余欣回風立井鑿井主要設備配置及選型分析

衛(wèi)少亮

(潞安化工集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

1 概述

余欣風井場地位于余吾井田西南部，距余吾煤業(yè)中央區(qū)約7.7 km。余欣回風立井井筒設計凈直徑為8.0 m、凈斷面積為50.24 m2、深度為743 m,采用凍結法施工，凍結深度為339 m。該井筒施工設備以鑿井井架、提升絞車、穩(wěn)車、傘鉆、中心回轉抓巖機、吊盤及吊桶等為主體，施工機械化程度較高，施工工期預計330天。

2 井筒施工方案

余欣回風立井臨時提升系統(tǒng)采用主副2套獨立的單鉤提升，座鉤式吊桶提升矸石，底卸式吊桶下放混凝土。凍結表土及風化基巖段施工采用短段掘砌混合作業(yè)，風鎬和高效風鏟配合挖掘機掘進，2臺中心回轉抓巖機裝矸，整體懸吊液壓單縫式金屬模板砌壁，砌壁段高4 m，液壓自動脫模；內壁套砌使用組合式鋼模板砌筑，套壁段高1.2 m。凍結基巖段及基巖段采用傘鉆配鑿巖機鉆孔，實施4.5 m中深孔光面爆破，一掘一砌。

3 井筒技術特征

立井鑿井設備的選型配置應根據井筒的特征條件、深度和直徑綜合計算和校驗，各種設備之間既有聯(lián)系又相互制約。余欣回風立井井筒技術特征見表1。

表1 余欣回風立井井筒技術特征

4 主要設備選型及校驗

井筒施工設備選配應滿足以下要求：井架應能承擔施工中的全部載荷，保證足夠的過卷高度;翻矸平臺高度應滿足傘鉆提升高度和汽車排矸要求；井筒凈直徑在5.5 m～9 m之間、井深大于600 m時，布置2套單鉤提升和1臺～2臺抓巖機；吊桶上方必須安設帶保護傘的滑架，鉤頭閉鎖可靠；吊盤必須使用兩層或多層吊盤，并使用穩(wěn)車懸吊，各層盤鋼梁和立柱及連接部分應有足夠的強度；穩(wěn)車使用JZ系列10 t～40 t穩(wěn)車群，裝設可靠的制動裝置和防逆轉裝置，并設有電氣閉鎖。

4.1 鑿井井架

根據表1井筒斷面技術特征，同時為滿足提升載荷要求，井筒選配承載能力較大的Ⅴ型鋼管井架，井架底部跨距為16 m×16 m。為滿足傘鉆提升至封口盤以上的高度要求，二層平臺即翻矸平臺到基礎面高度為10.5 m。天輪平臺平面尺寸為7.5 m×7.5 m，基礎頂面至天輪平臺頂面高為26.4 m，滿足過卷高度要求。

4.2 提升鋼絲繩

根據表1井筒總深度748.6 m，井口水平至井架天輪平臺懸垂高度28.4 m，鋼絲繩最大懸垂高度777 m等技術特征，對鋼絲繩在提升物料和人員時的懸吊終端荷載計算，主鉤鋼絲繩選用18×7+FC-46-1870特型多層股不旋轉鋼絲繩，副鉤鋼絲繩選用18×7+FC-42-1870特型多層股不旋轉鋼絲繩。按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定鋼絲繩提物時安全系數大于7.5，提人時安全系數大于9進行校驗，滿足要求。

4.3 提升絞車

根據表1井筒直徑8.0 m、井筒深度743 m的技術特征，井口布置主副2套單鉤提升絞車。設備選型分析如下：

(1) 滾筒選型 。根據《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦建設安全規(guī)范》規(guī)定，主絞車滾筒直徑應同時滿足：

(1)

其中：ds主為主鉤鋼絲繩直徑，ds主=46 mm；δ主為主鉤最粗鋼絲直徑，δ主=2.97 mm。

將數值代入式(1)計算得：D主≥2 760 mm，D主≥2 673 mm。

副絞車滾筒直徑應同時滿足：

(2)

其中：ds副為副鉤鋼絲繩直徑，ds副=42 mm；δ副為副鉤最粗鋼絲直徑，δ副=2.71 mm。

將數值代入式(2)計算得：D副≥2 520 mm，D副≥2 439 mm。

根據計算結果，主鉤選用卷筒直徑3.6 m的提升機，副鉤選用卷筒直徑3.2 m的提升機，滿足要求。

(2) 提升絞車的選型。根據滾筒選型情況，主鉤選用JKZ-4×3/18型提升絞車，配備7(6) m3吊桶；副鉤選用JKZ-3.2×3/18型提升絞車，配備6(5) m3吊桶。提升絞車電控系統(tǒng)采用變頻控制系統(tǒng)，盤形閘制動；車房安裝實時顯示提升絞車相關運行參數和狀態(tài)的工控機畫面，當吊桶接近上井口和吊盤時進行語音提示和報警，并安裝深度指示器；提升信號裝置為數顯的本質安全型信號裝置，并與絞車控制回路閉鎖。主副提升絞車技術特征見表2。

表2 主副提升絞車技術特征

(3) 提升絞車載荷校驗。先對主鉤使用6 m3吊桶提升矸石、提升人員、提升傘鉆、使用4.0 m3底卸式吊桶下放混凝土等情況下的最大載荷進行計算和對比，結果為使用6 m3吊桶提升矸石時終端荷載最大;再對主鉤使用7 m3吊桶提升矸石時的載荷進行校驗。

主鉤使用7 m3吊桶提升矸石時的載荷計算公式為：

(3)

其中：Km為裝滿系數，Km=0.9；VTB2為標準吊桶容積，VTB2=7 m3；γg為巖石松散容重，γg=1 600 kg/m3；Ks為巖石松散系數，Ks=1.8；γs為水容重，γs=1 000 kg/m3；Zd2為7 m3吊桶自重，Zd2=2 349 kg；Zg為鉤頭及連接裝置重量，新型18 t鉤頭及連接裝置自重Zg=305 kg；Zh為滑架及緩沖器自重，Zh=400 kg。

將數值代入式(3)計算得：Qg=15 934 kg。

7 m3吊桶最大提升深度為：

(4)

其中：Qd為絞車鋼絲繩破斷拉力，Qd=1 578 090 N；m為提物鋼絲繩安全系數，取m=7.5；PSB為鋼絲繩單位重量，PSB=8.25 kg/m；h2為井口水平至井架天輪平臺懸垂高度，h2=28.4 m。

將數值代入式(4)計算得：h1=640 m。為了安全起見，規(guī)定7 m3吊桶提升深度為620 m，然后需更換6 m3吊桶。所以主鉤使用7 m3吊桶提升深度達620 m時提升荷載即鋼絲繩最大靜張力為：

Fmax主=(Qg+PSB·h0)×9.81.

(5)

其中：h0為提升7 m3吊桶時主鉤鋼絲繩最大懸掛高度，h0=648.4 m。

將數值代入式(5)計算得：Fmax主=208.8 kN。主鉤鋼絲繩額定最大靜張力為290 kN>208.8 kN，滿足要求。

同上，使用相同步驟對副鉤使用6 m3吊桶提升矸石時的最大靜張力進行校驗(步驟略)，經計算副鉤最大懸掛高度為556.4 m，此時副鉤提升載荷Fmax副=173.1 kN，副鉤鋼絲繩額定最大靜張力180 kN>173.1 kN，滿足要求。

根據校驗結果，主鉤和副鉤均滿足提升強度要求。

(4) 電動機功率校驗。主鉤電動機最大實際功率為：

(6)

其中：Q主為主鉤提升7 m3吊桶裝滿矸石至井筒620 m位置時的載荷，Q主=21 283 kg；vm主為主鉤最大提升速度，vm主=6.85 m/s；ηc為減速機效率，ηc=0.85。

將數值代入式(6)計算得：P主=1 682 kW。主鉤電機額定功率為2 000 kW>1 682 kW，滿足要求。

副鉤電動機最大實際功率為：

(7)

其中：Q副為副鉤提升6 m3吊桶裝滿矸石至528 m位置時的載荷即最大提升載荷，Q副=17 645 kg；vm副為副鉤最大提升速度，vm副=5.46 m/s。

將數值代入式(7)計算得：P副=1 111 kW。副鉤電機額定功率為1 250 kW>1 111 kW，滿足要求。

4.4 吊盤懸吊繩及穩(wěn)車

(1) 吊盤懸吊繩選型。由于基巖段吊盤總重量大于表土段吊盤總重量，因此取基巖段吊盤總重量(53 171 kg)進行驗算。

吊盤懸吊繩兼穩(wěn)繩根數為4，考慮基巖段吊盤懸吊繩兼穩(wěn)繩終端荷載時鋼絲繩單位長度重量的經驗計算公式為：

(8)

其中：QW為基巖段吊盤懸吊繩兼穩(wěn)繩終端荷載，QW=13 293 kg；σB為鋼絲繩的公稱抗拉強度，σB=1 870 MPa；ma為鋼絲繩的理論安全系數，ma=6；H0為基巖段鋼絲繩懸掛高度，H0=777 m。

將數值代入式(8)計算得：Ps=5.01 kg/m。

根據以上計算出的Ps值，查國家標準GB 8918-2006，試選18×7+FC-44-1870型鋼絲繩進行校驗。該鋼絲繩單位重量PSB吊=7.55 kg/m，吊盤懸吊鋼絲繩破斷拉力總和Qd=1 436 960 N。

鋼絲繩工作荷載：

QZ=(QW+PSB吊·H0)×9.81.

(9)

將數值代入式(9)計算得：QZ=187 953 N。

鋼絲繩安全系數：

(10)

將數值代入式(10)計算得：m=7.65>ma=6。根據計算，吊盤懸吊繩兼穩(wěn)繩選用18×7+FC-44-1870型鋼絲繩滿足安全使用要求。

(2) 穩(wěn)車選型。鋼絲繩最大荷重Qmax=QZ=187 953 N，根據計算，選用JZ-25/1300型穩(wěn)車，其額定最大靜張力為250 000 N>187 953 N，滿足要求。

4.5 鑿巖機

按井深為748.6 m、井壁厚度為0.6 m、基巖段掘進直徑為9.2 m、工作面布置147個炮眼、炮眼深度4.5 m、月掘砌成井130 m要求校核鑿巖能力。YGZ-70型導軌式鑿巖機鉆眼速度為900 mm/min～950 mm/min，按5 min鉆完一個4.5 m深的炮孔考慮，退釬桿、移動、定位等輔助作業(yè)時間為2 min考慮，則鉆完一個炮孔的作業(yè)時間為7 min。

循環(huán)作業(yè)圖表規(guī)定單模循環(huán)鉆孔時間為180 min，按工作面6臺鑿巖機同時作業(yè)考慮，單臺鑿巖機鉆孔時間為：

(11)

其中：N為工作面炮眼數量，N=147；t為鉆孔時間，t=7 min。

將數值代入式(11)得鉆孔時間T=172 min<180 min。根據計算結果，采用6臺YGZ-70型鑿巖機能滿足施工要求。

4.6 裝矸設備

按井筒凈直徑8 m、井深743 m配置，井內布置2臺HZ-6型抓巖機,單臺抓巖機理論生產率為50 m3/h，2臺綜合生產率為80 m3/h，根據循環(huán)作業(yè)圖表，需要7.17 h完成一茬炮的矸石。所需的出矸能力為：

(12)

其中：S為矸石面積，S=66.4 m2；h為段高，h=4 m。

將數值代入式(12)得出矸能力Q=66.8 m3/h<80 m3/h。根據計算結果，2臺HZ-6型抓巖機的裝矸能力滿足施工需要。

4.7 壓風機

根據施工方法及施工機具配備，井筒使用XFJD6.11型傘鉆配6臺YGZ-70型導軌式鑿巖機進行鉆眼作業(yè)時耗風量最大。傘鉆總耗氣量為68 m3/min，1臺風泵耗氣量為3 m3/min，井筒工作面所需最大需風量為71 m3/min。地面臨時壓風機房內安設兩臺MM250-42.5/1510型和兩臺MM110-20/706型螺桿式空壓機,裝機總供風量可達125 m3/min。

考慮到壓風損耗，實際最大耗風量為：

Qmax耗=αβγnKq.

(13)

其中：α為管網漏風系數，α=1.1；β為風動機械磨損耗風系數，β=1.05；γ為高原修正系數，γ=1.00；n為同型號風動工具使用數量，n=1；K為同型號風動工具使用系數，K=1；q為風動工具最大耗風量，q=71 m3/min。

將數值代入式(13)計算得：Qmax耗=82 m3/min。選用MM250-42.5/1510型壓風機2臺，額定風量為42.5 m3/min；MM110-20/706型壓風機2臺，額定風量為20 m3/min。則裝機總供風量Q裝機=(2×42.5 m3/min)+(2×20 m3/min) =125 m3/min>82 m3/min。根據計算結果，壓風機滿足井筒用風要求。

4.8 通風機

掘進工作面同時工作的最多人數為25人，每人需要的新鮮空氣為4 m3/min，按人數計算，掘進工作面實際需要的風量Q1=100 m3/min。

按炸藥量計算，爆破后工作面所需風量為：

Q2=7.8[A(S井筒L)2K1]1/3/t1.

(14)

其中：t1為爆破后井筒通風時間，t1=50 min；A為井筒基巖段全斷面爆破的炸藥量，A=503.1 kg；S井筒為井筒凈橫截面積，S井筒=50.24 m2；L為炮煙稀釋安全距離，L=300 m；K1為淋水系數，取K1=0.3。

將數值代入式(14)計算得：Q2=507 m3/min。根據通風原則，井筒工作面需風量為507 m3/min。選取備用系數為1.25，則通風機工作風量Q工作=Q2×1.25=634 m3/min。

根據計算，前期采用2臺FBD-№8.0/45×2型對旋風機通風(一用一備)，風機風量為473 m3/min～817 m3/min；揭煤時選擇2臺FBD-№8.0/55×2型對旋風機通風，風機風量為506 m3/min～874 m3/min，滿足要求。

4.9 鑿井設備配置

通過以上對主要設備的選型分析和校驗，余欣回風立井鑿井裝備配置見表3。

表3 余欣回風立井井筒鑿井機械裝備

5 結束語

余欣回風立井井深大，地質條件復雜，在井筒掘進快速推進的同時，必須要持續(xù)強化對提升、懸吊、打鉆、裝矸及通風等重點關鍵環(huán)節(jié)機電設備的日常管理，做好設備日常檢修維護，保障項目工程建設安全有序推進。