李建朋，徐永福 ，熊 健

1招金礦業(yè)股份有限公司 山東招遠(yuǎn) 265400

2洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

3智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

鑿井提升機(jī)是井筒作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，是建井的 重要工具，在建井產(chǎn)業(yè)中占有特殊地位。它主要用于提升吊桶、升降人員及鑿井用的各種機(jī)械設(shè)備、下放砌壁用的混泥土等。鑿井提升機(jī)在整個(gè)井筒施工期間起著重要的作用，其選型及布置的合理與否直接關(guān)系到提升的安全性和建井速度[1]。

1 鑿井提升系統(tǒng)的組成

鑿井提升系統(tǒng)的主要設(shè)備有鑿井提升機(jī)、天輪裝置、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、控制與傳動(dòng)系統(tǒng)、井架、鋼絲繩、鉤頭裝置、吊桶、抓巖機(jī)、傘鉆、挖掘機(jī)等[2]，如圖 1 所示。其中，聯(lián)系井下與地面的核心設(shè)備為鑿井提升機(jī)，現(xiàn)在常用的為 JKZ 型鑿井提升機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式與纏繞式提升機(jī)基本相同。但與單繩纏繞式提升機(jī)采用相同或相近規(guī)格時(shí)，鑿井提升機(jī)具備更大的提升能力。

圖1 鑿井提升系統(tǒng) Fig.1 Sinking hoist system

JKZ 型鑿井提升機(jī)主要由主軸裝置、盤形制動(dòng)裝置、卷筒護(hù)板、液壓站、深度指示器及傳動(dòng)裝置、測(cè)速傳動(dòng)裝置、潤(rùn)滑站、齒輪聯(lián)軸器、減速器、彈性棒銷聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)以及各類底座等組成[3]，如圖 2 所示。

圖2 JKZ 鑿井提升機(jī)的組成Fig.2 Constitution of JKZ-type sinking hoist

2 JKZ 型鑿井提升機(jī)選型計(jì)算

選型計(jì)算的基本依據(jù)是建設(shè)井筒的直徑與井深、每小時(shí)出渣量等。鑿井提升系統(tǒng)的選型是一項(xiàng)較復(fù)雜的設(shè)計(jì)工作，需要反復(fù)修正計(jì)算，才能最終確定[4]。目前鑿井提升機(jī)的選型主要存在以下問(wèn)題：

(1) 所選鑿井提升機(jī)的結(jié)構(gòu)形式難以實(shí)現(xiàn)后期改鑿井絞車的工作；

(2) 隨著掘進(jìn)深度的增加，提升能力與抓巖能力不匹配；

(3) 無(wú)法滿足挖掘橫巷道時(shí)大件設(shè)備的運(yùn)輸要求等。

2.1 選型原則

JKZ 型鑿井提升機(jī)的選型一般采用以下原則[5]：

(1) 必須滿足項(xiàng)目建井不同階段的所有要求；

(2) 立井鑿井時(shí)，無(wú)論選用單筒或雙筒設(shè)備，一般均采用單鉤提升，并且要考慮提傘鉆、提碴及提人的所有工況；

(3) 針對(duì)不需要臨時(shí)改為鑿井絞車的井筒，井筒直徑 5 m 以上時(shí)，一般采用 2 臺(tái)單筒鑿井設(shè)備；井筒直徑 5 m 以下時(shí)，則易采用單臺(tái)單筒鑿井設(shè)備；

(4) 針對(duì)需要臨時(shí)改為鑿井絞車的井筒，井筒直徑 5 m 以上時(shí)，一般采用 1 臺(tái)雙筒和 1 臺(tái)單筒鑿井設(shè)備；井筒直徑 5 m 以下時(shí)，則易采用單臺(tái)雙筒鑿井設(shè)備。

2.2 選型計(jì)算

影響鑿井提升機(jī)選型的主要因素有建設(shè)井筒直徑、提升容器 (提升能力)、提升高度、運(yùn)輸最大不可拆卸件的質(zhì)量等。

2.2.1 建設(shè)井筒基本參數(shù)

井筒設(shè)計(jì)凈直徑為D井筒，mm；井筒建設(shè)深度為H井深，m；天輪裝置平臺(tái)高度為h天輪，m；提升吊桶容積為V，m3，自重為Q吊，kg；鉤頭裝置質(zhì)量為G鉤頭，kg；滑架質(zhì)量為Q滑，kg；傘鉆自重為Q傘，kg。

2.2.2 提升鋼絲繩的選型計(jì)算

鋼絲繩懸垂長(zhǎng)度

(1) 提升吊桶時(shí)的終端載荷

式中：Km為裝滿系數(shù)，通常取 0.9；γg為松散矸石容重，kg/m3；γs為水的容量，kg/m3；Ks為巖石松散系數(shù)，一般取 2。

(2) 提升傘鉆時(shí)的終端載荷

通常提升傘鉆的載荷要大于提升吊桶的載荷，即Q終'＞Q終。選擇鋼絲繩型號(hào)時(shí)，采用較大載荷Q終'計(jì)算。

(3) 提升鋼絲繩單位質(zhì)量

式中：σB為鋼絲繩抗拉強(qiáng)度，MPa；ma為安全系數(shù)，按照規(guī)程常取 7.5。

鑿井提升機(jī)多采用多層股不旋轉(zhuǎn) 18×7+FC 鋼絲繩，它的抗拉強(qiáng)度為 1 770 MPa；根據(jù)式 (4) 得到的單位質(zhì)量，可選出對(duì)應(yīng)鋼絲繩的直徑。根據(jù)上文的技術(shù)參數(shù)，需要重新校核不同工況下的鋼絲繩安全系數(shù)，滿足規(guī)程要求即可。

2.2.3 天輪裝置選型

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》及《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求，纏繞式提升機(jī)卷筒、天輪與提升鋼絲繩直徑之比應(yīng)符合相關(guān)要求，如表 1 所列。

表1 卷筒、天輪與提升鋼絲繩直徑之比Tab.1 Ratio of drum diameter and head shave diameter to hoisting wire rope diameter

根據(jù)礦山類型及設(shè)備所用位置，天輪裝置的名義直徑D天可根據(jù)鋼絲繩直徑d按照對(duì)應(yīng)的規(guī)程計(jì)算得到。此外，其強(qiáng)度與剛度必須滿足鋼絲繩破斷拉力的要求。

2.2.4 提升機(jī)選型

(1) 提升機(jī)卷筒直徑 參照表 1，提升卷筒的名義直徑D可根據(jù)鋼絲繩直徑d按照對(duì)應(yīng)的規(guī)程計(jì)算得到。

(2) 提升機(jī)卷筒寬度

式中：B為提升機(jī)卷筒寬度計(jì)算值，mm；L為試驗(yàn)繩長(zhǎng)度，一般取 30 m；λ為死繩圈，一般取 3；ε為鋼絲繩圈間隙，根據(jù)鋼絲繩直徑的大小取值稍有不同。纏繞層數(shù)

式中：BT為鑿井提升機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)際寬度，mm。n必須要滿足規(guī)程中的要求。

(3) 提升機(jī)型號(hào) 根據(jù)確定的卷筒名義直徑和寬度，即可選出鑿井提升機(jī)需要設(shè)計(jì)的規(guī)格型號(hào)。工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要校核提升機(jī)的最大靜張力與最大靜張力差，確保提升設(shè)備滿足使用要求。

2.2.5 電動(dòng)機(jī)功率估算

式中：k為電動(dòng)機(jī)富裕系數(shù)，一般取K=1.1；vm為最大提升速度，m/s；η為提升機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的傳遞效率，行星齒輪減速器取 0.92，平行軸減速器取 0.85～0.90。

電動(dòng)機(jī)功率初選后，需要按照電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩以及下放大件工況等情形進(jìn)行校核驗(yàn)算。

2.3 主機(jī)設(shè)備規(guī)格參數(shù)

系統(tǒng)選型計(jì)算后，可初步確定鑿井提升機(jī)規(guī)格以及主要技術(shù)參數(shù)，但從設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化考慮，應(yīng)優(yōu)先按照 JB/T 12193—2015《鑿井提升機(jī)》中的規(guī)格參數(shù)進(jìn)行選取，如表 2 所列。如實(shí)際選型計(jì)算規(guī)格在標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)相同產(chǎn)品，應(yīng)遵守相近規(guī)格靠上選取的原則。

表2 鑿井提升機(jī)的規(guī)格參數(shù)Tab.2 Specification and parameters of sinking hoist

2.4 配套設(shè)備

選擇鑿井配套設(shè)備時(shí)，提升能力要與抓巖能力相匹配，且提升能力要大于抓巖能力，以保證隨著井筒掘進(jìn)深度的增加，抓巖機(jī)在裝巖時(shí)間內(nèi)仍可不間斷連續(xù)工作[6]。不同直徑的井筒常用的吊桶設(shè)備及配套的抓巖機(jī)可參考如表 3 所列進(jìn)行選取。

表3 配套輔機(jī)的選取參考Tab.3 Reference for selecting matched equipments

3 現(xiàn)場(chǎng)安裝及布置

在整個(gè)鑿井提升系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝與布置中，提升吊桶的位置最為關(guān)鍵，其位置不僅影響地面機(jī)房和井架位置的確定，還決定著井筒內(nèi)掘進(jìn)設(shè)備的布局。因此，現(xiàn)場(chǎng)鑿井建設(shè)時(shí)，首先要確定吊桶的安裝方式和位置。提升吊桶的位置布局通常要遵守下列規(guī)則。

(1) 吊桶的結(jié)構(gòu)形式、連接形式、載人載物條件以及井筒中位置間距關(guān)系等，均必須遵守《煤炭安全規(guī)程》或《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的要求。

(2) 選用雙筒鑿井提升機(jī)作為單筒起吊時(shí)，提升吊桶應(yīng)安置于固定卷筒側(cè)。天輪平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)為游動(dòng)卷筒側(cè)天輪安裝留足空間，以便于后期單鉤吊桶改為雙鉤罐籠提升。

(3) 選用一套單筒或一套雙筒鑿井提升設(shè)備時(shí)，提升吊桶優(yōu)先放于井筒中心線下方靠近提升設(shè)備側(cè)，方便安裝天輪井架和相關(guān)鑿井設(shè)備。

(4) 吊桶兩側(cè)穩(wěn)繩間距的選擇應(yīng)與配套的滑架相一致，提升繩及穩(wěn)繩需在一個(gè)大平面內(nèi)，且與卸載方向垂直。

(5) 選擇兩套鑿井設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，兩套吊桶應(yīng)以井架中心面對(duì)稱分布；此時(shí)，井架受到的側(cè)拉力相互抵消，穩(wěn)定性更好，也有助于井架水平連桿布置翻矸臺(tái)。

(6) 對(duì)于采用罐籠提升的副立井，提升吊桶應(yīng)放置于永久提升機(jī)房?jī)?nèi)，提升設(shè)備中心線與后期礦車進(jìn)出方向一致；對(duì)于采用箕斗提升的剛性罐道主立井，若采用多套鑿井設(shè)備，必須有一套放置于永久提升機(jī)房?jī)?nèi)，提升吊桶的中心線與后期固定提升設(shè)備中心線平行或垂直，且必須與車場(chǎng)的出車方向一致。

(7) 鑿井后期如有提升吊桶改為臨時(shí)罐籠計(jì)劃，提升吊桶應(yīng)與臨時(shí)罐籠安裝位置一致，且提升吊桶與臨時(shí)罐籠的提升鋼絲繩間距保持相同。

4 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)幾年，隨著淺部資源的枯竭，礦產(chǎn)資源的開(kāi)采已逐步轉(zhuǎn)入深井或超深井領(lǐng)域，如中國(guó)黃金紗嶺金礦、云南馳宏會(huì)澤鉛鋅礦、山東招金瑞海礦業(yè)以及山東黃金三山島金礦等，井深都已超過(guò)了 1 500 m。今后，超深井的建設(shè)將會(huì)越來(lái)越多，大型鑿井提升設(shè)備也隨之迎來(lái)黃金期，超深井鑿井提升系統(tǒng)與設(shè)備的設(shè)計(jì)選型顯得尤為重要。通過(guò)鑿井設(shè)備的選型與布置介紹，期待與同行對(duì)新建礦井鑿井初期的建設(shè)進(jìn)行探討。