余欣回風立井鑿井主要設備配置及選型分析

衛少亮

(潞安化工集團 余吾煤業公司，山西 長治 046103)

1 概述

余欣風井場地位于余吾井田西南部，距余吾煤業中央區約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，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，并使用穩車懸吊，各層盤鋼梁和立柱及連接部分應有足夠的強度；穩車使用JZ系列10 t～40 t穩車群，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《煤礦安全規程》規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《煤礦安全規程》和《煤礦建設安全規范》規定，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。提升絞車電控系統采用變頻控制系統，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。

吊盤懸吊繩兼穩繩根數為4，考慮基巖段吊盤懸吊繩兼穩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，吊盤懸吊繩兼穩繩選用18×7+FC-44-1870型鋼絲繩滿足安全使用要求。

(2) 穩車選型。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、定位等輔助作業時間為2 min考慮，則鉆完一個炮孔的作業時間為7 min。

循環作業圖表規定單模循環鉆孔時間為180 min，按工作面6臺鑿巖機同時作業考慮，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，根據循環作業圖表，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，必須要持續強化對提升、懸吊、打鉆、裝矸及通風等重點關鍵環節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。