許 斌

(煤炭工業(yè)合肥設計研究院有限責任公司，安徽 合肥 230041)

立井提升系統(tǒng)作為礦井“咽喉”，作用十分重要。在提升系統(tǒng)改造優(yōu)化設計領(lǐng)域，國內(nèi)眾多專家、學者相繼展開大量研究工作。張宏[1]對副井罐籠、緩沖托罐、懸掛裝置等方面的優(yōu)化改造做出了嘗試。秦強[2]通過對主井大噸位箕斗曲軌卸載過程的力學分析，優(yōu)化了卸載曲軌設計方案。王文靜等[3，4]對主井在提升設備不變的前提下通過挖潛增加箕斗載重做出有益探索。賈照遠[5，6]經(jīng)過分析計算，利用千斤頂對櫓式井架的斜架撐頂來糾偏，對井架糾偏做出了研究。孫東飛等[7]采用增加支撐支梁的方式成功將大型提升容器罐道梁規(guī)格降低，節(jié)省了井筒的有效空間。

雖然在提升系統(tǒng)眾多環(huán)節(jié)的改造優(yōu)化上，國內(nèi)專家、學者做出了大量研究成果，但是由于環(huán)境和生產(chǎn)條件的差異，難以形成具體的技術(shù)體系。需要具體問題具體對待。尤其本文中的井筒雖經(jīng)修復，但仍存在嚴重偏斜和變形，十分罕見。尚無案例可循。主、副井提升系統(tǒng)在井筒破壞修復的基礎上進行設計，在斷面布置、提升容器、系統(tǒng)糾偏、提升能力設計等方面進行了積極探索[8-10]。

1 主、副井提升系統(tǒng)原設計情況

淮南某礦設計生產(chǎn)能力為3.0Mt/a。工業(yè)場地內(nèi)設有主井、副井和中央回風井3個井筒。井口標高+27.5m，井底水平標高-735.0m。單水平上、下山開采。

礦井于2006年開工建設。2009年4月，副井井筒發(fā)生突水事故。事故之前，主井井架、提升機房已經(jīng)施工完畢，提升設備已經(jīng)安裝，副井提升系統(tǒng)已經(jīng)投入運行。

原設計主井擔負原煤提升任務。井筒直徑為6.2m，布置1套32t雙箕斗(斷面3170mm×1700mm，本體高度17200mm)。井筒裝備方鋼罐道和罐道梁，由托架固定于井壁上。提升設備為德國SIEMAG公司?4.8×4落地式多繩摩擦提升機1臺，配套西門子同步電機(53.7r/min、4700kW)。電控設備采用西門子公司交-交變頻電控裝置。液壓制動采用SIEMAG恒減速液壓裝置。提升速度13.5m/s。原設計主井井筒平面布置如圖1所示。

圖1 原設計主井井筒平面布置圖(mm)

原設計副井擔負全礦人員、矸石、材料、設備等運輸作業(yè)任務。井筒直徑為7.0m，布置1套1.5t礦車雙層四車寬、窄罐籠(自重20.25t)。井筒裝備采用方鋼罐道和罐道梁，設有玻璃鋼梯子間。井筒內(nèi)還敷設排水管4趟，降溫管和通訊信號電纜架各2趟，壓風管、動力電纜架各1趟。提升設備為JKMD-4.5×4(Ⅲ)落地式多繩摩擦輪提升機1臺，配套低速直流電機(46.7r/min、2100kW)。電控設備采用ABB公司直流電控裝置。液壓制動采用ABB恒減速液壓裝置。提升速度11m/s。副井原設計井筒平面布置如圖2所示。

圖2 原設計副井井筒平面布置圖(mm)

2 主、副井井壁修復面貌和存在問題

2.1 主、副井井壁修復面貌

主井井筒修復后，直徑由6.2m縮小到5.0m，呈垂直狀態(tài)。新井筒中心線較原井筒中心線向南和向西各偏移50mm。

副井井筒修復后，直徑由7.0m縮小到6.0m，呈縱向偏斜狀態(tài)(從-439.54m到-635.56m段井筒發(fā)生偏斜，最大偏移量達到870mm)。投影疊加后的井筒有效斷面近似橢圓形。

另外，副井出水造成工廣地層產(chǎn)生滑移，主副井井架、提升機房等均不同程度產(chǎn)生滑移。

2.2 提升系統(tǒng)設計中存在問題

修復后主、副井井筒面貌與原設計相差甚遠，原提升方案顯然不能繼續(xù)使用。提升系統(tǒng)改造設計面臨以下幾個難題。

1)主、副井井筒套壁后，井筒直徑不同程度縮小，尤其副井井壁修復后仍然呈偏斜和彎曲狀態(tài)。需要在直徑縮小以及彎曲的井筒中設計大型容器和復雜裝備。

2)主、副井提升系統(tǒng)能力成為制約井筒修復后礦井井型的關(guān)鍵因素之一。如何充分利用已有設備、設施，恢復主、副井提升系統(tǒng)能力，滿足3.0Mt/a井型要求，成為設計需要解決的問題。

3)主、副井提升機中心線、天輪中心線均與新井筒提升中心線發(fā)生偏斜，需要安全可靠、經(jīng)濟合理地糾偏，保證提升安全。

3 提升系統(tǒng)設計

3.1 井筒斷面布置及裝備設計

3.1.1 主井井筒斷面布置及裝備設計

首先，考慮選用剛性端罐道導向，有利于充分利用井筒斷面。

其次，提升容器面臨25t標準箕斗和32t非標箕斗兩種方案的選擇。采用25t標準箕斗，屬于常規(guī)設計，但是不能充分發(fā)揮已有提升設備、設施的能力。通過分析箕斗裝、卸載過程以及原煤流動規(guī)律，同時考慮筆者團隊以往在兩淮礦區(qū)的大噸位特窄型箕斗的成功經(jīng)驗，經(jīng)與建設單位協(xié)商后，最終采用32t非標箕斗方案。斗箱斷面由3300mm×1700mm縮小為3080mm×1400mm，本體高度增加到18.5m。修復后主井井筒平面布置如圖3所示。

圖3 修復后主井井筒平面布置圖(mm)

箕斗斷面收縮以及本體加長所產(chǎn)生不利影響通過如下措施解決：①箕斗加長后，過卷高度和過放距離均有所降低，通過適當優(yōu)化防撞梁位置，分別調(diào)整為11.25m和10.5m，滿足《煤礦安全規(guī)程》[11]相關(guān)規(guī)定；②箕斗斷面收縮后，對卸料時間略有影響(計算時間約增加1～2s)，通過分段設計箕斗卸載口角度，基本消除了這一影響。

3.1.2 副井井筒斷面布置及裝備設計

1)垂直運行與非垂直運行的比較。為最大限度利用修復后的井筒斷面，設計曾考慮非垂直運行方案，即按6.0m斷面布置容器。具體為：裝備一只1.5t礦車雙層四車寬罐籠(5350mm×1850mm)和一只乘人罐籠(2500mm×1000mm)，寬罐籠用于升降各種材料、大型設備、人員等，乘人罐籠用于人員及小設備的提升，罐道非垂直布置，局部隨井筒偏斜而傾斜(最大1°左右)。優(yōu)點是：容器尺寸大。其缺點是：罐道局部隨井筒偏斜而傾斜布置，滾輪罐耳承受罐籠附加水平力的作用，個別滾輪的彈性需額外調(diào)節(jié)；經(jīng)過傾斜段，尾繩水平方向擺動較大；罐內(nèi)阻車器為滑動阻車器，通過傾斜段時，由于一端沒有阻車器阻擋，礦車有竄動、掉道的可能性；沒有偏斜罐道提升運行的先例可循[12，13]。

最終，從安全角度出發(fā)，設計放棄該方案。仍采用垂直運行方案，即在投影疊加后近似橢圓形的井筒有效斷面布置容器和其他裝備，保持垂直運行。

2)容器布置方案。首先，在提升礦車能力相當?shù)那闆r下，為保證提升大件的能力，排除一對短罐籠(雙層二車)方案。采用單寬罐帶平衡錘方案。其次，為便于運輸大型設備，盡可能加大寬罐，縮小平衡錘。寬罐由原端罐道改為側(cè)罐道導向，釋放端部空間200mm，寬罐長度增加到5050mm，寬度保持1850mm不變。滿足最大件(長度4895mm)的運輸需求，同時可以一次運輸4輛1.5t礦車；寬罐側(cè)罐道所占用的寬度方向的空間需要平衡錘縮小來解決，平面尺寸壓縮至1600mm×760mm，采用端罐道導向。兩個容器采用不同的導向方式，充分利用井筒有效斷面。

3)井筒裝備方案。井筒裝備布置時，將原降溫管、灑水管調(diào)整至回風井筒中，利用井筒剩余空間布置：梯子間、排水管(DN300)四趟，壓風管(DN350)一趟，動力電纜架兩趟，通訊信號電纜架一趟。井筒裝備設計原則：罐道和管路作垂直布置，梯子間和電纜利用井筒偏斜形成的的不規(guī)則空間沿井壁敷設。

罐道設計中，根據(jù)井筒偏斜程度，采用4.0m、3.0m、 2.4m等三種罐道層間距進行糾偏調(diào)整。在偏斜段(72層，72個斷面)，精確定位每層罐道梁與托架的相對位置，保證安全間隙，并且有效地將罐道梁安裝誤差控制在1mm以內(nèi)。最終確保罐道垂直安裝，滿足了提升容器安全運行的需求。此外，在三個關(guān)鍵部位(鋼板井壁與混凝土井壁交界段、偏斜最大段、表土與基巖交界段)設置罐道差動聯(lián)接裝置，保證罐道在豎向有一定的可縮性，預防罐道豎向變形造成“卡罐”。

管線布置中，5趟大口徑管路均利用罐道梁作為卡管梁，節(jié)省空間，方便安裝；采用管路伸縮器，吸收管路熱脹冷縮的能量，預防變形影響提升安全。

3.2 提升能力

3.2.1 主井、副井提升任務的統(tǒng)籌調(diào)整

修復后副井井筒僅能布置一只單罐籠帶平衡錘，其提升能力較原來雙罐系統(tǒng)降低近一半。顯然難以滿足3.0Mt/a井型的輔助提升需求。

修復后，雖然主井井筒直徑縮小，但是通過采用非標箕斗等措施，提升能力基本沒有降低。并且，在礦井建設期間，《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》歷經(jīng)兩次修改，提升工作制度由原來300d/a、14h/d改為330d/a、18h/d。由此，主井提升能力變得較為富裕。

圖4 修復后副井井筒平面布置圖(mm)

該礦井屬深表土、高瓦斯、高地壓、高地溫的復雜條件礦井，矸石量大(0.26Mt/a)。分析礦井輔助作業(yè)量的構(gòu)成情況可知，矸石運輸作業(yè)量約占輔助提升量的一半以上。另一方面，利用箕斗配合膠帶機實現(xiàn)矸石運輸連續(xù)化和自動化，逐步成為矸石運輸?shù)陌l(fā)展方向。因此，合理利用主井富裕能力提運矸石，不僅可以解決副井提升能力不足的問題，還可以實現(xiàn)矸石運輸連續(xù)化，提高礦井輔助運輸水平。

綜上，統(tǒng)籌調(diào)整主井、副井提升任務，由主井提運全礦井原煤并分時運輸矸石，副井提運全礦人員、材料、設備等。主、副井提升任務的調(diào)整，為保證礦井3.0Mt/a能力創(chuàng)造條件。

3.2.2 主井提升能力

設計考慮煤和矸石分時分運，日提煤時間17h/d，日提矸1h/d。提升循環(huán)時間124s。經(jīng)計算，主井提煤能力4.70Mt/a，提矸能力0.32Mt/a?？梢詽M足年提煤3.0Mt/a、年提矸0.26Mt/a的任務。由于提升容器載重和自重均與原設計保持一致，因此，主井提升機、電機、電控、液壓制動裝置、鋼絲繩均滿足安全要求。

3.2.3 副井提升能力

主、副井提升任務調(diào)整后，副井擔負人員、材料和設備輔助作業(yè)任務。分類進行校驗計算和挖潛調(diào)整：①計算寬罐帶平衡錘可以滿足運輸材料的需求；②通過計算論證，利用井上下口空間余量，將寬罐由兩層改為三層(上層乘人)，解決人員集中上、下問題；平衡錘設計為中空結(jié)構(gòu)，兼做交通罐，解決人員零星上、下問題；③最大設備為液壓支架，解體后最大重量為28t，小于原設計32t，可以滿足要求。綜上，計算最大班作業(yè)時間3.43h<4.5h，人員集中下井時間22.97min<30min，均滿足規(guī)范要求。副井裝備一套1.5t礦車三層四車寬罐帶平衡錘，滿足3.0Mt/a井型的輔助提升需求。

此外，容器修改后，關(guān)于提升系統(tǒng)安全性能，需要說明如下幾點：①罐籠加高后，過卷、過放距離仍然滿足要求；②罐籠自重有所增加，但最大靜張力較原來略小，鋼絲繩及容器懸掛裝置等安全系數(shù)均未降低；③最大件重量較原設計小，提升機、電機、電控裝置、制動裝置均滿足安全需求。

3.3 糾偏設計

副井出水造成工廣地層產(chǎn)生滑移，主、副井井架、提升機房等均不同程度產(chǎn)生滑移，另外，主、副井井筒斷面重新布置后，容器位置較原來均發(fā)生變化。主、副井均需要糾偏設計，使提升機中心線、井架天輪中心線、容器提升中心線重新共線，確保提升系統(tǒng)安全運行。

關(guān)于已有井架和提升機房的安全可靠性，說明兩點：①主、副井井架為四斜柱式鋼井架，提升機房均采用采用鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土獨立基礎。經(jīng)過專業(yè)機構(gòu)檢測評估，主、副井井架和提升機房強度未受影響；②設計通過保持箕斗載荷與自重不變，保證了主井提升設備和鋼絲繩亦可隨之保持不變；副井罐籠雖有變化，但是系統(tǒng)最大靜張力和靜張力差均略有減小，鋼絲繩也保持不變。如此，則主、副井提升機房和井架的載荷不變。

綜上兩點，主、副井提升機房和井架滿足安全需求，可以使用。

3.3.1 主井糾偏設計

1)主井偏離情況。實測主井井筒新中心線較現(xiàn)提升機滾筒中心線向南(提升機軸向)偏移了76mm，兩個箕斗幾何中心線跟隨向南偏移76mm。

實測井架天輪中心線較現(xiàn)提升機滾筒中心線向南(天輪軸向)偏移了46mm。另外，由于箕斗中心距從原設計2350mm縮小到2080mm，因此，上、下天輪在東西方向(天輪徑向)也需要做相應調(diào)整。

2)糾偏設計。首先，需要確定糾偏的基準線。①井架天輪平臺不但南北方向需要改動，而且東西方向也需要調(diào)整，因此排除天輪作為糾偏基準的方案；②存在以箕斗中心線作為基準和以提升機滾筒中心線作為基準兩種方案，提升機已經(jīng)安裝完畢而井筒尚未裝備，顯然以提升機滾筒中心線為基準進行糾偏的工作量小，方案更合理。

其次，箕斗和井筒裝備糾偏。若通過減小箕斗外形尺寸，使其在井筒中作非對稱布置，以滿足向南糾偏76mm的需求，則箕斗需要進一步加長，過卷和過放距離將難以滿足安全要求。因此，設計考慮利用箕斗外形細長以及有配重塊的特點，調(diào)節(jié)內(nèi)部配重塊的位置，將箕斗重心線從中心線位置向南調(diào)整76mm，同時調(diào)整首、尾繩在箕斗上的掛點，不改變箕斗外形尺寸，從而充分利用主井井筒斷面，保持過卷過放距離安全。

最后，井架天輪平臺的糾偏。經(jīng)過計算，設計保持井架主體結(jié)構(gòu)不變，對兩層天輪平臺作水平定位尺寸調(diào)整。需要更換和調(diào)整構(gòu)件包括天輪支座、天輪平臺鋪板梁、天輪平臺鋪板、天輪平臺欄桿等。并且，根據(jù)井架銹蝕情況，重新對井架做除銹和防腐處理，確保井架既有構(gòu)件滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

綜上，通過以上三步驟，使提升機中心線、井架天輪中心線、容器提升中心線重新共線，確保提升系統(tǒng)安全運行。

3.3.2 副井糾偏設計

1)副井偏離情況。新布置容器的提升中心線較原提升中心線向東(提升機軸向)偏離80mm，另外，現(xiàn)場實測提升機滾筒中心線較原提升中心線向西偏移了36mm，這樣提升機中心線相對于新容器提升中心線向西偏離了116mm。

實測井架天輪中心線較現(xiàn)提升機滾筒中心線向西(天輪軸向)偏移了7mm。另外，由于容器中心距從原設計2030縮小到1900mm，且容器位置較原來有較大變動，因此，上、下天輪在南北方向(天輪徑向)也需要做相應調(diào)整。

2)糾偏設計。首先，需要確定糾偏的基準線。①井架天輪平臺不但東西方向需要改動，而且南北方向也需要調(diào)整，因此排除天輪作為糾偏基準的方案；②存在以容器中心線作為基準和以提升機滾筒中心線作為基準兩種方案，正常情況下，顯然以提升機滾筒中心線為基準糾偏工作量小。但是該方案缺點是：本項目的罐籠尺寸剛好滿足運輸大件需求，不能通過縮小尺寸調(diào)整糾偏；罐籠外形和承載特點決定其提升中心線與幾何中心線共線，也不能通過調(diào)整重心線來糾偏。因此，只能以容器中心線作為基準。

其次，提升機糾偏。經(jīng)與建設方、施工單位、生產(chǎn)廠商協(xié)商論證，利用集團公司設備調(diào)劑方便的優(yōu)勢，采用非標卷筒替代現(xiàn)有卷筒的方案來糾偏。即制作非標卷筒將摩擦襯墊在卷筒上的安裝位置向西調(diào)整116mm(利用卷筒擋繩板與制動器之間的空間)。將更換下的卷筒調(diào)劑到其他礦使用。校驗基礎強度以及提升機的強度均可以滿足糾偏后的受力情況。其優(yōu)點：不增加設備投資；設備基礎載荷變化微小，安全可靠。

最后，井架天輪平臺的糾偏，與主井天輪平臺糾偏方案類似。

綜上，通過以上步驟，使提升機中心線、井架天輪中心線、容器提升中心線重新共線，完成糾偏工作。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)主、副井井筒斷面變化的具體情況，通過非標設計，完成大型提升容器和復雜裝備的設計工作。為大型礦井主、副井井筒斷面布置提供案例。

2)在副井提升容器減少一只的不利情況下，充分挖掘提升系統(tǒng)潛力與統(tǒng)籌調(diào)整提升任務相結(jié)合，最終，解決復雜條件大型深井輔助提升能力的難題。為大型復雜條件礦井的副井設計提供借鑒。

3)根據(jù)主、副井提升系統(tǒng)不同的特點，采用不同的糾偏方案。為大型提升系統(tǒng)糾偏設計提供參考。