JKZ 型鑿井提升機的設計選型研究

李建朋，徐永福 ，熊 健

1招金礦業股份有限公司 山東招遠 265400

2洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

3智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

鑿井提升機是井筒作業的關鍵設備，是建井的 重要工具，在建井產業中占有特殊地位。它主要用于提升吊桶、升降人員及鑿井用的各種機械設備、下放砌壁用的混泥土等。鑿井提升機在整個井筒施工期間起著重要的作用，其選型及布置的合理與否直接關系到提升的安全性和建井速度[1]。

1 鑿井提升系統的組成

鑿井提升系統的主要設備有鑿井提升機、天輪裝置、液壓制動系統、控制與傳動系統、井架、鋼絲繩、鉤頭裝置、吊桶、抓巖機、傘鉆、挖掘機等[2]，如圖 1 所示。其中，聯系井下與地面的核心設備為鑿井提升機，現在常用的為 JKZ 型鑿井提升機，其結構形式與纏繞式提升機基本相同。但與單繩纏繞式提升機采用相同或相近規格時，鑿井提升機具備更大的提升能力。

圖1 鑿井提升系統 Fig.1 Sinking hoist system

JKZ 型鑿井提升機主要由主軸裝置、盤形制動裝置、卷筒護板、液壓站、深度指示器及傳動裝置、測速傳動裝置、潤滑站、齒輪聯軸器、減速器、彈性棒銷聯軸器、電動機以及各類底座等組成[3]，如圖 2 所示。

圖2 JKZ 鑿井提升機的組成Fig.2 Constitution of JKZ-type sinking hoist

2 JKZ 型鑿井提升機選型計算

選型計算的基本依據是建設井筒的直徑與井深、每小時出渣量等。鑿井提升系統的選型是一項較復雜的設計工作，需要反復修正計算，才能最終確定[4]。目前鑿井提升機的選型主要存在以下問題：

(1) 所選鑿井提升機的結構形式難以實現后期改鑿井絞車的工作；

(2) 隨著掘進深度的增加，提升能力與抓巖能力不匹配；

(3) 無法滿足挖掘橫巷道時大件設備的運輸要求等。

2.1 選型原則

JKZ 型鑿井提升機的選型一般采用以下原則[5]：

(1) 必須滿足項目建井不同階段的所有要求；

(2) 立井鑿井時，無論選用單筒或雙筒設備，一般均采用單鉤提升，并且要考慮提傘鉆、提碴及提人的所有工況；

(3) 針對不需要臨時改為鑿井絞車的井筒，井筒直徑 5 m 以上時，一般采用 2 臺單筒鑿井設備；井筒直徑 5 m 以下時，則易采用單臺單筒鑿井設備；

(4) 針對需要臨時改為鑿井絞車的井筒，井筒直徑 5 m 以上時，一般采用 1 臺雙筒和 1 臺單筒鑿井設備；井筒直徑 5 m 以下時，則易采用單臺雙筒鑿井設備。

2.2 選型計算

影響鑿井提升機選型的主要因素有建設井筒直徑、提升容器 (提升能力)、提升高度、運輸最大不可拆卸件的質量等。

2.2.1 建設井筒基本參數

井筒設計凈直徑為D井筒，mm；井筒建設深度為H井深，m；天輪裝置平臺高度為h天輪，m；提升吊桶容積為V，m3，自重為Q吊，kg；鉤頭裝置質量為G鉤頭，kg；滑架質量為Q滑，kg；傘鉆自重為Q傘，kg。

2.2.2 提升鋼絲繩的選型計算

鋼絲繩懸垂長度

(1) 提升吊桶時的終端載荷

式中：Km為裝滿系數，通常取 0.9；γg為松散矸石容重，kg/m3；γs為水的容量，kg/m3；Ks為巖石松散系數，一般取 2。

(2) 提升傘鉆時的終端載荷

通常提升傘鉆的載荷要大于提升吊桶的載荷，即Q終'＞Q終。選擇鋼絲繩型號時，采用較大載荷Q終'計算。

(3) 提升鋼絲繩單位質量

式中：σB為鋼絲繩抗拉強度，MPa；ma為安全系數，按照規程常取 7.5。

鑿井提升機多采用多層股不旋轉 18×7+FC 鋼絲繩，它的抗拉強度為 1 770 MPa；根據式 (4) 得到的單位質量，可選出對應鋼絲繩的直徑。根據上文的技術參數，需要重新校核不同工況下的鋼絲繩安全系數，滿足規程要求即可。

2.2.3 天輪裝置選型

根據《煤炭安全規程》及《金屬非金屬礦山安全規程》要求，纏繞式提升機卷筒、天輪與提升鋼絲繩直徑之比應符合相關要求，如表 1 所列。

表1 卷筒、天輪與提升鋼絲繩直徑之比Tab.1 Ratio of drum diameter and head shave diameter to hoisting wire rope diameter

根據礦山類型及設備所用位置，天輪裝置的名義直徑D天可根據鋼絲繩直徑d按照對應的規程計算得到。此外，其強度與剛度必須滿足鋼絲繩破斷拉力的要求。

2.2.4 提升機選型

(1) 提升機卷筒直徑 參照表 1，提升卷筒的名義直徑D可根據鋼絲繩直徑d按照對應的規程計算得到。

(2) 提升機卷筒寬度

式中：B為提升機卷筒寬度計算值，mm；L為試驗繩長度，一般取 30 m；λ為死繩圈，一般取 3；ε為鋼絲繩圈間隙，根據鋼絲繩直徑的大小取值稍有不同。纏繞層數

式中：BT為鑿井提升機標準中實際寬度，mm。n必須要滿足規程中的要求。

(3) 提升機型號 根據確定的卷筒名義直徑和寬度，即可選出鑿井提升機需要設計的規格型號。工程設計時，需要校核提升機的最大靜張力與最大靜張力差，確保提升設備滿足使用要求。

2.2.5 電動機功率估算

式中：k為電動機富裕系數，一般取K=1.1；vm為最大提升速度，m/s；η為提升機與電動機之間的傳遞效率，行星齒輪減速器取 0.92，平行軸減速器取 0.85～0.90。

電動機功率初選后，需要按照電動機驅動力矩以及下放大件工況等情形進行校核驗算。

2.3 主機設備規格參數

系統選型計算后，可初步確定鑿井提升機規格以及主要技術參數，但從設備的標準化和規范化考慮，應優先按照 JB/T 12193—2015《鑿井提升機》中的規格參數進行選取，如表 2 所列。如實際選型計算規格在標準中無相同產品，應遵守相近規格靠上選取的原則。

表2 鑿井提升機的規格參數Tab.2 Specification and parameters of sinking hoist

2.4 配套設備

選擇鑿井配套設備時，提升能力要與抓巖能力相匹配，且提升能力要大于抓巖能力，以保證隨著井筒掘進深度的增加，抓巖機在裝巖時間內仍可不間斷連續工作[6]。不同直徑的井筒常用的吊桶設備及配套的抓巖機可參考如表 3 所列進行選取。

表3 配套輔機的選取參考Tab.3 Reference for selecting matched equipments

3 現場安裝及布置

在整個鑿井提升系統的現場安裝與布置中，提升吊桶的位置最為關鍵，其位置不僅影響地面機房和井架位置的確定，還決定著井筒內掘進設備的布局。因此，現場鑿井建設時，首先要確定吊桶的安裝方式和位置。提升吊桶的位置布局通常要遵守下列規則。

(1) 吊桶的結構形式、連接形式、載人載物條件以及井筒中位置間距關系等，均必須遵守《煤炭安全規程》或《金屬非金屬礦山安全規程》的要求。

(2) 選用雙筒鑿井提升機作為單筒起吊時，提升吊桶應安置于固定卷筒側。天輪平臺設計時，應為游動卷筒側天輪安裝留足空間，以便于后期單鉤吊桶改為雙鉤罐籠提升。

(3) 選用一套單筒或一套雙筒鑿井提升設備時，提升吊桶優先放于井筒中心線下方靠近提升設備側，方便安裝天輪井架和相關鑿井設備。

(4) 吊桶兩側穩繩間距的選擇應與配套的滑架相一致，提升繩及穩繩需在一個大平面內，且與卸載方向垂直。

(5) 選擇兩套鑿井設備同時工作時，兩套吊桶應以井架中心面對稱分布；此時，井架受到的側拉力相互抵消，穩定性更好，也有助于井架水平連桿布置翻矸臺。

(6) 對于采用罐籠提升的副立井，提升吊桶應放置于永久提升機房內，提升設備中心線與后期礦車進出方向一致；對于采用箕斗提升的剛性罐道主立井，若采用多套鑿井設備，必須有一套放置于永久提升機房內，提升吊桶的中心線與后期固定提升設備中心線平行或垂直，且必須與車場的出車方向一致。

(7) 鑿井后期如有提升吊桶改為臨時罐籠計劃，提升吊桶應與臨時罐籠安裝位置一致，且提升吊桶與臨時罐籠的提升鋼絲繩間距保持相同。

4 結語

進幾年，隨著淺部資源的枯竭，礦產資源的開采已逐步轉入深井或超深井領域，如中國黃金紗嶺金礦、云南馳宏會澤鉛鋅礦、山東招金瑞海礦業以及山東黃金三山島金礦等，井深都已超過了 1 500 m。今后，超深井的建設將會越來越多，大型鑿井提升設備也隨之迎來黃金期，超深井鑿井提升系統與設備的設計選型顯得尤為重要。通過鑿井設備的選型與布置介紹，期待與同行對新建礦井鑿井初期的建設進行探討。