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(jié)構(gòu)，主要由罐道和罐道梁(或托架)組成，沿井筒深度構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)體系[1-3]。近10 a來，隨著我國西部煤炭資源的高強度開發(fā)，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(xiàn)行采礦設計規(guī)范中水平力的確定是基于30年代德國提出的參數(shù)水平力計算公式和90年代中國礦業(yè)大學提出的參數(shù)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(yè)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(xiàn)行采礦設計規(guī)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(wěn)定性難以保證[8-11]；從近幾年監(jiān)測的礦井來看，監(jiān)測結(jié)果較接近原聯(lián)邦德國經(jīng)驗公式。因此，為了安全起見，井筒設計仍應采用原聯(lián)邦德國的經(jīng)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(qū)中深部，行政區(qū)劃屬合陽縣王村鎮(zhèn)、城關鎮(zhèn)、防擄寨鄉(xiāng)及甘井鎮(zhèn)管轄，本井田南與澄合礦區(qū)王村煤礦相鄰。合陽縣城位于井田東南角外側(cè)，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(guī)劃區(qū)西側(cè)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(quán)劃定的合陽西中深部勘查區(qū)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，支護厚度為600 mm。井筒內(nèi)正常層間距為5.0 m，井筒內(nèi)與井壁連接的構(gòu)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(tǒng)：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(nèi)裝備2套提升系統(tǒng)，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(nèi)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(lián)邦德國《豎井與斜井裝備的技術規(guī)程》(1977年)規(guī)定的有關水平力的簡化計算公式(根據(jù)GB 50384—2016煤礦立井井筒及硐室設計規(guī)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(cè)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(gòu)件一般在失去支承力的情況下，提升容器與裝備才出現(xiàn)極限工作狀態(tài)，發(fā)生運行失穩(wěn)現(xiàn)象。為保證穩(wěn)定運行，罐道截面應根據(jù)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(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，罐道的強度應滿足以下要求

(9)

經(jīng)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(zhì)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(zhì)Q345，則

=293 N/mm2

剛度驗算：罐道除滿足上述強度條件以防止構(gòu)件發(fā)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(guī)范規(guī)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(jīng)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(jīng)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(jié)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(jié)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(xù)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(yè)，據(jù)統(tǒng)計，全世界由于腐蝕造成的鋼鐵損耗約占當年鋼鐵產(chǎn)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(zhì)的分析，確定井筒內(nèi)的裝備均采用了有效防腐。例如：井筒內(nèi)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(gòu)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(jié)語

經(jīng)過實踐證明，該立井井筒裝備已經(jīng)運行了8年，運行情況良好，說明該受力計算滿足現(xiàn)場的使用條件。由于礦井副井內(nèi)各種裝備的性能與質(zhì)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(jié)構(gòu)設計中的相關技術問題進行專題研究，以提出適合現(xiàn)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(guī)范相關內(nèi)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。