磁西煤礦超深副立井提升系統設計

崔漢濤

(中煤邯鄲設計工程有限責任公司礦山工程院，河北省邯鄲市，056031)

峰峰礦區是具有百年開采歷史的老礦區，煤炭資源開采歷史悠久，由于開發強度較大以及后備資源存量不足，目前已成為我國資源嚴重危機的煤礦區之一。磁西煤礦位于峰峰礦區東部，行政區劃隸屬于磁縣和峰峰礦區管轄，是峰峰礦區向深部開發的第一個井田，煤層埋藏深度為1000～1500 m，主要為低灰和低硫的焦煤和瘦煤，該煤種具有成焦性能好、焦型好、塊度大以及孔隙率低等特點，是良好的工業煉焦用煤。因此，磁西煤礦對埋藏深度超過千米的煤層進行開發，為峰峰礦區其他深部區域的開發進行技術儲備，從而解放深部呆滯煤量，保證礦井接續，這對解決就業和維護峰峰礦區社會穩定具有重大意義。

目前，我國絕大多數立井開拓的礦井煤層埋藏深度較淺，井筒深度一般在600～800 m。國內已經運行的超深井工礦井有山東淄博礦業集團唐口礦，主井深度為1069 m，提升高度為996.5 m，副井深度為1060 m，提升高度也接近1000 m；安徽淮南礦業集團望峰崗煤礦提升高度為990 m。磁西煤礦煤層埋深達到1000～1500 m，礦井采用立井開拓，初期布置主井、副井、回風井3個立井井筒，其中副井井口標高為+155.0 m，井底車場標高為-1149.0 m，井底水窩深度為46 m，提升高度為1304 m，井筒深度為1350 m。副井的提升高度達到1304 m，時為國內乃至亞洲最深的煤礦立井，尚無成熟的經驗參考，超千米深井提升是磁西煤礦建設面臨的一個技術難點，決定了礦井能否順利開發。本文從提升機布置型式、井筒布置、提升機、鋼絲繩和液壓制動系統等關鍵技術和關鍵設備進行了分析論證，確定了安全、可靠的提升方案。

1 提升機布置型式

多繩摩擦式提升機有井塔式和落地式兩種布置型式。最近幾年隨著技術的發展，井架上裝設電梯、起重機，并把井架封閉，解決了落地式每日例行檢查需爬井架、天輪更換難度大以及寒冷地區冬季鋼絲繩結冰導致系統防滑性能差等缺點?？紤]到井塔式提升機布置型式具有占用井口時間長、影響建井工期以及對地基基礎變形的高要求，并且隨著時間的推移，在井塔自重和設備荷載下容易出現不均勻沉降、影響提升系統使用以及出現問題后難于恢復等缺點，磁西副井決定采用落地式提升方案。

2 井筒布置

副井提升高度達到1304 m，井筒如果設置一套提升系統，一旦提升系統出現故障，“咽喉”堵死，無法保證井下工人安全升井和維持礦井生產，因此在不增大井筒直徑和設備投資增加不多的條件下，利用井筒的剩余空間又設置了一套副提升系統，即交通罐帶平衡錘提升系統。主提升系統采用雙罐籠提升，主要用于人員、矸石、材料和設備提升，副提升系統主要考慮人員臨時提升。這樣不僅能夠提高主提升系統的利用率和節約能耗，而且提高了副井提升系統的可靠性；另外一旦井下發生災難，副提升系統可以作為一個安全通道，將逃生人員快速升井。

副井井筒布置設計了兩個方案，方案一井筒凈直徑為9.5 m，整體下放液壓支架，整體重量為36.5 t，井筒內裝備一套雙罐籠提升系統，另一套為交通罐帶平衡錘供人員升降的專用交通罐；方案二井筒凈直徑為8 m，井筒內仍裝備一套雙罐籠提升系統，另一套為供人員升降的專用交通罐，為了減小井筒直徑，將液壓支架適當拆解，拆解后最大件重量為20 t。兩個方案相比，方案一雖然可以滿足整體下放液壓支架，但需要較大的提升機，因此投資較高，另外對于直徑為9.5 m、深度為1350 m井筒的支護施工也是個技術難點；而方案二拆解液壓支架下井，井筒直徑可以減小到8 m，不僅可以大大降低投資，而且降低了井筒施工技術的風險；其次考慮到液壓支架的升降不是經常性的，而且隨著液壓支架制造質量的提高，升井大修的次數也越來越少，因此副井井筒直徑設計為8 m，拆解液壓支架下井。雙罐籠提升系統選用JKMD-5.5×4PⅢ型落地式多繩摩擦提升機，配交流變頻調速同步電動機(參數為2700 kW、38.2 r/min、3150 V)，最大提升速度為11 m/s；交通罐提升系統選用JKMD-2.8×4PI型落地式多繩摩擦提升機，減速比為7.35，配直流電動機(參數為500 kW、590 r/min、660 V)，最大提升速度為11.77 m/s。

3 提升機

目前國內礦井在用的大型提升機既有進口的，也有國產的。進口提升機價格昂貴，其國內市場占有率較低，另外隨著市場的開放，進口產品質量也有所下降。

國產大型提升設備技術已經成熟，且價格要遠低于進口設備。中信重工(洛礦)1958年建廠，經過幾十年的發展，已成為在大型鑄鍛和熱處理等重型機械制造商，大型多繩摩擦式提升機(摩擦輪直徑4.5 m及以上)國內市場占有率為90%，并且多套出口到國外市場。據不完全統計，中信重工2000年以來共生產摩擦輪直徑在4.5 m以上的大型多繩摩擦式提升機169套(臺)。目前中信重工落地式提升機最大直徑為?6.2 m(4繩)，塔式最大直徑為?5 m(6繩)，單電動機拖動最大功率為6300 kW。因此磁西副井提升機采用國產產品的方案。

4 鋼絲繩

鋼絲繩是提升系統的重要組成部分，像一條“紐帶”連接著提升機和容器?，F行《煤礦安全規程》規定：副井提人安全系數最小值為9.2～0.0005H，提物安全系數最小值為8.2～0.0005H。H為鋼絲繩懸掛長度，提升高度越大，H也越大，導致計算出的所需安全系數越小，這與實際需要恰恰相反，對于提升高度為1304 m的超深立井應該安全系數越大越安全。設計認為提升過程中在相同的荷載下，鋼絲繩越短越容易斷繩，鋼絲繩越長彈性伸長量越大，類似一條橡皮筋，越不容易斷繩。因此鋼絲繩的安全系數按照現行的《煤礦安全規程》計算。

4.1 首繩

多繩摩擦式提升高度超過800 m后，由鋼絲繩自重引起的鋼絲繩扭轉是鋼絲繩破壞的主要因素，對于高度為1304 m的提升，這種情況就更為突出，因此選用抗扭轉的圓股交互捻鋼絲繩。

根據現行《煤礦安全規程》保證安全系數的情況下，若選用公稱抗拉強度為1770 MPa、直徑為61 mm的鋼絲繩，單重為12.45 kg/m，計算出提人安全系數為9.10，提物安全系數為7.91；若選用公稱抗拉強度為1860 MPa、直徑為58 mm的鋼絲繩，單重為13.77 kg/m，計算出提人安全系數為9.06，提物安全系數為7.89。雖然公稱抗拉強度為1770 MPa的鋼絲繩使用情況已較為普遍，但選用公稱抗拉強度為1860 MPa、直徑為58 mm的鋼絲繩，鋼絲繩自重能減少9.6%，不僅降低了投資，而且在一定程度上降低鋼絲繩自重引起的鋼絲繩扭轉破壞，從而提高使用壽命?？紤]到公稱抗拉強度為1860 MPa的鋼絲繩有使用先例，因此設計選用公稱抗拉強度為1860 MPa的鋼絲繩。

4.2 尾繩

立井摩擦式提升尾繩的結構有圓尾繩和扁尾繩兩種，目前國內煤礦使用圓尾繩的礦井不多，圓尾繩必須裝備自動旋轉的尾繩懸掛裝置，避免尾繩的“扭繩”現象，國產圓尾繩懸掛裝置質量大部分不過關，一般都需要進口。扁尾繩由于其扁而寬的特殊結構，即使在提升系統高速運行過程中也不易旋轉，從本質上避免了尾繩的“扭繩”現象，因此設計選用扁尾繩。

在提升過程中尾繩環直徑較小，尾繩運行不靈活，容易“打結”，提升速度越大，對尾繩環直徑的要求就越大。針對此問題對正在運行的部分礦井進行了調研，山西潞安集團李村煤礦副井交通罐系統提升速度為5.7 m/s，尾繩環直徑為1030 mm；山西陽煤集團寺家莊礦井副井交通罐系統提升速度為8.2 m/s，尾繩環直徑為1050 mm。設計認為磁西煤礦副井交通罐帶平衡錘提升速度為11.77 m/s、尾繩環直徑為1250 mm是可行的，實踐證明也是可行的。

5 液壓制動系統

目前國內新建大型礦井多采用恒減速安全制動系統，恒減速制動系統有單通道恒減速帶恒力矩制動、雙通道恒減速安全制動和多通道恒減速N+1制動這3種型式。

(1)單通道恒減速帶恒力矩制動型式在恒減速功能失效后自動切換到恒力矩狀態，優點是設備價格較低，缺點是提升系統必須以恒力矩二級制動系統設計，恒減速制動的一些優點沒有充分發揮出來，如容器自重、配重均需按恒力矩制動系統配置。

(2)雙通道恒減速制動型的制動系統具有兩個完全獨立和完整的恒減速通道，當正常運行的恒減速功能失效后，制動系統自動切換到備用恒減速通道。這對防止滑繩事故以及提升設備的選型等都十分有利。

(3)多通道恒減速N+1制動型式將閘控系統分成N個制動單元，每個制動單元對應液壓站1個制動通道進行閉環控制，并留有1個備用通道，當某一工作通道故障，其他工作通道可補償故障通道，停機后再切換到備用通道，因此安全制動全過程均為恒減速狀態。

雙通道恒減速安全制動系統和多通道恒減速N+1制動形式上有所不同，本質上都是采用恒減速通道作為后備保護，由于失效切換仍是恒減速制動，制動特性沒有改變，因此可以充分體現恒減速提升系統的優點，摩擦式提升安全制動減速度防滑始終處于動態監控，安全性好，不受容器重量和配重制約。為了提高提升系統的可靠性，采用德國OLKO公司生產的多通道恒減速N+1型式制動系統。

6 結語

磁西煤礦副立井采用施工工期較短的落地式提升方案；在井筒中增設了一套交通罐，提高了提升系統的可靠性；提升機在保證安全的前提下采用國產中信重工產品，降低了設備的投資；提升系統首繩采用抗拉強度1860 MPa的圓股交互捻鋼絲繩，尾繩選用扁尾繩，從本質上避免尾繩“打結”；為了提高制動系統的可靠性，采用先進的多通道恒減速N+1型式制動系統。

目前磁西副井提升系統已經調試完畢，一次性通過冀中能源峰峰集團驗收，并交付建設單位使用，該工程為超深立井提升系統的設計積累了經驗。