準(zhǔn)東二號(hào)礦井副井井筒及裝備設(shè)計(jì)淺析

張金磊 蔡拔興 田小攀

（神華國(guó)能哈密大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

1 項(xiàng)目概況

準(zhǔn)東二號(hào)礦井副井井筒主要擔(dān)負(fù)礦井的輔助提升任務(wù)，兼作礦井的主要進(jìn)風(fēng)井。井筒凈直徑9.5m，凈斷面70.9m2，井筒深度545m。設(shè)計(jì)裝備一套罐道間距3920mm的六繩大罐籠(凈寬3800mm，本體高度7500mm)帶平衡錘（罐道間距3000mm）的提升容器，由大罐籠擔(dān)負(fù)全礦的矸石、設(shè)備、材料和人員的升降任務(wù)，凈寬3.8m的寬罐籠可提升最大件質(zhì)量為45t（含平板車(chē)質(zhì)量）。根據(jù)礦井井下輔助運(yùn)輸方式的選擇，本礦井井下采用無(wú)軌膠輪車(chē)作為輔助運(yùn)輸設(shè)備。因此，本大罐籠還可滿(mǎn)足大部分無(wú)軌膠輪車(chē)直接進(jìn)出罐籠的需要。為方便平時(shí)零星人員的上下井，利于能源的節(jié)約，井筒內(nèi)另布置了一對(duì)交通罐加平衡錘的提升設(shè)備，兩繩提升，兩端鋼罐道導(dǎo)向。交通罐罐道間距為1400mm，凈寬1440mm，上下兩層共可乘人16人。平衡錘罐道間距為700mm。

2 設(shè)計(jì)理念超前

2.1 主提升采用寬罐配平衡錘方式

采用寬罐配平衡錘的主提升，完全滿(mǎn)足礦井井下材料、設(shè)備、人員等的提升要求。對(duì)于3.8m的寬罐籠，在下框架式支架搬運(yùn)車(chē)”U”型拖車(chē)部或其他超寬設(shè)備與材料時(shí)，可以直接裝罐下井，減少了輔助裝載時(shí)間。如果減小罐籠寬度，框架式支架搬運(yùn)車(chē)“U”型拖車(chē)部的下井則需借助有軌平板車(chē)將拖車(chē)部側(cè)立，這樣就要在井口與井底采用吊裝設(shè)備進(jìn)行吊裝轉(zhuǎn)換，增加了不必要的輔助時(shí)間。

在完全滿(mǎn)足副井提升要求的前提下，將寬罐籠寬度減低，改平衡錘為平衡罐，對(duì)提升能力的提高作用不明顯。原因是平衡罐若寬度較大，則寬罐的寬度相應(yīng)減小，無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)軌膠輪車(chē)進(jìn)出罐籠的需要，這樣井口和井底車(chē)場(chǎng)勢(shì)必要采用全無(wú)軌，如此對(duì)于副井井口房和井底車(chē)場(chǎng)的布置影響較大。采用雙股線(xiàn)布置后，按照《煤礦安全規(guī)程》的要求，在滿(mǎn)足安全間隙的前提下，井口房和井底車(chē)場(chǎng)馬頭門(mén)的寬度需要加大很多（目前井口房進(jìn)出車(chē)側(cè)寬度分別為9m、13m，井底車(chē)場(chǎng)馬頭門(mén)進(jìn)出車(chē)側(cè)寬度分別已達(dá)7m和6m），經(jīng)驗(yàn)算井口房進(jìn)出車(chē)側(cè)寬度要增加至近9m和15m，井底車(chē)場(chǎng)馬頭門(mén)進(jìn)出車(chē)側(cè)寬度要增加至近8.5m和7.5m，這樣的硐室寬度會(huì)大大增加礦井工程投資。因井底車(chē)場(chǎng)馬頭門(mén)處巷道為煤層巷道，變形量較大，硐室寬度增加既影響井筒結(jié)構(gòu)，又給巷道的支護(hù)帶來(lái)很大的難題，給副井井筒和井底車(chē)場(chǎng)馬頭門(mén)的施工帶來(lái)很大的困難。

平衡錘在升降正常件和大件時(shí)采用人工增減配重塊的方式來(lái)調(diào)節(jié)靜張力差，在平衡錘的具體設(shè)計(jì)中可以選擇合理結(jié)構(gòu)，并在井口房配置相應(yīng)的吊裝牽引設(shè)備，方便快捷地調(diào)整平衡塊數(shù)量，快速實(shí)現(xiàn)鋼絲繩張力差的調(diào)節(jié)，降低因鋼絲繩張力差的調(diào)節(jié)對(duì)提升的影響，以達(dá)到高效節(jié)能的目的。

2.2 改變行人通道方式

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》“嚴(yán)禁在同一層罐籠內(nèi)人員和物料混合提升”的要求，進(jìn)出寬罐籠的無(wú)軌膠輪車(chē)司機(jī)必須出罐，不得在司機(jī)室內(nèi)隨罐籠一起提升。因此，采用3.8m寬的寬罐籠也是為了方便司機(jī)開(kāi)門(mén)進(jìn)出司機(jī)室的需要。

對(duì)于進(jìn)出交通罐的人員采取加寬?cǎi)R頭門(mén)而不采用專(zhuān)門(mén)的行人通道的方式，主要是因?yàn)椴捎脤?zhuān)門(mén)的行人通道不利于鎖罐人員對(duì)交通罐內(nèi)人員進(jìn)出的觀(guān)察，容易產(chǎn)生誤發(fā)信號(hào)，不利于礦井的安全生產(chǎn)。

3 設(shè)計(jì)解決技術(shù)難點(diǎn)

3.1 井筒及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本井田廣泛分布泥巖、砂巖巖組，上部風(fēng)化段巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，吸水率和含水率增大，巖芯多呈塊狀及短柱狀。巖體的力學(xué)強(qiáng)度明顯降低，在開(kāi)挖條件下，如巖體遇水，泥巖和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖易軟化變形，巖體的穩(wěn)定性較差，因此確定風(fēng)化的泥巖、砂巖巖組的工程地質(zhì)類(lèi)型為不穩(wěn)固型。風(fēng)化段下部為石樹(shù)溝群、西山窯群（組）巖體，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等組成，根據(jù)巖石物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)值分析，大部分層段屬軟、極軟巖層，總體上井筒所通過(guò)的巖層工程地質(zhì)性質(zhì)不良。由于巖體的力學(xué)強(qiáng)度較低，某些部位的巖石膨脹力、膨脹率較大，在開(kāi)鑿井筒時(shí)井壁不完整，遇水時(shí)井壁易變形。

井田屬頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水、水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的裂隙孔隙充水礦床，其水文地質(zhì)勘探類(lèi)型為二類(lèi)一型。地下水以微弱大氣降水為主要的充水水源，補(bǔ)給條件差，含水層組富水性弱，單位涌水量在0.1L/s·m以下。經(jīng)預(yù)計(jì)，礦井正常涌水量為153.6m3/h，最大涌水量230.4m3/h。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，礦井水文地質(zhì)類(lèi)型屬中等。

井筒掘進(jìn)直徑達(dá)到9.5m，施工及支護(hù)難度均較大。

在利用數(shù)值模擬技術(shù)分析研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)井壁極限承載力有限元分析和物理模型試驗(yàn)，選用施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、工程造價(jià)低的單層現(xiàn)澆混凝土井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，有效地解決了井筒施工和支護(hù)難題。

通過(guò)對(duì)井壁受力分析，較合理地確定了井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載、強(qiáng)度準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法。進(jìn)而選擇了合理的井壁厚度及混凝土強(qiáng)度等級(jí)等參數(shù)。

3.2 井筒布置復(fù)雜

本礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力大，主井為斜井，立風(fēng)井安裝有行人梯子間、防火灌漿管路和注氮管路等，副井擔(dān)負(fù)升降人員、提升輔助材料、下總重量不超過(guò)45t大設(shè)備（液壓支架含平板車(chē)）的任務(wù)，此外還擔(dān)負(fù)提升矸石等任務(wù)。副井裝備兩套提升容器，一套1.5t礦車(chē)單層三車(chē)兩側(cè)鋼罐道，罐道間距3920mm的六繩大罐籠(凈寬3800mm，本體高度7500mm)帶平衡錘（罐道間距3000mm）的提升容器，另一套為一對(duì)交通罐加平衡錘的提升設(shè)備，兩繩提升，兩端鋼罐道導(dǎo)向。交通罐罐道間距為1400mm，凈寬1440mm，上下兩層共可乘人16人。平衡錘罐道間距為700mm。

此外還裝備有兩趟排水管、一趟灑水管和一趟壓風(fēng)管及通訊電纜、動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜等。

3.3 罐道梁載荷計(jì)算比較復(fù)雜

本礦井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

寬罐自重（包括首尾繩懸掛裝置）：54t；

窄罐自重（包括首尾繩懸掛裝置）：76.5t；

寬罐下最大件重量：45t。

為保證罐籠對(duì)罐道梁載荷計(jì)算的準(zhǔn)確性，計(jì)算方法分別采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法和原聯(lián)邦德國(guó)水平力簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

經(jīng)驗(yàn)公式法檢驗(yàn)結(jié)果：

水平力簡(jiǎn)化計(jì)算方法檢驗(yàn)結(jié)果：

3.4 鎖罐功能先進(jìn)

相比較機(jī)械液壓聯(lián)合鎖罐，本副井選擇全機(jī)械鎖罐，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)便，機(jī)械故障率低；

（2）純機(jī)械式鎖定，鎖定機(jī)構(gòu)可靠，鎖罐性能穩(wěn)定；

（3）鎖定時(shí)液壓系統(tǒng)不承受鎖罐力，避免了液壓系統(tǒng)泄漏、失壓等情況引起的鎖罐失效；

（4）由提升機(jī)釋放解鎖，不受提升繩伸出量限制；

（5）既能滿(mǎn)足剛性罐籠鎖定，也能滿(mǎn)足柔性罐籠鎖定：鎖罐時(shí)罐籠只受豎直方向的拉伸載荷，不會(huì)因托起罐籠而引起柔性罐籠變形、提升系統(tǒng)張力超差等事故；

（6）翻轉(zhuǎn)平臺(tái)（即搖臂）與鎖罐爪動(dòng)作分離：罐籠裝卸輕載時(shí)只動(dòng)作翻轉(zhuǎn)平臺(tái)搭接，提高提升效率；裝卸重載時(shí)鎖罐機(jī)構(gòu)動(dòng)作，保證提升安全。

4 結(jié)語(yǔ)

井筒安全、順利施工到底并投入使用，驗(yàn)證了井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性和各項(xiàng)研究成果的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步開(kāi)展更復(fù)雜地層條件下的井筒設(shè)計(jì)研究奠定了基礎(chǔ)。副井井筒裝備安裝完畢后，運(yùn)行安全、可靠，節(jié)約了檢修時(shí)間，減少了事故發(fā)生的概率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。