崔漢濤

(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司礦山工程院，河北省邯鄲市，056031)

峰峰礦區(qū)是具有百年開采歷史的老礦區(qū)，煤炭資源開采歷史悠久，由于開發(fā)強(qiáng)度較大以及后備資源存量不足，目前已成為我國資源嚴(yán)重危機(jī)的煤礦區(qū)之一。磁西煤礦位于峰峰礦區(qū)東部，行政區(qū)劃隸屬于磁縣和峰峰礦區(qū)管轄，是峰峰礦區(qū)向深部開發(fā)的第一個(gè)井田，煤層埋藏深度為1000～1500 m，主要為低灰和低硫的焦煤和瘦煤，該煤種具有成焦性能好、焦型好、塊度大以及孔隙率低等特點(diǎn)，是良好的工業(yè)煉焦用煤。因此，磁西煤礦對埋藏深度超過千米的煤層進(jìn)行開發(fā)，為峰峰礦區(qū)其他深部區(qū)域的開發(fā)進(jìn)行技術(shù)儲備，從而解放深部呆滯煤量，保證礦井接續(xù)，這對解決就業(yè)和維護(hù)峰峰礦區(qū)社會穩(wěn)定具有重大意義。

目前，我國絕大多數(shù)立井開拓的礦井煤層埋藏深度較淺，井筒深度一般在600～800 m。國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的超深井工礦井有山東淄博礦業(yè)集團(tuán)唐口礦，主井深度為1069 m，提升高度為996.5 m，副井深度為1060 m，提升高度也接近1000 m；安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)望峰崗煤礦提升高度為990 m。磁西煤礦煤層埋深達(dá)到1000～1500 m，礦井采用立井開拓，初期布置主井、副井、回風(fēng)井3個(gè)立井井筒，其中副井井口標(biāo)高為+155.0 m，井底車場標(biāo)高為-1149.0 m，井底水窩深度為46 m，提升高度為1304 m，井筒深度為1350 m。副井的提升高度達(dá)到1304 m，時(shí)為國內(nèi)乃至亞洲最深的煤礦立井，尚無成熟的經(jīng)驗(yàn)參考，超千米深井提升是磁西煤礦建設(shè)面臨的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，決定了礦井能否順利開發(fā)。本文從提升機(jī)布置型式、井筒布置、提升機(jī)、鋼絲繩和液壓制動系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了分析論證，確定了安全、可靠的提升方案。

1 提升機(jī)布置型式

多繩摩擦式提升機(jī)有井塔式和落地式兩種布置型式。最近幾年隨著技術(shù)的發(fā)展，井架上裝設(shè)電梯、起重機(jī)，并把井架封閉，解決了落地式每日例行檢查需爬井架、天輪更換難度大以及寒冷地區(qū)冬季鋼絲繩結(jié)冰導(dǎo)致系統(tǒng)防滑性能差等缺點(diǎn)。考慮到井塔式提升機(jī)布置型式具有占用井口時(shí)間長、影響建井工期以及對地基基礎(chǔ)變形的高要求，并且隨著時(shí)間的推移，在井塔自重和設(shè)備荷載下容易出現(xiàn)不均勻沉降、影響提升系統(tǒng)使用以及出現(xiàn)問題后難于恢復(fù)等缺點(diǎn)，磁西副井決定采用落地式提升方案。

2 井筒布置

副井提升高度達(dá)到1304 m，井筒如果設(shè)置一套提升系統(tǒng)，一旦提升系統(tǒng)出現(xiàn)故障，“咽喉”堵死，無法保證井下工人安全升井和維持礦井生產(chǎn)，因此在不增大井筒直徑和設(shè)備投資增加不多的條件下，利用井筒的剩余空間又設(shè)置了一套副提升系統(tǒng)，即交通罐帶平衡錘提升系統(tǒng)。主提升系統(tǒng)采用雙罐籠提升，主要用于人員、矸石、材料和設(shè)備提升，副提升系統(tǒng)主要考慮人員臨時(shí)提升。這樣不僅能夠提高主提升系統(tǒng)的利用率和節(jié)約能耗，而且提高了副井提升系統(tǒng)的可靠性；另外一旦井下發(fā)生災(zāi)難，副提升系統(tǒng)可以作為一個(gè)安全通道，將逃生人員快速升井。

副井井筒布置設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案，方案一井筒凈直徑為9.5 m，整體下放液壓支架，整體重量為36.5 t，井筒內(nèi)裝備一套雙罐籠提升系統(tǒng)，另一套為交通罐帶平衡錘供人員升降的專用交通罐；方案二井筒凈直徑為8 m，井筒內(nèi)仍裝備一套雙罐籠提升系統(tǒng)，另一套為供人員升降的專用交通罐，為了減小井筒直徑，將液壓支架適當(dāng)拆解，拆解后最大件重量為20 t。兩個(gè)方案相比，方案一雖然可以滿足整體下放液壓支架，但需要較大的提升機(jī)，因此投資較高，另外對于直徑為9.5 m、深度為1350 m井筒的支護(hù)施工也是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)；而方案二拆解液壓支架下井，井筒直徑可以減小到8 m，不僅可以大大降低投資，而且降低了井筒施工技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)；其次考慮到液壓支架的升降不是經(jīng)常性的，而且隨著液壓支架制造質(zhì)量的提高，升井大修的次數(shù)也越來越少，因此副井井筒直徑設(shè)計(jì)為8 m，拆解液壓支架下井。雙罐籠提升系統(tǒng)選用JKMD-5.5×4PⅢ型落地式多繩摩擦提升機(jī)，配交流變頻調(diào)速同步電動機(jī)(參數(shù)為2700 kW、38.2 r/min、3150 V)，最大提升速度為11 m/s；交通罐提升系統(tǒng)選用JKMD-2.8×4PI型落地式多繩摩擦提升機(jī)，減速比為7.35，配直流電動機(jī)(參數(shù)為500 kW、590 r/min、660 V)，最大提升速度為11.77 m/s。

3 提升機(jī)

目前國內(nèi)礦井在用的大型提升機(jī)既有進(jìn)口的，也有國產(chǎn)的。進(jìn)口提升機(jī)價(jià)格昂貴，其國內(nèi)市場占有率較低，另外隨著市場的開放，進(jìn)口產(chǎn)品質(zhì)量也有所下降。

國產(chǎn)大型提升設(shè)備技術(shù)已經(jīng)成熟，且價(jià)格要遠(yuǎn)低于進(jìn)口設(shè)備。中信重工(洛礦)1958年建廠，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為在大型鑄鍛和熱處理等重型機(jī)械制造商，大型多繩摩擦式提升機(jī)(摩擦輪直徑4.5 m及以上)國內(nèi)市場占有率為90%，并且多套出口到國外市場。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中信重工2000年以來共生產(chǎn)摩擦輪直徑在4.5 m以上的大型多繩摩擦式提升機(jī)169套(臺)。目前中信重工落地式提升機(jī)最大直徑為?6.2 m(4繩)，塔式最大直徑為?5 m(6繩)，單電動機(jī)拖動最大功率為6300 kW。因此磁西副井提升機(jī)采用國產(chǎn)產(chǎn)品的方案。

4 鋼絲繩

鋼絲繩是提升系統(tǒng)的重要組成部分，像一條“紐帶”連接著提升機(jī)和容器?，F(xiàn)行《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：副井提人安全系數(shù)最小值為9.2～0.0005H，提物安全系數(shù)最小值為8.2～0.0005H。H為鋼絲繩懸掛長度，提升高度越大，H也越大，導(dǎo)致計(jì)算出的所需安全系數(shù)越小，這與實(shí)際需要恰恰相反，對于提升高度為1304 m的超深立井應(yīng)該安全系數(shù)越大越安全。設(shè)計(jì)認(rèn)為提升過程中在相同的荷載下，鋼絲繩越短越容易斷繩，鋼絲繩越長彈性伸長量越大，類似一條橡皮筋，越不容易斷繩。因此鋼絲繩的安全系數(shù)按照現(xiàn)行的《煤礦安全規(guī)程》計(jì)算。

4.1 首繩

多繩摩擦式提升高度超過800 m后，由鋼絲繩自重引起的鋼絲繩扭轉(zhuǎn)是鋼絲繩破壞的主要因素，對于高度為1304 m的提升，這種情況就更為突出，因此選用抗扭轉(zhuǎn)的圓股交互捻鋼絲繩。

根據(jù)現(xiàn)行《煤礦安全規(guī)程》保證安全系數(shù)的情況下，若選用公稱抗拉強(qiáng)度為1770 MPa、直徑為61 mm的鋼絲繩，單重為12.45 kg/m，計(jì)算出提人安全系數(shù)為9.10，提物安全系數(shù)為7.91；若選用公稱抗拉強(qiáng)度為1860 MPa、直徑為58 mm的鋼絲繩，單重為13.77 kg/m，計(jì)算出提人安全系數(shù)為9.06，提物安全系數(shù)為7.89。雖然公稱抗拉強(qiáng)度為1770 MPa的鋼絲繩使用情況已較為普遍，但選用公稱抗拉強(qiáng)度為1860 MPa、直徑為58 mm的鋼絲繩，鋼絲繩自重能減少9.6%，不僅降低了投資，而且在一定程度上降低鋼絲繩自重引起的鋼絲繩扭轉(zhuǎn)破壞，從而提高使用壽命。考慮到公稱抗拉強(qiáng)度為1860 MPa的鋼絲繩有使用先例，因此設(shè)計(jì)選用公稱抗拉強(qiáng)度為1860 MPa的鋼絲繩。

4.2 尾繩

立井摩擦式提升尾繩的結(jié)構(gòu)有圓尾繩和扁尾繩兩種，目前國內(nèi)煤礦使用圓尾繩的礦井不多，圓尾繩必須裝備自動旋轉(zhuǎn)的尾繩懸掛裝置，避免尾繩的“扭繩”現(xiàn)象，國產(chǎn)圓尾繩懸掛裝置質(zhì)量大部分不過關(guān)，一般都需要進(jìn)口。扁尾繩由于其扁而寬的特殊結(jié)構(gòu)，即使在提升系統(tǒng)高速運(yùn)行過程中也不易旋轉(zhuǎn)，從本質(zhì)上避免了尾繩的“扭繩”現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)選用扁尾繩。

在提升過程中尾繩環(huán)直徑較小，尾繩運(yùn)行不靈活，容易“打結(jié)”，提升速度越大，對尾繩環(huán)直徑的要求就越大。針對此問題對正在運(yùn)行的部分礦井進(jìn)行了調(diào)研，山西潞安集團(tuán)李村煤礦副井交通罐系統(tǒng)提升速度為5.7 m/s，尾繩環(huán)直徑為1030 mm；山西陽煤集團(tuán)寺家莊礦井副井交通罐系統(tǒng)提升速度為8.2 m/s，尾繩環(huán)直徑為1050 mm。設(shè)計(jì)認(rèn)為磁西煤礦副井交通罐帶平衡錘提升速度為11.77 m/s、尾繩環(huán)直徑為1250 mm是可行的，實(shí)踐證明也是可行的。

5 液壓制動系統(tǒng)

目前國內(nèi)新建大型礦井多采用恒減速安全制動系統(tǒng)，恒減速制動系統(tǒng)有單通道恒減速帶恒力矩制動、雙通道恒減速安全制動和多通道恒減速N+1制動這3種型式。

(1)單通道恒減速帶恒力矩制動型式在恒減速功能失效后自動切換到恒力矩狀態(tài)，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格較低，缺點(diǎn)是提升系統(tǒng)必須以恒力矩二級制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，恒減速制動的一些優(yōu)點(diǎn)沒有充分發(fā)揮出來，如容器自重、配重均需按恒力矩制動系統(tǒng)配置。

(2)雙通道恒減速制動型的制動系統(tǒng)具有兩個(gè)完全獨(dú)立和完整的恒減速通道，當(dāng)正常運(yùn)行的恒減速功能失效后，制動系統(tǒng)自動切換到備用恒減速通道。這對防止滑繩事故以及提升設(shè)備的選型等都十分有利。

(3)多通道恒減速N+1制動型式將閘控系統(tǒng)分成N個(gè)制動單元，每個(gè)制動單元對應(yīng)液壓站1個(gè)制動通道進(jìn)行閉環(huán)控制，并留有1個(gè)備用通道，當(dāng)某一工作通道故障，其他工作通道可補(bǔ)償故障通道，停機(jī)后再切換到備用通道，因此安全制動全過程均為恒減速狀態(tài)。

雙通道恒減速安全制動系統(tǒng)和多通道恒減速N+1制動形式上有所不同，本質(zhì)上都是采用恒減速通道作為后備保護(hù)，由于失效切換仍是恒減速制動，制動特性沒有改變，因此可以充分體現(xiàn)恒減速提升系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，摩擦式提升安全制動減速度防滑始終處于動態(tài)監(jiān)控，安全性好，不受容器重量和配重制約。為了提高提升系統(tǒng)的可靠性，采用德國OLKO公司生產(chǎn)的多通道恒減速N+1型式制動系統(tǒng)。

6 結(jié)語

磁西煤礦副立井采用施工工期較短的落地式提升方案；在井筒中增設(shè)了一套交通罐，提高了提升系統(tǒng)的可靠性；提升機(jī)在保證安全的前提下采用國產(chǎn)中信重工產(chǎn)品，降低了設(shè)備的投資；提升系統(tǒng)首繩采用抗拉強(qiáng)度1860 MPa的圓股交互捻鋼絲繩，尾繩選用扁尾繩，從本質(zhì)上避免尾繩“打結(jié)”；為了提高制動系統(tǒng)的可靠性，采用先進(jìn)的多通道恒減速N+1型式制動系統(tǒng)。

目前磁西副井提升系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完畢，一次性通過冀中能源峰峰集團(tuán)驗(yàn)收，并交付建設(shè)單位使用，該工程為超深立井提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。