宋立平

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，伴隨著煤炭開采裝備和采煤技術(shù)的快速發(fā)展，礦井井型也逐年加大，千萬噸級礦井在內(nèi)蒙古、陜西、寧夏等地區(qū)已較為常見。大型礦井的快速建設(shè)，對提升設(shè)備及立井井筒裝備提出了更高的要求。目前，大型礦井主立井井筒裝備箕斗的載荷均在40 t以上，且隨著無軌膠輪車和大采高支架的推廣普及，副立井井筒裝備提升要求顯著增大，提升繩端載荷均超過800 kN以上[1-3]。現(xiàn)在立井井筒裝備所面臨的提升設(shè)備的運(yùn)行條件是井筒深、荷載超大、運(yùn)行速度高，因此在提升容器高速、重載運(yùn)行情況下容易出現(xiàn)罐道變形、罐道梁破壞和運(yùn)行失穩(wěn)等損壞現(xiàn)象[4-9]，這是對裝備設(shè)計的考驗。此前GB 50384—2007《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于罐道所受載荷的計算方法為業(yè)內(nèi)慣稱的“德國公式”，而2016年修編出版的現(xiàn)行規(guī)范正文與說明部分共提供了兩個受力計算公式，二者的計算結(jié)果相差很大[10-12]。此外，對這種超大繩端載荷運(yùn)行工況條件下立井井筒裝備所開展的研究相對較少。因此，筆者結(jié)合所在單位近年來所做的超大終端載荷立井井筒裝備設(shè)計，給出了幾個典型工況下的設(shè)計斷面及罐道的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，供相似條件下的立井罐道的設(shè)計進(jìn)行參考。

1 公式討論

1.1 目前規(guī)范中公式存在的問題

根據(jù)現(xiàn)有的GB 50384—2016《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)前設(shè)計采用的是德國公式和工程計算法。德國公式的罐道與罐道梁正面水平力標(biāo)準(zhǔn)值為提升終端載荷的1/12；而工程計算法則是考慮了提升終端荷載、運(yùn)行速度、罐道梁或托架的層間距3個主要因素，運(yùn)用相對運(yùn)動原理，通過剛性井筒裝備水平力模擬實驗臺正交設(shè)計進(jìn)行實驗，由中國礦業(yè)大學(xué)測得水平力數(shù)據(jù)，在對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析的基礎(chǔ)上提出來的。當(dāng)分別采用德國公式與工程計算法后，得到的水平力的差值極大，兩者成數(shù)倍的差值以門克慶礦井副立井井筒裝備為例，分別采用這兩個公式進(jìn)行計算。提升終端載荷為1 600 kN，運(yùn)行速度為10.47 m/s，罐道層間距為4 m，采用德國公式計算結(jié)果為133 kN，采用工程計算法公式計算結(jié)果為27.56 kN，兩者之間水平力相差了3.8倍。

1.2 兩個公式提出的背景條件

德國公式是30年代原聯(lián)邦德國提出的經(jīng)驗公式，其適用條件是提升容器載重小于20～30 t，運(yùn)行速度小于14 m/s。工程計算法是90年代中國礦業(yè)大學(xué)提出的3參數(shù)水平力計算公式，適用條件為提升容器載重小于30～40 t，運(yùn)行速度小于14～18 m/s?？梢?，兩個公式的適用條件都與目前立井裝備運(yùn)行工況不符。

1.3 結(jié)構(gòu)受力計算

傳統(tǒng)的立井井筒裝備結(jié)構(gòu)計算是將罐道和罐道梁分離，采用簡支梁或連續(xù)梁受集中力平面計算模型進(jìn)行罐道和罐道梁強(qiáng)度、剛度的計算。對于罐道梁，立井裝備有一套提升系統(tǒng)，罐道梁的受力為一側(cè)罐道作用于罐道梁的作用力。兩套提升系統(tǒng)，由于4根罐道所受荷載難以同時作用在一根罐道梁上，因此該工況不予考慮；兩根罐道荷載同時作用在一個罐道梁上的概率也較小，因此該工況也不予考慮。罐道梁受力的最不利荷載為最內(nèi)側(cè)其中的一根罐道作用于罐道梁的作用力。由于罐道梁的作用力為罐道對其施加，而罐道的作用力在提升容器上，只要計算出罐道的荷載，通過作用力與反作用的關(guān)系便能確定罐道梁的作用力。

2 工程案例

井筒裝備發(fā)展非常迅速，立井井筒裝備是井筒裝備中最復(fù)雜的形式，空間狹小，受力復(fù)雜，尤其是罐道和罐道梁受力非常復(fù)雜。當(dāng)前，立井提升繩端載荷 45 t以上較為常見，現(xiàn)行規(guī)范提供的兩個受力計算公式計算結(jié)果相差較大，因此工程參照法設(shè)計立井井筒裝備非常必要。

2.1 孟村煤礦

2.1.1 副立井裝備

孟村礦井位于陜西彬長礦區(qū)中西部的涇河西側(cè)，設(shè)計生產(chǎn)能力6.0 Mt/a，副立井井筒凈直徑8.5 m，提升深度550 m。設(shè)計一套提升系統(tǒng)，裝備一對雙容器提升，其中一個容器為非標(biāo)多繩特寬罐籠6 800 mm×2 800 mm×9 150 mm(長×寬×高)，另一個容器為小型非標(biāo)雙層窄罐籠5 000 mm×1 270 mm×9 150 mm(長×寬×高)，3趟φ325 mm×15(8)mm排水管路、兩趟φ325 mm×16(8)mm強(qiáng)排管路。設(shè)計提升速度為9.42 m/s，雙層四車罐籠及配重總重約39 t，最大件液壓支架重36 t(加重型平板車重量5 t)，合計提升繩端載荷為800 kN。立井?dāng)嗝嫒鐖D1所示、罐道選型參數(shù)見表1。

圖1 孟村副立井?dāng)嗝?/p>

2.1.2 主立井裝備

孟村礦井主立井凈直徑6.5 m，提升高度563.8 m。井筒內(nèi)裝備一對名義載煤量為45 t的立井多繩提煤箕斗，一趟黃泥灌漿管路(φ219 mm×8 mm)、一趟消防灑水管路(φ219 mm×8 mm)、一趟供水施救管路(DN100 mm)。每根鋼絲繩最大靜張力為1 700 kN，共4根；提升速度為11.34 m/s，箕斗及配重總重約82 t，名義載煤量45 t，最大繩端荷載為1 270 kN。立井?dāng)嗝嫒鐖D2所示、罐道選型參數(shù)見表1。

圖2 孟村主立井?dāng)嗝?/p>

表1 立井罐道選型表

2.2 門克慶煤礦

2.2.1 副立井裝備

門克慶礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗，設(shè)計生產(chǎn)能力12.0 Mt/a。副立井凈直徑10.0 m，提升高度725.5 m；井筒內(nèi)裝備兩套提升系統(tǒng)，分別為一個非標(biāo)特大罐籠(寬3.6 m)帶一個平衡錘、一個非標(biāo)大罐籠(寬2.1 m)帶一個平衡錘，兩個罐籠中心距為3 450 mm，提升速度10.47 m/s。雙層四車罐籠及配重總重約55.8 t，最大件液壓支架(含平板車)重50.0 t。特大罐籠的首繩共6根，長度均為770 m，總重48.5 t；特大罐籠的尾繩共3根，長度30 m，總重1.9 t。特大罐籠的最大繩端荷載約1 600 kN，同理，大罐籠的最大繩端荷載為840 kN。立井?dāng)嗝嫒鐖D3所示、罐道選型參數(shù)見表1。

圖3 門克慶副立井?dāng)嗝?/p>

2.2.2 主立井裝備

主立井凈直徑9.6 m，提升高度726.2 m。井筒內(nèi)裝備兩套提升系統(tǒng)，提升容器為標(biāo)準(zhǔn)50 t箕斗，箕斗自身重量68 t，提升繩的首繩重58 t，尾繩重2 t。提升速度14 m/s，箕斗最大繩端荷載為1 780 kN，罐道梁長8.3 m。立井?dāng)嗝嫒鐖D4所示、罐道選型參數(shù)見表1。

圖4 門克慶主立井?dāng)嗝?/p>

2.3 納林河煤礦二號副立井裝備

納林河二號礦的設(shè)計生產(chǎn)能力為8.00 Mt/a，可采儲量為796.38 Mt，礦井服務(wù)年限為71.1 a。副立井井筒凈直徑為10.5 m，采用立井多繩提升系統(tǒng)。井筒內(nèi)布置2套提升設(shè)備，其中1號提升系統(tǒng)為大罐籠+平衡錘，二號提升系統(tǒng)為小罐籠+平衡錘，2套提升系統(tǒng)主提升速度均為9.42 m/s。大罐籠的最大繩端荷載1 500 kN，同理，小罐籠的最大繩端荷載為750 kN。立井?dāng)嗝嫒鐖D5所示、罐道選型參數(shù)見表1。

圖5 納林河二號副立井?dāng)嗝?/p>

3 結(jié)語

由于我國西部一些超大型礦井提升容器運(yùn)行條件已超過現(xiàn)行采礦設(shè)計規(guī)范中有關(guān)剛性井筒裝備的設(shè)計條件，使得井筒裝備設(shè)計工作準(zhǔn)確性和可靠性難以保證，因此進(jìn)行超大繩端載荷提升條件下井筒裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計研究顯得十分必要。除上述案例以外，納林河二號礦井的一號主立井、二號主立井、胡家河主立井、文家坡主立井箕斗載重均為40 t，母杜柴登主立井箕斗載重為45 t。以上設(shè)計的立井井筒裝備運(yùn)行良好，且各個井筒提升裝備的運(yùn)行工況基本相似，可以為其他礦井立井裝備設(shè)計提供一定參考與借鑒。