趙興東，武 桐，李文光，鄧堯增

（1.東北大學 深部金屬礦采動安全實驗室，沈陽 110819；2.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州 261400）

深部礦產(chǎn)資源開發(fā)逐漸發(fā)展成為世界采礦工業(yè)的重要組成和發(fā)展的必然趨勢。為開采深部礦體，常采用深豎井開拓。當前深豎井掘進主要以鉆爆法為主，在深豎井開鑿過程主要采用懸吊系統(tǒng)作為鉆爆工作平臺，運輸提升矸石，懸吊溜灰、通風、供水、供電等輔助系統(tǒng)，發(fā)揮著重要作用。與1 000 m以淺豎井建造相比，2 000 m深豎井施工提升懸吊系統(tǒng)存在的主要技術(shù)問題有：提升設(shè)備大型化、荷載重，懸吊設(shè)備數(shù)量多，鋼絲繩直徑增大造成鋼絲繩自重顯著增加，導致鑿井井架負荷大；吊盤升降時與穩(wěn)車同步性難以保證；吊桶擺動幅度大，易碰撞吊盤、井壁；同時豎井深部地壓大（≥50 MPa）、溫度高（≥40℃）、水頭壓力大（≥9 MPa）、強腐蝕，對鑿井設(shè)備安全可靠性要求高［1-3］。本文針對三山島金礦2 000 m深豎井鑿井提升懸吊系統(tǒng)，結(jié)合礦山生產(chǎn)能力和工程技術(shù)條件，進行合理選型布置，降低施工風險，滿足安全生產(chǎn)需要。

1 工程概況

三山島西嶺金礦隸屬于山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司，已探明黃金儲量550 t以上，其2 000 m深豎井位于礦區(qū)工業(yè)場地內(nèi)，井筒中心坐標X＝41 988.115，Y＝95 375.889。井 筒 凈 直 徑10.5 m，掘進斷面直徑11.5 m，井口標高＋15 m，井底標高－1 990 m，井筒深度2 005 m。井頸段17 m，采用900 m厚雙層鋼筋混凝土支護，井筒正常地層段采用500 mm厚C30／C40素混凝土支護，不良巖層段采用錨桿、金屬網(wǎng)加C40鋼筋混凝土支護，厚度500 mm。

2 提升懸吊設(shè)備選型

2.1 井架

由于井筒深度達到2 000 m，屬于超深豎井，施工時懸吊荷載及沖擊荷載較大，需要求井架的承載能力大于700 t；井筒凈直徑為10.5 m，考慮到設(shè)備、材料運輸，吊盤懸吊、鎖口盤安裝及鑿井設(shè)備和懸吊天輪均能布置在天輪平臺上，天輪平臺的有效布置面積應達到8.5 m×8.5 m［4］；為避免提升時滑架與天輪平臺相撞或發(fā)生跑車事故，吊桶提升的過卷高度不小于10 m。最終選用ⅤⅡ型鑿井井架（圖1），井架參數(shù)見表1［5］。經(jīng)過使用和現(xiàn)場實測，ⅤⅡ型鑿井井架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、強度高、空間穩(wěn)定性好，滿足超深豎井的提升要求。

圖1 ⅤⅡ型鑿井井架Fig.1 ⅤⅡtype sinking headframe

表1 ⅤⅡ型鑿井井架規(guī)格及參數(shù)Table 1 Specifications and parameters ofⅤⅡtype sinking headframe

2.2 提升機

為滿足超深豎井提升要求配備專用鑿井提升機，布置1臺JKZ-5.5×3／27作為主提升機（見圖2左），電機功率2 800 k W，卷筒直徑5.5 m，用于廢石、混凝土及大型設(shè)備提升；布置2臺JKZ-5.0×3／20作為副提升機（見圖2右），電機功率1 250 k W，卷筒直徑5.0 m，用于人員上下、炸藥、排水等輔助提升。鑿井提升機參數(shù)見表2。

表2 主、副提升機參數(shù)Table 2 Parameters of main and auxiliary hoists

圖2 主、副提升機Fig.2 Main and auxiliary hoists

2.3 吊桶

吊桶作為豎井井筒開鑿期間提升矸石的主要容器，是全部鑿井設(shè)備的核心，選擇吊桶時需要考慮井筒斷面尺寸及抓巖機生產(chǎn)率。吊桶排渣容積計算如式（1）［2］：

式中：V T—吊桶排渣容積，m3；T—吊桶提升一次循環(huán)時間，考慮井筒深度變化，平均取300 s；A zh—井筒工作面抓巖機的總生產(chǎn)率，取60 m3；Ct—提升不均勻系數(shù)，取1.25。

計算得出吊桶排渣容積V T＝6.94 m3。根據(jù)井筒不同標高范圍出矸情況選用相應吊桶排渣：井筒標高－1 460 m以上選擇7 m3吊桶；標高范圍在－1 460～－1 850 m時，更換為5 m3吊桶（見圖3）；標高達到－1 850 m以下時，將5 m3吊桶更換為4 m3吊桶。

圖3 5 m3座鉤式吊桶Fig.3 5 m3 seat hook bucket

豎井掘進每循環(huán)爆破進尺4 m，巖石松散系數(shù)為1.6，每次爆破出矸量為415.28 m3，選用2臺HZ-6B中心回轉(zhuǎn)式抓巖機抓巖，使用7 m3吊桶裝6.3 m3矸石，主提升機雙溝提升，每掘進循環(huán)用時5.83 h。

2.4 提升鋼絲繩

隨著井筒掘進深度增加鋼絲繩自重也在增加，導致提升機提升荷載也在增加，以井筒標高－1 460 m以上所用鋼絲繩為例計算鋼絲繩安全系數(shù)。本豎井選用34×7-60-1860＋FC型進口鋼絲繩作為主提升鋼絲繩，所用鋼絲繩懸吊高度2 041 m，單位質(zhì)量約15 kg／m，總質(zhì)量30.411 t，鋼絲繩全部破壞拉力為336.327 t，以下對提升鋼絲繩安全系數(shù)進行驗算。

在此標高范圍內(nèi)，鋼絲繩配18 T鉤頭，質(zhì)量0.289 t，附屬裝置總質(zhì)量0.544 t，掛7 m3矸石吊桶，吊桶質(zhì)量2.349 t。

提升矸石時，按排出矸石最大質(zhì)量計算，出渣量為10.071 t；提升人員時，7 m3吊桶限乘12人，每人按75 kg計算，人員總質(zhì)量為0.9 t。

綜合上述分析，提升物料時，鋼絲繩的最大靜張力為Q物＝43.375 t；提升人員時，鋼絲繩的最大靜張力為

鋼絲繩總破斷拉力為336.327 t，以最大靜張力驗算提升鋼絲繩安全系數(shù)。提升物料時，M物＝336.327／43.375＝7.75；提 升 人 員 時，M人＝336.327／34.204＝9.83。根據(jù)《GB16423—2020金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，驗算結(jié)果均符合規(guī)定。

2.5 鑿井絞車

鑿井絞車用于懸吊吊盤、穩(wěn)繩、抓巖機、各種管路及電纜等，所選用的鑿井絞車最大靜張力應大于或等于鋼絲繩懸吊的終端荷重與鋼絲繩自重之和［6］。根據(jù)井筒懸吊設(shè)備重量、懸吊方式及鋼絲繩數(shù)量，選用20臺JZ型鑿井絞車布置在井口周圍，如圖4所示，絞車最大提升速度8.22 m／min，鋼絲繩額定拉力500 k N，提吊能力強、容繩量大、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

圖4 鑿井絞車布置平面圖Fig.4 Layout plan of sinking winches

3 提升系統(tǒng)布置

3.1 天輪平臺布置

天輪平臺的布置主要是將井內(nèi)各懸吊設(shè)備的天輪和天輪支承梁妥善布置在天輪平臺上，通過天輪調(diào)節(jié)鋼絲繩的運動方向，充分發(fā)揮鑿井井架的承載能力。天輪平臺尺寸為9 m×9 m，“目”字型結(jié)構(gòu)，主提升采用Φ5 200 mm天輪1套，副提升采用Φ4 500 mm天輪2套，吊盤采用Φ1 500 mm天輪16套，模板采用Φ1 250 mm天輪4套，傘鉆采用Φ1 050 mm天輪2套，安全梯采用Φ650 mm天輪2套，爆炮電纜采用Φ800 mm天輪2套，動力電纜采用Φ1 050 mm天輪3套，電纜采用Φ1 050 mm天輪2套，液壓電纜采用Φ1 250 mm天輪2套，中心回轉(zhuǎn)式抓巖機采用Φ1 500 mm天輪2套。

3.2 吊盤布置

吊盤作為井筒內(nèi)的主要工作平臺，既是井筒工作面掘砌施工過程中的安全保護裝置，又是設(shè)備工具安裝、檢修的平臺［7］。在本豎井施工中采用3層吊盤，直徑10 500 mm，安裝有鋼結(jié)構(gòu)附圈，為滿足施工需要，中間盤為活動盤，主工作盤間距5 m。由于吊盤盤徑大，荷載分布不均勻，吊盤共設(shè)計了8個懸吊點，每個懸吊點設(shè)置了“人字形結(jié)構(gòu)”各兩個懸吊吊卡，共計16個連接點。下層盤與上層盤各布置了5個聚氨酯吊盤固定器，更好穩(wěn)固調(diào)平。吊盤懸吊裝置均勻布置在橫向的四根工字鋼鋼梁上，并上下左右對稱布置，實現(xiàn)了吊盤受力的均衡性。工作平臺上布置有抓巖機、混凝土輸送管、壓風管、吊泵、安全梯及各種電纜等，其中信號電纜隨吊盤懸吊繩懸掛，其他設(shè)備有專門懸吊繩懸掛。吊盤平面布置見圖5。

圖5 吊盤布置平面圖Fig.5 Layout plan of hanging scaffold

4 提升懸吊系統(tǒng)

為排除井筒工作面矸石、下放材料設(shè)備及升降工作人員，設(shè)置提升懸吊系統(tǒng)滿足施工要求。在井口安裝ⅤⅡ型鑿井井架，井架上設(shè)天輪平臺并采用“個”型支撐，整體結(jié)構(gòu)呈“人”型支撐，有利于向下傳遞荷載。井架一側(cè)布置1臺JKZ-5.5×3／27型主提升機，配備2臺2 800 k W電機；兩側(cè)分別布置1臺JKZ-5.0×3／20型副提升機，各配2臺1 250 k W電機。由主提升機將YSJZ4.10型雙聯(lián)傘鉆提升至井口，施工時采用JZ-25／1800鑿井絞車懸吊。

井筒施工懸吊系統(tǒng)采用Φ10 500 mm三層鋼結(jié)構(gòu)吊盤，配備4根18×7-52-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩、4根35×k7-56-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和8臺JZ-50／2500鑿井絞車；模板配備4根18×7-42-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和4臺JZ-40／2500鑿井絞車；2臺HZ-6B型中心回轉(zhuǎn)式抓巖機配備18×7-48-1870、18×7-56-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-50／2500鑿井絞車；安全梯配備18×7-20-1870、18×7-24-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-16／1000鑿井絞車；爆破電纜配備18×7＋IWS-24-1670、18×7＋IWS-32-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-16／1300鑿井絞車；動力電纜配備18×7＋IWS-26-1870、18×7＋IWS-38-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-25／1800鑿井絞車；液壓電纜配備18×7＋IWS-32-1870、18×7＋IWS-46-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-40／2500鑿井絞車；照明、監(jiān)控、通訊等電纜配備18×7＋IWS-26-1770、18×7＋IWS-36-1870阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和JZ-25／1800鑿井絞車。

5 安全措施

1）豎井提升時嚴格控制提升重量，避免鋼絲繩在運行過程中突然受到猛烈拉力作用，導致鋼絲繩發(fā)生扭曲變形，甚至斷裂。嚴禁提升超速運行，完善提升系統(tǒng)托罐、防撞等裝置，確保運行速度在容許范圍內(nèi)［8］。

2）采用變頻控制、傳感、PLC控制技術(shù)，保證吊盤在升降時與穩(wěn)車鋼絲繩以相同速度運行。在運行過程中，安全監(jiān)控系統(tǒng)可實時監(jiān)測鋼絲繩的移動速度，通過控制變頻器調(diào)整鋼絲繩速度，實現(xiàn)吊盤與穩(wěn)車同步運行［9］。

3）采用聚氨酯吊盤固定器，避免穩(wěn)盤在井筒中的橫向擺動，固定吊桶提升軌跡，防止吊桶碰撞吊盤，保持平穩(wěn)升降。

6 結(jié)論

1）通過采用新型設(shè)備、合理安排系統(tǒng)布置和采取安全技術(shù)措施，使深豎井提升懸吊系統(tǒng)所面臨的一些技術(shù)問題得到解決，工程質(zhì)量滿足標準要求，副井井筒月進尺達到了120 m。不僅提高了成井速度，而且最大程度避免了施工過程中事故的發(fā)生，保障工作人員的安全。

2）使用ⅤⅡ型鑿井井架，具有更高的承載力，增加深豎井提升懸吊的穩(wěn)定性；超深豎井鑿井提升機能在井筒深度不斷增加時仍能滿足成井所需提升能力要求；采用提升裝置安全監(jiān)控系統(tǒng)對吊盤穩(wěn)車進行變頻調(diào)速集中控制，提高穩(wěn)車群整體提升能力，保證系統(tǒng)安全運行。