某鉛鋅礦提升系統改造技術研究

高常寶， 胡建釗， 趙戰國， 高 涵

(1.金誠信礦業管理股份有限公司， 北京 100070； 2.中國運載火箭技術研究院， 北京 100076)

1 前言

某鉛鋅礦2 702m以上采用平硐+盲豎井+斜坡道開拓，2 702m以下采用平硐+副井+斜坡道開拓。目前采礦中段為2 762m、2 702m和2 642m三個中段。

平硐標高為3 055m，于1986年建成并投入使用；盲豎井位于平硐內，井筒凈直徑為6.0m，井口標高3 062m，井底標高2 682m，最低服務2 702m中段，提升高度為360m。提升機為德國產直徑3.5m單繩提升機，電動機動率400kW，提升方式為罐籠平衡錘提升，每次提升2m3側卸式礦車1輛，或者提升25人；平衡錘質量8.53t，最大提升速度4.78m/s。盲豎井主要承擔3 062m至2 702m中段礦石和廢石的提升以及人員和物料的輸送，盲豎井目前提升能力約為30萬t/a。

副井井筒凈直徑6m，井口標高3 142m，井底標高2 190m。采用雙層單繩罐籠平衡錘提升方式，提升高度840m(3 062m至2 222m水平)。提升容器采用雙層多繩罐籠，每次可以提升車2m3側卸式礦車2輛或者提升100人；平衡錘質量22.5t，最大提升速度10m/s。采用型鋼罐道，井筒內設有梯子間。

斜坡道硐口標高3 065m，坡度約10%，斜坡道工程已施工至2 322m水平，到地表運距約10km。

2 提升系統改造方案

結合礦山生產現狀，在滿足120萬t/a生產能力的前提下，為充分利用原有設施，發揮現有盲豎井和副井作用并綜合考慮建設投資和運營成本[1]，提出豎井提升系統優化改造方案為盲豎井+副井罐籠提升方案[2]。

盲豎井+副井罐籠提升方案只需對盲豎井主提升系統和副井罐籠做適當改造[3]，不但可充分發揮現有的盲豎井和副井作用，而且可以降低運輸成本，減少改造工程量，對生產的影響較低[4]。

2.1 盲豎井改造方案

現盲豎井共安裝有二套提升機，一套為主提升機，另一套為副提升機。主提升機設計主要用于提礦石，副提升機用于提升人和材料或少量礦石(只能提0.7m3礦車)。設計的電動機為800kW，電動機轉速950r/min，提升速度8m/s。但現在使用的電機功率為400kW，電動機轉速590r/min，提升速度4.8m/s，其提升速度遠低于設計速度。因此，其提升量也低于設計提升量。

本文研究將盲豎井主提升機電機恢復到原設計電機功率，即將現有電機功率更換成800kW，950r/min的交流異步電動機，使提升速度提高到8m/s。采用對現有罐道進行嚴格檢測和修整，保證滿足8m/s運行速度的要求。由于2 702m、3 062m搖臺故障多，嚴重影響礦車的上罐和下罐效率，此次考慮一并更換。現有罐籠使用年限較長，銹蝕嚴重，予以更換[5]。

現根據現場實際操作參數，推算主提升機不同服務中段、不同提升速度的提升能力。

1)主提升機目前生產情況

主提升機服務中段2 762m，運行速度4m/s，正常每小時提13罐，每罐一個礦車，一個礦車裝礦4t；一個循環時間為4min40s，其中上車1min，下車1min，運行時間2min40s，在單程的1min20s中，加速、減速各10s；加、減速距離各30m，勻速運行距離240m，勻速運行時間60s。

目前每小時生產能力=13×4=52t，

每天工作19.5h，年工作330d，

年提升能力=52×19.5×330=334 620t，

即盲豎井罐籠在2 762m的提升能力為33萬t/a。

2)在2 882m提升能力的驗算

盲豎井主要服務于2 882m中段，提升速度4m/s，由于提升速度相同，因此，加、減速時間相同，即各10s，加、減速的距離相同，即各30m。

勻速運行的距離=(3 062-2 882)-60=120m，

勻速運行時間=120/4=30s，

一個循環時間=上車時間+下車時間+(加速時間+減速時間+勻速時間)×2=1min+1min+(10s+10s+30s)×2=3min40s，

每小時提礦次數=60min/3min40s=16.36次，

每小時提升礦量=16.36×4=65.44t，

年工作330d，每天工作19.5h，

年提升礦量=65.44×19.5×330=421 106t，

即當時在2 282m中段的提升能力為42萬t/a，與生產記錄基本相符。

3)在2 702m中段的提升能力計算

一、二年后，盲豎井的服務中段將從現在的2 762m中段下移至2 702m中段，在系統不作任何改變的情況下計算其提升能力。

由于提升速度相同，因此，加、減速時間相同，即各10s，加、減速的距離相同，即各30m。

勻速運行的距離=(3 062-2 702)-60=300m，

勻速運行時間=300/4=75s，

一個循環時間=上車時間+下車時間+(加速時間+減速時間+勻速時間)×2=1min+1min+(10s+10s+75s)×2=5min10s，

每小時提礦次數=60min/5min10s=11.61次，

每小時提升礦量=11.61×4=46.44t，

年工作330d，每天工作19.5h，

年提升礦量=46.44×19.5×330=298 841t，

即盲豎井提升系統不作改造，在2 702m中段的提升能力只有29.9萬t/a。

4) 在2 702m中段，提升速度8 m/s

盲豎井系統提升速度提高至8m/s，并對搖臺進行改造，計算系統的加、減速時間各為16.5s，加、減速的距離相同各50m。

勻速運行的距離=(3 062-2 702)-100=260m，

勻速運行時間=260/8=32.5s，

一個循環時間=上車時間+下車時間+(加速時間+減速時間+勻速時間)×2=1min+1min+(16.5s+16.5s+32.5s)×2=4min11s，

每小時提礦次數=60min/4min11s=14.34次，

每小時提升礦量=14.34×4=57.36t，

年工作330d，每天工作19.5h，

年提升礦量=57.36×19.5×330=369 111t，

盲豎井提升系統改造后，每天工作時間為19.5h，則提升量為36萬t/a，提升能力按35萬t/a計算。

5)盲豎井改造主要工程量

(1)更換電機，將提升速度提高至8m/s。

(2)更換配電設備和控制裝置，實現系統的自動運行，達到高效運行。

(3)原有型鋼罐道整修或改為鋼絲繩罐道。

(4)更換搖臺和罐籠。

(5)對電動機的土建基礎進行改造，滿足新電機要求。

2.2 副井改造方案

1)副井改造方案描述和計算

現副井內安裝的提升機為JKM2.8×6多繩摩擦提升機，電機功率1 000kW，設計最大提升速度10m/s。提升容器為5 000mm×2 000mm雙層多繩罐籠，罐籠質量15t，每次可以提升2m3側卸式礦車(外形尺寸3 000×1 250×1 300mm，自重1.88t)2輛或者提升100人，平衡錘質量22.5t。

由于現有罐道不滿足設計要求，使提升速度只能達到4m/s，目前實際提升能力為1 000t/d，年提升能力約30萬t。為了提高副井的提升能力，一是需要對罐道進行整修，保證提升速度最大達到設計速度10m/s，正常運行速度8m/s；二是對罐籠進行改造，使之輕量化，在最大載荷不變的情況下，提高有效載荷值；三是對礦車進行改造，既能滿足有效載荷下的礦石裝載容積又盡可能降低礦車自重。

副井改造的主要參數如下：

提升機的最大載荷為30t，現罐籠自重為15t，現罐籠最大載荷為15t；改造后的輕質罐籠自重為12t，改造后的罐籠最大載荷為18t，改造后的礦車規格為3.3m3，改造后的礦車自重為2.2t，改造后礦車裝載礦石量為7t。

提升速度8m/s，計算系統的加、減速時間各為16.5s，加、減速的距離相同各50m；

按服務中段2 342m計算，勻速運行的距離=(3 062-2 342)-100=620m；

勻速運行時間=620/8=77.5s。

按目前實際生產經驗，上、下車間為210s，即上車105s(雙層罐籠)、下車105s。

一個循環時間=上車時間+下車時間+(加速時間+減速時間+勻速時間)×2=105s+105s+(16.5s+16.5s+77.5s)×2=7min11s，

每小時提礦次數=60min/7min11s=8.35次，

每小時提升礦量=8.35×14=116.9t，

年工作330d，每天工作19.5h，

年提升礦量=116.9×19.5×330=752 251t，

年提升能力=752 251/1.15=650 000t，

即副井提升系統通過改造，在2 342m中段的提升能力可以65萬t/a。

需要說明的是：由于罐籠自重降低，導致空罐時的張力差加大，為保證張力差不變，不允許空罐提升和下降，至少需有一個空礦車作為配重。

2)副井改造的主要工程

(1)把現有罐籠更換成輕質罐籠，使罐籠自重從15t降低至12t。

(2)把中段全部礦車和通過副井提升至選廠的礦車更換成3.3m3礦車，該礦車為非標礦車，其尺寸需滿足在現有3 055m平硐內運行所需的安全距離。

(3)更換三個中段的推車機，以提高效率。

(4)對現有型鋼罐道進行修復，達到滿足10m/s設計速度運行的要求；對井筒滲水部位進行治理，對井壁進行整修，滿足豎井安全運行要求。

2.3 中段運輸能力計算

1)設備選型

中段運輸選用10t架線式電機車牽引10輛3.3m3側卸式礦車。

2)電機車臺數的確定

(1) 電機車班運行次數為

(1)

式中：T班——電機車每班純工作時間，取T班=6h；

T——電機車往返一次所需時間。

(2)

式中：L——電機車運行距離，L=1 200m；

U——電機車運行平均速度，U=2.8m/s；

t裝——一列車裝車時間，t裝=10min；

t卸——一列車卸車時間，t卸=5min；

t休——休止時間，取9min。

經計算，T=38.3min，則n=9.4次，取9次。

(2)最大運輸礦石量需運輸次數為

(3)

式中：K——運輸不均衡系數，取K=1.25；

A0——礦石運輸量，A0=556t；

Z——列車礦車數，Z=10；

G——礦車有效載重量，G=6.2t。

經計算，n0=11.21次，取11次。

從計算可看出n

3)礦車數量的確定

礦車數量的確定是根據全礦所需電機車臺數、工作面數和裝卸點數量等，按照“定點排列法”來確定[6]。經計算中段運輸共需3.3m3側卸式礦車30輛，備用30輛，共計60輛。

2.4 主運輸平硐能力計算

1)設備選型

主運輸平硐選用14t架線式電機車牽引12輛3.3m3側卸式礦車。

2)電機車臺數的確定

(1)電機車班運行次數為

(4)

式中：T班——電機車每班純工作時間，取T班=6h；

T——電機車往返一次所需時間。

(5)

式中：L——電機車運行距離，L=2 100m；

U——電機車運行平均速度，U=3.1m/s；

t裝——一列車組車時間，t裝=8min；

t卸——一列車卸車時間，t卸=5min；

t休——休止時間，取9min。

經計算，T=44.6min，則n=8.07次，取8次。

(2) 主運輸平硐礦石需運輸次數為

(6)

式中：K——運輸不均衡系數，取K=1.25；

A0——礦石運輸量，A0=707t；

Z——列車礦車數，Z=12；

G——礦車有效載重量，G=6.2t。

經計算：n0=11.88次，取11次。

從計算可看出，n

3)礦車數量的確定

礦車數量的確定是根據全礦所需電機車臺數、工作面數、裝卸點數量等，按照“定點排列法”來確定。經計算3 055m平硐運輸共需3.3m3側卸式礦車24輛，備用6輛，共計30輛。

3 提升系統改造方案投資運營成本分析和凈現值計算

3.1 建設投資

方案主要改造內容：對盲豎井的主提升系統和副井的提升系統進行改造，初步計算盲豎井可以達到35萬t/a，副井可以達到65萬t/a的礦石提升量，總的提升能力可以達到100萬t/a。剩余20萬t/a經斜坡道運至地表礦倉，經振動放礦機裝入4m3側卸式礦車，由14t電機車牽引至選廠。

建設投資包括改造工程量、設備、電氣、安裝工程及土建工程，其中設備、電氣及安裝工程單價均根據廠家詢價所確定，井巷工程量單價依據定額及類比其他工程確定[7]。

豎井提升系統改造投資詳見表1。

表1 盲豎井和副井聯合提升方案投資

從表1中可以看出，盲豎井+副井罐籠方案改造投資為1 684.02萬元。

3.2 運營成本分析

運營成本包括中段運輸成本、提升成本和斜坡道年運輸成本。

中段運輸成本：中段運輸均為有軌運輸，根據中段實測平面圖，計算本方案中段平均運輸距離，電機車運輸成本參考礦山經驗數據確定，運輸距離和電機車運輸成本的乘積即為中段噸礦運輸成本。中段噸礦運輸成本和中段年運輸礦石量乘積即為中段年運輸成本。

提升成本包括電費、提升系統和破碎系統人員工資、年修理費。

斜坡道年運輸成本：斜坡道運輸距離根據斜坡道實測圖測量得出，斜坡道噸礦運輸成本參考礦山經驗數據和其他類似項目數據確定。斜坡道運輸距離、噸礦運輸成本和年運輸礦石量三者乘積即為斜坡道年運輸成本。人員和設備材料通過斜坡道運輸的成本估算為60萬元/年[8]。

3.3 方案費用現值分析

本方案改造費用包括改造投資、改造施工期間增加的運營成本、中段年運輸成本、提升成本、斜坡道年運輸成本。根據礦山設計利用儲量，經計算全礦服務年限為12年。計算方案改造費用在礦山服務年限內的費用現值，對方案費用現值進行分析。盲豎井+副井罐籠方案費用現值見表2。

表2 盲豎井+副井罐籠方案費用現值

從表2可以看出，盲豎井+副井罐籠方案建設投資為1 684.02萬元，費用現值為11 503.91萬元，盲豎井+副井罐籠方案改造工程量小，對生產的影響小，設計推薦盲豎井+副井罐籠方案。

4 推薦方案效益估算

采用盲豎井+副井罐籠方案改造后和改造前效益估算詳見表3。

從表3中可以看出，盲豎井+副井罐籠方案費用現值為19 293.57萬元，比豎井不改造方案的20 677.62萬元節省1 384.05萬元；盲豎井+副井罐籠方案費用現值為11 503.91萬元，比豎井不改造方案的12 128.14萬元節省624.23萬元。

5 結論

隨著礦山生產發展的需求，礦山逐漸進入深部開采，斜坡道運輸距離近10km，運輸距離長，運輸成本較高，且斜坡道運輸壓力大造成通風困難，原有運輸方式已不適應礦山發展的需要。盲豎井提升能力為30萬t/a，副井提升能力為30萬t/a，礦山生產能力為120t/a，提升能力較小。為充分發揮盲豎井和副井提升能力，降低礦山提升運輸費用，本文結合鉛鋅礦目前生產情況，在滿足120萬t/a生產能力的前提下，原斜坡道運輸改為盲豎井+副井罐籠提升為主，斜坡道運輸為輔的提升運輸方式，經技術分析可知，盲豎井+副井罐籠提升具有以下優點：

表3 豎井改造前后效益估算

(1)盲豎井不需要延深，改造工程量較小，改造難度低，改造投資較低；改造工期短，對生產影響小[9]。

(2)副井功能保留，人員、設備、材料提升方便；副井仍可進新鮮風，不影響現有通風系統。

(3)提升能力滿足生產需要，提升運輸費用低，可比費用現值較低。