超大繩端載荷立井裝備設計探討

宋立平

(中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，伴隨著煤炭開采裝備和采煤技術的快速發展，礦井井型也逐年加大，千萬噸級礦井在內蒙古、陜西、寧夏等地區已較為常見。大型礦井的快速建設，對提升設備及立井井筒裝備提出了更高的要求。目前，大型礦井主立井井筒裝備箕斗的載荷均在40 t以上，且隨著無軌膠輪車和大采高支架的推廣普及，副立井井筒裝備提升要求顯著增大，提升繩端載荷均超過800 kN以上[1-3]。現在立井井筒裝備所面臨的提升設備的運行條件是井筒深、荷載超大、運行速度高，因此在提升容器高速、重載運行情況下容易出現罐道變形、罐道梁破壞和運行失穩等損壞現象[4-9]，這是對裝備設計的考驗。此前GB 50384—2007《煤礦立井井筒及硐室設計規范》中關于罐道所受載荷的計算方法為業內慣稱的“德國公式”，而2016年修編出版的現行規范正文與說明部分共提供了兩個受力計算公式，二者的計算結果相差很大[10-12]。此外，對這種超大繩端載荷運行工況條件下立井井筒裝備所開展的研究相對較少。因此，筆者結合所在單位近年來所做的超大終端載荷立井井筒裝備設計，給出了幾個典型工況下的設計斷面及罐道的相關設計參數，供相似條件下的立井罐道的設計進行參考。

1 公式討論

1.1 目前規范中公式存在的問題

根據現有的GB 50384—2016《煤礦立井井筒及硐室設計規范》，當前設計采用的是德國公式和工程計算法。德國公式的罐道與罐道梁正面水平力標準值為提升終端載荷的1/12；而工程計算法則是考慮了提升終端荷載、運行速度、罐道梁或托架的層間距3個主要因素，運用相對運動原理，通過剛性井筒裝備水平力模擬實驗臺正交設計進行實驗，由中國礦業大學測得水平力數據，在對實驗數據進行回歸分析的基礎上提出來的。當分別采用德國公式與工程計算法后，得到的水平力的差值極大，兩者成數倍的差值以門克慶礦井副立井井筒裝備為例，分別采用這兩個公式進行計算。提升終端載荷為1 600 kN，運行速度為10.47 m/s，罐道層間距為4 m，采用德國公式計算結果為133 kN，采用工程計算法公式計算結果為27.56 kN，兩者之間水平力相差了3.8倍。

1.2 兩個公式提出的背景條件

德國公式是30年代原聯邦德國提出的經驗公式，其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。工程計算法是90年代中國礦業大學提出的3參數水平力計算公式，適用條件為提升容器載重小于30～40 t，運行速度小于14～18 m/s。可見，兩個公式的適用條件都與目前立井裝備運行工況不符。

1.3 結構受力計算

傳統的立井井筒裝備結構計算是將罐道和罐道梁分離，采用簡支梁或連續梁受集中力平面計算模型進行罐道和罐道梁強度、剛度的計算。對于罐道梁，立井裝備有一套提升系統，罐道梁的受力為一側罐道作用于罐道梁的作用力。兩套提升系統，由于4根罐道所受荷載難以同時作用在一根罐道梁上，因此該工況不予考慮；兩根罐道荷載同時作用在一個罐道梁上的概率也較小，因此該工況也不予考慮。罐道梁受力的最不利荷載為最內側其中的一根罐道作用于罐道梁的作用力。由于罐道梁的作用力為罐道對其施加，而罐道的作用力在提升容器上，只要計算出罐道的荷載，通過作用力與反作用的關系便能確定罐道梁的作用力。

2 工程案例

井筒裝備發展非常迅速，立井井筒裝備是井筒裝備中最復雜的形式，空間狹小，受力復雜，尤其是罐道和罐道梁受力非常復雜。當前，立井提升繩端載荷 45 t以上較為常見，現行規范提供的兩個受力計算公式計算結果相差較大，因此工程參照法設計立井井筒裝備非常必要。

2.1 孟村煤礦

2.1.1 副立井裝備

孟村礦井位于陜西彬長礦區中西部的涇河西側，設計生產能力6.0 Mt/a，副立井井筒凈直徑8.5 m，提升深度550 m。設計一套提升系統，裝備一對雙容器提升，其中一個容器為非標多繩特寬罐籠6 800 mm×2 800 mm×9 150 mm(長×寬×高)，另一個容器為小型非標雙層窄罐籠5 000 mm×1 270 mm×9 150 mm(長×寬×高)，3趟φ325 mm×15(8)mm排水管路、兩趟φ325 mm×16(8)mm強排管路。設計提升速度為9.42 m/s，雙層四車罐籠及配重總重約39 t，最大件液壓支架重36 t(加重型平板車重量5 t)，合計提升繩端載荷為800 kN。立井斷面如圖1所示、罐道選型參數見表1。

圖1 孟村副立井斷面

2.1.2 主立井裝備

孟村礦井主立井凈直徑6.5 m，提升高度563.8 m。井筒內裝備一對名義載煤量為45 t的立井多繩提煤箕斗，一趟黃泥灌漿管路(φ219 mm×8 mm)、一趟消防灑水管路(φ219 mm×8 mm)、一趟供水施救管路(DN100 mm)。每根鋼絲繩最大靜張力為1 700 kN，共4根；提升速度為11.34 m/s，箕斗及配重總重約82 t，名義載煤量45 t，最大繩端荷載為1 270 kN。立井斷面如圖2所示、罐道選型參數見表1。

圖2 孟村主立井斷面

表1 立井罐道選型表

2.2 門克慶煤礦

2.2.1 副立井裝備

門克慶礦井位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗，設計生產能力12.0 Mt/a。副立井凈直徑10.0 m，提升高度725.5 m；井筒內裝備兩套提升系統，分別為一個非標特大罐籠(寬3.6 m)帶一個平衡錘、一個非標大罐籠(寬2.1 m)帶一個平衡錘，兩個罐籠中心距為3 450 mm，提升速度10.47 m/s。雙層四車罐籠及配重總重約55.8 t，最大件液壓支架(含平板車)重50.0 t。特大罐籠的首繩共6根，長度均為770 m，總重48.5 t；特大罐籠的尾繩共3根，長度30 m，總重1.9 t。特大罐籠的最大繩端荷載約1 600 kN，同理，大罐籠的最大繩端荷載為840 kN。立井斷面如圖3所示、罐道選型參數見表1。

圖3 門克慶副立井斷面

2.2.2 主立井裝備

主立井凈直徑9.6 m，提升高度726.2 m。井筒內裝備兩套提升系統，提升容器為標準50 t箕斗，箕斗自身重量68 t，提升繩的首繩重58 t，尾繩重2 t。提升速度14 m/s，箕斗最大繩端荷載為1 780 kN，罐道梁長8.3 m。立井斷面如圖4所示、罐道選型參數見表1。

圖4 門克慶主立井斷面

2.3 納林河煤礦二號副立井裝備

納林河二號礦的設計生產能力為8.00 Mt/a，可采儲量為796.38 Mt，礦井服務年限為71.1 a。副立井井筒凈直徑為10.5 m，采用立井多繩提升系統。井筒內布置2套提升設備，其中1號提升系統為大罐籠+平衡錘，二號提升系統為小罐籠+平衡錘，2套提升系統主提升速度均為9.42 m/s。大罐籠的最大繩端荷載1 500 kN，同理，小罐籠的最大繩端荷載為750 kN。立井斷面如圖5所示、罐道選型參數見表1。

圖5 納林河二號副立井斷面

3 結語

由于我國西部一些超大型礦井提升容器運行條件已超過現行采礦設計規范中有關剛性井筒裝備的設計條件，使得井筒裝備設計工作準確性和可靠性難以保證，因此進行超大繩端載荷提升條件下井筒裝備結構設計研究顯得十分必要。除上述案例以外，納林河二號礦井的一號主立井、二號主立井、胡家河主立井、文家坡主立井箕斗載重均為40 t，母杜柴登主立井箕斗載重為45 t。以上設計的立井井筒裝備運行良好，且各個井筒提升裝備的運行工況基本相似，可以為其他礦井立井裝備設計提供一定參考與借鑒。