紅慶河煤礦主立井提升系統創新設計與實踐

仲 松

(中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

紅慶河煤礦位于內蒙古伊金霍洛旗札薩克鎮境內。受內蒙古伊泰廣聯煤化有限責任公司委托，中煤科工集團南京設計研究院自2007年7月開始對該井田進行項目建設的可行性研究工作，歷時5年，研究工作主要分為2個階段，第一階段為新街礦區總體規劃未批復階段(2007—2010年)：受當時國內主井提升設備、箕斗、井下裝載設備的能力及可靠性約束，礦井設1個主井裝備2對45t箕斗，礦井的設計生產能力為1200萬t/a；第二階段為礦區總體規劃批復(發改能源[2010]1911號)后階段(2010—2012年)：批復的礦區總體規劃紅慶河礦井生產能力1500萬t/a，南京設計院主要技術人員針對建井條件、立井提升設備及箕斗容器進行了多次國、內外全面調研和考察，尤其對近年來使用類似先進設備的生產企業進行了細致的調查研究并形成研究報告，經行業專家論證肯定了1個主立井裝備2對50t箕斗滿足1500萬t設計生產能力的可靠性，于2013年獲得了國家發展改革委的項目核準批復。于2016年9月底至10月底進行開車調試、帶煤試運轉。礦井采用立井開拓方式，設計生產能力為1500萬t/a，服務年限為111.3a；井下劃分3個水平，水平間主、副運輸采用暗斜井聯系，風井直接延伸；全井田共劃分23個采區，投產時在井筒兩翼的311、314采區內各布置一大采高綜采工作面。該礦井采用立井提升，國內外無此大能力提升項目可以借鑒，為實現提升能力必須選用大容量箕斗，隨之而來的是大提升機、大直徑井筒、大井塔、縮短提升休止時間、高速運轉箕斗在深井筒中運行穩定性、箕斗卸載沖擊等問題均需要逐一解決。確保煤礦持續穩產高產高效，必須對該礦主立井提升系統的關鍵技術進行跨越式創新設計[1-3]。

1 主立井提升系統概況

紅慶河煤礦為新建礦井，采用“分區開采，集中出煤”的開采方式，目前原煤運輸系統：3煤南翼采區為“回采工作面的煤炭經3-1101工作面巷道帶式輸送機→3煤南翼大巷帶式輸送機→2號井底煤倉(2472t)→主立井→地面生產系統”；3煤北翼采區為“回采工作面的煤炭經3-1401工作面巷道帶式輸送機→3煤北翼大巷帶式輸送機→1號井底煤倉(2472t)→主立井→地面生產系統”。

整個設計采用全過程運用創新驅動理念，主井提升系統選用5×6電機內裝塔式多繩摩擦輪提升機二臺，平行布置，用9000kW的58r/min低頻交流同步電動機拖動，電控設備選用交-直-交成套設備，提升速度達到15.18m/s，采用容量50t特大型箕斗，井筒直徑為9.5m。根據提升運動學計算，一次提升循環時間104.76s，休止時間35s，一套提升系統提升能力為825萬t/a，主井兩套提升系統年提升能力1650萬t/a，滿足提升能力1500萬t/a備用系數1.1的要求。

2 主立井提升系統創新設計的主要途徑

2.1 箕斗容量及布置方式選型設計

特大型礦井主井提升系統普遍采用多系統雙箕斗提升方案，并且在條件好的地區采用單井筒大斷面提升，即主井內布置多個箕斗進行礦巖的提升，使總提升能力成倍的增加[4，5]。

在南京設計院相繼自主研發34t、40t多繩提煤的技術基礎上，收集了國內外有關大型箕斗及裝、卸載設備的大量資料，吸收和改進現有箕斗提升系統優勢和缺陷，研發了紅慶河煤礦采用底卸式50t箕斗，斷面尺寸為：1550mm×3670mm(寬度×長度)，井筒斷面利用率K=0.32，箕斗本體采用扁鋼立柱、兩端設導向罐耳結構形式，箕斗外形尺寸見表1，并對箕斗閘門口進行工藝改造，50t箕斗采用底卸式閘門，閘門口尺寸加大為1250mm×1600mm，保證了50t箕斗卸煤快速流暢，卸煤凈時間15s。針對井下箕斗裝載硐室層位巖性及提升能力要求，為力求系統簡單、避免井上下裝卸載復雜化、有效增加井筒斷面利用率，兩對四個箕斗平行并列呈“一字形”布置在井筒內。與國內其他同樣箕斗大小的葫蘆素與門克慶煤礦主立井相比具有以下優勢：①井筒直徑較后者兩個煤礦小0.1m，使井筒斷面利用率提高10%，節省投資近1300萬元，另外主井提升速度為15.18m/s較后兩者速度快，具有提升效率高的優點；②箕斗裝卸載休止時間較小，比葫蘆素和門克慶煤礦縮短近10s。箕斗對比分析見表2。

表1 箕斗外形尺寸參數

表2 國內同樣大小的箕斗對比分析表

2.2 主井井筒井壁結構、裝備及設計

紅慶河煤礦主井凈直徑9.5m，斷面70.882m2，如圖1所示，全深787m。井筒上部采用凍結工法施工、凍結深度670m，下部采用普通法施工。凍結段井壁采用雙層現澆鋼纖維鋼筋混凝土HDPE塑料夾層復合井壁、非凍結段井壁采用單層現澆鋼纖維鋼筋混凝土井壁結構形式。上述方案帶來了主井凍結段井筒內層井壁按常規理論計算最大厚度為1.8m屬“大體積混凝土”，大體積混凝土在固化過程中釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和收縮作用，從而產生的溫度和收縮應力導致混凝土出現裂縫，減弱支護強度及增加漏水幾率，有必要從混凝土受力及高強高性能混凝土方面進行研究，以減少內層井壁厚度及溫度應力。

根據彈性理論分析、有限元模擬和內外壁相似模擬實驗求證井筒彈性應力分布狀態，進行了“深厚軟巖大直徑井筒凍結井壁三維受力計算結構研究”，結果表明：井壁結構中的混凝土處于多軸受壓應力狀態下，其變形受到約束，混凝土的抗壓強度得到大大提高，試驗得到井壁結構中混凝土抗壓強度比單軸抗壓強度提高1.562～1.859 倍，據此，采用井筒減薄的新支護理論，主井筒井壁比常規計算方法減薄300～500mm厚度，節省投資950萬元。

圖1 主井井筒斷面圖(mm)

在井筒裝備設計中，根據兩對50t箕斗荷重以及箕斗上下運行對罐道、罐道梁所產生的較大作用力(含豎向、水平方向)，采用多跨連續梁計算模型，荷載選用Q/12計算得來，強度驗算考慮上下層罐道梁及罐道的相互作用，采用三維建模計算，綜合考慮罐道型鋼冷彎工藝、材料消耗量的前提下，井筒內裝備220mm×220mm×14mm(倒角R=24mm)較大截面尺寸的冷彎方形空心型鋼罐道、豎向和橫向均具有較大承載(抗壓、彎)能力的300mm×200mm×14mm(倒角R=21mm)冷彎矩形空心型鋼罐道梁、32c工字鋼支撐梁、采用250mm×250mm×25mm最大型號的角鋼制作罐道梁支座；罐道梁和支撐梁較為罕見的采用3.0m層間距以提高罐道的承載能力、減小罐道對每道罐道梁和支撐梁的作用力，確保了提升容器的安全運行。

2.3 主井提升系統提升方式

主井的提升方式常見的有塔式布置型式和落地式布置型式，塔式提升方式具有系統簡單，設備布置集中，初期投資和運營費用低，另外考慮到紅慶河煤礦地處寒冷地區，鋼絲繩布置在塔內，使用壽命長，安裝、維護、更換方便，防凍和防滑性能好[5，6]，并且有利于設備運行、檢修維護方便、減少設施占地面積、不受當地氣候影響等因素影響。

2.4 提高提升能力的技術途徑

提高主井提升能力的技術途徑主要是提高一次提升量、縮短提升一次循環時間、增加日提升時間和年工作日等。依據《煤礦安全規程》，年工作日一般取330d，日提升時間根據各個礦井工作制度進行確定。所以，根據提升能力計算公式，影響主井提升系統提升能力的因素主要有一次提升量和提升一次循環時間兩方面，根據選用的50t箕斗，并且在滿足提升定額載荷或提升機最大張力差的情況下，選用縮短一次提升循環時間來實現紅慶河煤礦的穩產高效高產。為落實大型箕斗一次提升循環時間，調研對比分析了國內大型箕斗實際運行情況，見表3。通過研究得出大型箕斗裝、卸載休止時間中，井下裝載時間是其決定因素，井下裝載時間主要包括箕斗停穩至定量斗閘門動作時間、定量斗閘門開啟時間、定量斗閘門動作至裝完煤時間、定量斗閘門關閉時間等幾個主要環節構成，通過對上述動作環節時間分析和計算，紅慶河煤礦主井50t箕斗計算卸載時間為23.6s，計算裝載時間為27.4s，考慮不確定因素選取50t箕斗裝卸載休止時間35s，比規范要求時間縮短15s。

表3 國內大型礦井箕斗參數及運行時間

紅慶河煤礦為加快箕斗快速裝卸載工藝，從三個方面對箕斗進行了改進：①在不增大井筒斷面前提下，加大了定量斗及箕斗卸料口最小斷面尺寸，其中定量斗閘門開口1500mm×2000mm，箕斗卸料口尺寸1250mm×1600mm；②加大了箕斗斗箱底板和定量斗及分配溜槽的溜煤角度，過渡轉角處采用圓弧結構；③在定量斗、分配溜槽及箕斗內采用新型低阻耐磨襯板。

2.5 主井提升設備選型設計

圖2 提升絞車大廳層布置示意圖(mm)

2.6 井塔設計

根據工藝布置，設計采用樁筏基礎，井塔平面尺寸25m×23m、建筑高度99.8m，為國內目前設計最大的井塔，井塔的結構形式采用框架剪力墻結構，底層設落煤倉兩個，由上到下分別設絞車提升大廳層、絞車風機層、天輪層、防撞梁層及結構調節層等。外墻四角為鋼筋混凝土墻，外墻中部及內墻為多孔磚填充墻；底層內部不設柱，在二層設轉換層，在井塔內部的轉換層至絞車大廳層之間設四個連接柱，二層以上層層設大梁，使連接柱與上下各層梁相連，把絞車大廳的荷載讓各層分擔，分層傳到周邊帶壁柱剪力墻上，以此解決凍結法施工對基礎承載力和沉降產生影響的技術難題。

2.7 井下箕斗裝載硐室支護設計

井下箕斗裝載硐室處于處于粉砂巖、泥巖、煤層及砂質泥巖中，圍巖屬于松軟巖石，易變形，并且位于井筒底部與井筒相連接，圍巖應力大，根據工藝布置需要，該硐室位于井筒一側，凈寬9.5m、凈深8.8m、凈高25.2m，硐室斷面屬于特大斷面，因此應解決特大斷面軟巖硐室支護問題。經過對常規硐室的斷面進行優化，將該硐室簡化為“扁圓柱體結構”形式。

基于理論分析與有限差分軟件模擬從巷道開挖、圍巖穩定、支護效果的過程分析，研究出適合的復合支護形式，即先采用錨網索噴進行一次支護100mm、再采用鋼筋混凝土砌碹進行二次支護CF70 1200mm厚的復合支護方式，并且通過工程應用，目前該硐室支護狀態良好。

3 工程實踐

本文圍繞制約紅慶河煤礦主井提升系統的關鍵因素進行創新設計與優化，并將主井提升系統工程設計配套技術成功應用于項目中。通過創新設計主井提升系統裝備2對50t箕斗，配備5×6塔式多繩摩擦輪提升機、裝載硐室支護設計、主井提升設備選型優化設計等的校驗，最終確保主井提升系統能夠滿足礦井安全生產要求。目前，該主井井筒提升系統穩定運行2a，狀態良好，實際最大箕斗最大提升速度為15.19m/s、休止時間為33s，實際提升能力已經達到120～140萬t/月，實現了一個主井提升1500萬t/a的目標。

但根據現場使用方反饋，存在的問題主要是未考慮更換容器、襯墊、天輪、首繩與滑繩保護功能，帶來了維護不便。下一步在井塔中增加擇繩調換智能保護裝置設置，為摩擦提升安全提供保證。

4 結 語

紅慶河煤礦主立井提升系統關鍵技術的創新設計從新設備、新工藝、新方法著手，將5×6內裝式塔式9000kW提升機、交-直-交變頻控制系統、容量50t特大型多繩提煤箕斗、15.18m/s的最快提升速度、高速穩罐技術、箕斗更換便捷技術、高承載力的井筒裝備、大直徑9.5m井筒凍結井壁減薄理論的各項新技術、設備、新工藝、新理論的成功運用，堅實奠定了主井提升系統運行高可靠性。為紅慶河煤礦穩產、高效、高產提供提升系統的安全保障，并為類似礦井主井提升系統設計提供借鑒。