示。

表7 管道切割鋸切割的效果

6 結(jié)論

紅慶河煤礦提升機(jī)采取管道往復(fù)鋸冷切割方案進(jìn)行時(shí)工，每天檢修占用時(shí)間2 h，切割罐道接頭間隙不少于4個(gè)，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的連續(xù)施工，在不影響正常檢修及礦井生產(chǎn)的情況下，圓滿完成了369處井筒罐道接頭間隙處理的工作，節(jié)省了大量的人力、物力，保證礦井的安全生產(chǎn)，這種新型的罐道接頭間隙施工方案為其他類似礦井問(wèn)題處理提供了可靠的借鑒經(jīng)驗(yàn)。