山陽煤礦副立井剛性井筒裝備設計及分析

劉成勇，宋 偉，宋立平

(中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

立井井筒是礦井的咽喉，立井剛性井筒裝備是保證礦井提升容器高速、安全運行的導向結構，主要由罐道和罐道梁(或托架)組成，沿井筒深度構成空間結構體系[1-3]。近10 a來，隨著我國西部煤炭資源的高強度開發，使得礦井提升容器載重和提升速度不斷增大，提升容器載重達50 t以上，提升速度高達14 m/s。

井筒裝備設計荷載是提升容器與井筒裝備的相互作用水平力，現行采礦設計規范中水平力的確定是基于30年代德國提出的參數水平力計算公式和90年代中國礦業大學提出的參數水平力計算公式；德國水平力公式適用條件是提升容器載重小于20～30 t，運行速度小于14 m/s；中國礦業大學水平力公式適用條件為提升容器載重小于30～40 t，運行速度小于14 m/s[4-7]。目前我國西部的一些超大型礦井提升容器運行條件已超出現行采礦設計規范中有關剛性井筒裝備設計條件，使得井筒裝備設計工作準確性、可靠性、安全性和穩定性難以保證[8-11]；從近幾年監測的礦井來看，監測結果較接近原聯邦德國經驗公式。因此，為了安全起見，井筒設計仍應采用原聯邦德國的經驗公式。

1 工程概況

1.1 礦井概況

山陽井田位于陜西省渭北石炭二疊紀煤田澄合礦區中深部，行政區劃屬合陽縣王村鎮、城關鎮、防擄寨鄉及甘井鎮管轄，本井田南與澄合礦區王村煤礦相鄰。合陽縣城位于井田東南角外側，井田西南方向距澄城縣15 km，井田邊界東以F4斷層和合陽縣城新規劃區西側為界；南與王村斜井、王村煤礦毗鄰；西以F22斷層與太賢井田相鄰；北以探礦權劃定的合陽西中深部勘查區北部邊界及黃—韓—侯鐵路為界。井田東西長13.2 km，南北寬6.8 km，面積81.6 km2。礦井移交生產時共開鑿3條井筒，分別為主立井、副立井、回風立井。

1.2 井筒及裝備的設計概況

井筒概況：其中副立井井筒凈直徑φ8.2 m，垂深為466 m；井壁為單層鋼筋混凝土結構，支護厚度為600 mm。井筒內正常層間距為5.0 m，井筒內與井壁連接的構件均采用樹脂錨桿固定，錨桿采用全長錨固。裝備范圍：1(2)號罐道-0.525～-473.678 m，3(4)、5(6)號罐道-2.123～-459.000 m，7(8)號罐道-0.102～-473.678 m。

寬罐籠帶平衡錘系統：寬罐籠提升鋼絲繩最大終端載荷575 kN，寬罐平衡錘提升鋼絲繩最大終端載荷475 kN，窄罐籠提升鋼絲繩最大終端載荷425 kN，窄罐平衡錘提升鋼絲繩最大終端載荷345 kN。

設計要求：①除固定電纜架的每根錨桿的錨固力≥4.0 t外，其余每根錨桿的錨固力均≥6.5 t；②托架壁板與井壁的間隙必須用樹脂膠泥充填密實。

井筒斷面布置：井筒內裝備2套提升系統，1套選用1.5 t礦車雙層四車大型非標寬罐籠+寬罐平衡錘，1套選用1.5 t礦車雙層四車大型非標窄罐籠+交通罐。井筒內布置1趟梯子間，4趟排水管路(φ377 mm)，1趟空氣壓縮管路(φ219 mm),1趟動力電纜架，2趟通信電纜架，井筒斷面布置，如圖1所示。其中1.5 t礦車雙層四車大型非標寬罐籠、1.5 t礦車雙層四車大型非標窄罐籠、交通罐均采用托架進行固定安裝，而交通罐罐道采用管道梁進行固定，管路、梯子間通過梁進行固定安裝。整個斷面布置緊湊、合理，斷面利用率高。

圖1 井筒斷面布置

2 井筒裝備選型及防腐設計

2.1 罐道上的荷載計算

原聯邦德國《豎井與斜井裝備的技術規程》(1977年)規定的有關水平力的簡化計算公式(根據GB 50384—2016煤礦立井井筒及硐室設計規范推薦罐道荷載計算亦按此公式計算)，對罐道與罐道梁正面的水平力PH計算見式(1)(2)，對罐道與罐道梁側面的水平力PX的計算見式(3)(4)，對罐道與罐道梁的垂直力PV的計算見式(5)(6)[12-14]。

(1)

(2)

PX1=0.8·PH1=0.8×47.917=38.33 kN

(3)

PX2=0.8·PH2=0.8×39.583=31.67 kN

(4)

PV1=0.25·PH1=0.25×47.917=11.98 kN

(5)

PV2=0.25·PH2=0.25×39.583=9.9 kN

(6)

2.2 罐道的計算

強度驗算：裝備構件一般在失去支承力的情況下，提升容器與裝備才出現極限工作狀態，發生運行失穩現象。為保證穩定運行，罐道截面應根據強度條件選擇，再按剛度條件校核。按計算的最大彎矩和變形確定罐道截面，罐道所需的截面抵抗矩為

(7)

(8)

根據《鋼結構設計規范》，罐道的強度應滿足以下要求

(9)

經代值計算

對于寬罐籠，設計初選罐道220 mm×220 mm×12 mm，IX=Iy=6 487 cm4，Wx=Wy=590 cm3，材質Q345，則

=255 N/mm2

對于平衡錘，設計初選罐道200 mm×200 mm×10 mm，IX=Iy=4 251 cm4，Wx=Wy=425 cm3，材質Q345，則

=293 N/mm2

剛度驗算：罐道除滿足上述強度條件以防止構件發生破壞外，還應滿足剛度條件，使其變形不超過一定的限度，以免影響提升容器沿罐道正常運行。一般要求罐道在水平荷載作用下的最大變形不超過規范規定的容許撓度，即

(10)

式中，Z—罐道的撓度，mm；L—罐道的跨度，mm。代值計算

(11)

(12)

經驗算，矩形空心型鋼罐道的強度、剛度均滿足安全要求。

設備選型：由于罐道的層間距一般設計為4 m、6 m、12 m，經計算，影響其截面選擇的決定因素是強度，不是剛度。同時考慮Q345鋼材的可焊性能好，因此本次在設計罐道時采用Q345鋼材，大大提高了材料本身的強度，從而大大減小了鋼材的重量。理論上采用Q345比Q235鋼材可節約鋼材重量近50%，通過對市場的了解，Q345-A鋼材僅比Q235-A貴100元/t左右，因此罐道采用Q345-A鋼材替換Q235-A，僅此項副立井裝備節省投資約170萬元。通過以上計算和分析，整理出罐道選型分別見表1、表2。

表2 三跨連續梁驗算罐道承載終端載荷值選型表

表1 單跨簡支梁罐道承載終端載荷值選型表

2.3 防腐設計

防腐設計是非常普遍的，它涉及各個行業，據統計，全世界由于腐蝕造成的鋼鐵損耗約占當年鋼鐵產量的30%左右。煤礦立井井筒是礦井的咽喉工程，關系全局，且煤礦井下條件特殊，比較惡劣，因此，應重視立井井筒裝備的腐蝕問題。通過對井下水質的分析，確定井筒內的裝備均采用了有效防腐。例如：井筒內梯子間采用玻璃鋼復合材料，井筒罐道及托架、罐道梁采用電弧噴涂，螺栓等小件采用鍍鋅件。特別是將托架等構件均采用強力樹脂錨桿固定，不僅提高了防腐效果，而且提高了安裝速度。

3 結語

經過實踐證明，該立井井筒裝備已經運行了8年，運行情況良好，說明該受力計算滿足現場的使用條件。由于礦井副井內各種裝備的性能與質量，對保證礦井人員的生命安全至關重要，因此迫切需要進行超大終端荷載(提升終端荷載800～1 500 kN)提升條件下井筒裝備結構設計中的相關技術問題進行專題研究，以提出適合現階段和今后一定時期條件下井筒裝備成套設計理論和設計建設方法，獲得相關技術專利。此舉對完善立井井筒裝備設計體系，提高剛性井筒裝備設計理論水平，充實我國采礦設計規范相關內容具有重要的理論意義；同時，對確保超大提升終端荷載立井井筒提升工作安全運行，具有實際工程應用價值。