呂芳飛

(金誠信礦業(yè)管理股份有限公司， 北京 100070)

0 引言

在近些年的金屬非金屬礦山建設(shè)或改擴(kuò)建過程中，隨著豎井施工工藝的不斷優(yōu)化、施工裝備能力的不斷提升，豎井施工工期已經(jīng)得到很好的控制。但豎井施工結(jié)束轉(zhuǎn)中段工程施工的時(shí)候，如何選擇適宜的提升系統(tǒng)，適應(yīng)不同條件，滿足施工工期的要求，目前還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以參考。

目前通過豎井提升施工中段工程一般有以下幾種提升方式：

(1)簡(jiǎn)易改造方案。對(duì)原鑿井設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，提升容器不更換，進(jìn)行中段工程施工。這種方法投入較少，工序轉(zhuǎn)換較快，但施工組織難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

(2)臨時(shí)改絞方案。改變提絞方式、更換提升容器，增加柔性罐道、穩(wěn)繩拉緊裝置和托罐平臺(tái)。

(3)永久提升系統(tǒng)方案，豎井到底很盡快進(jìn)行地面井塔建設(shè)、永久提升系統(tǒng)安裝，利用永久提升系統(tǒng)來施工中段工程。本方法施工安全風(fēng)險(xiǎn)小，利用永久系統(tǒng)多水平作業(yè)管理難度也小，但存在安裝工期長，安裝期間長時(shí)間無法作業(yè)，造成總工期較長，且受條件限制(箕斗計(jì)量裝載、運(yùn)輸水平操車系統(tǒng)暫時(shí)未形成等)無法充分發(fā)揮永久提升系統(tǒng)的能力。

(4)永久與臨時(shí)提升同步進(jìn)行方案。部分項(xiàng)目采用地面井塔、永久裝備與臨時(shí)提升同時(shí)作業(yè)的方案。本辦法對(duì)縮短工期效果明顯，但安全風(fēng)險(xiǎn)極大，尤其是部分安全規(guī)程明確要求的條件很難實(shí)現(xiàn)。

1 研究意義

綜合上述因素，研究利用豎井施工裝備施工中段工程的工藝、方法對(duì)改變當(dāng)前現(xiàn)狀有著極為重要的意義。

(1)以安全規(guī)程為依據(jù)，規(guī)避設(shè)計(jì)及施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)選擇與工程相適應(yīng)的提升系統(tǒng)方案，節(jié)約投資；盡可能縮短施工工期，實(shí)現(xiàn)早日投產(chǎn)，對(duì)施工單位、對(duì)生產(chǎn)礦山都有著極大的意義。

(3)該課題的研究，能夠?yàn)榻窈蟮呢Q井施工溜破系統(tǒng)提供解決方案，進(jìn)一步提升基建施工水平。

2 方案研究

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1.1 鑿井期間施工方案

為后期中段施工創(chuàng)造條件，主提升系統(tǒng)應(yīng)采用雙滾筒提升機(jī)，滿足井筒施工結(jié)束后進(jìn)行改造的要求。

提升及絞穩(wěn)系統(tǒng)布置按照各中段馬頭門方向考慮。

井筒管路、電纜、風(fēng)筒等吊掛盡量避開永久裝備安裝位置。

吊盤預(yù)留管路通過口。

2.1.2 設(shè)備配置及施工吊掛系統(tǒng)

鑿井期間一般采用2套單鉤提升系統(tǒng)，直徑6.5 m以上配雙5 m3吊桶提升，主提升配雙滾筒提升機(jī)，副提升機(jī)為單滾筒提升機(jī)；翻矸平臺(tái)配套兩套5 m3座鉤式自動(dòng)翻矸。

井筒內(nèi)懸吊層間距為4.0 m的3～4層工作吊盤一套，吊盤一般由6臺(tái)穩(wěn)車懸吊，配套6根懸吊鋼絲繩。

4臺(tái)穩(wěn)車懸吊整體下行液壓金屬模板，配套四根鋼絲繩。

動(dòng)力電纜、抓巖機(jī)、安全梯、放炮電纜等采用穩(wěn)車懸吊。

其他排水、供水、供風(fēng)管路及風(fēng)筒均采用井壁固定方式，盡量避開永久裝備安裝位置。

2.1.3 改造前準(zhǔn)備

井筒施工期間，各中段馬頭門、石門應(yīng)盡可能的多施工，為后期中段工程施工創(chuàng)造條件。

如采用罐籠提升，井筒施工結(jié)束后施工井底水窩(如無設(shè)計(jì)，可考慮施工措施工程)15～20 m，滿足罐籠過放要求。

2.2 提升系統(tǒng)改造方案

2.2.1 箕斗+罐籠提升方案

適用于同時(shí)施工中段數(shù)量少，且中段間總距離較小(小于100 m)；或永久裝備前工作量大，服務(wù)時(shí)間長；或井筒直徑較小，大直徑吊桶無布置空間亦可采用此方案?；酚糜趶U石提升，裝載水平設(shè)在最下方中段；罐籠主要用于人員、物料上下，輔助提升廢石，各中段均設(shè)運(yùn)輸水平。

主要改造內(nèi)容：8根罐道繩安裝，利用鑿井期間六根吊盤懸吊繩和四根模板懸吊繩進(jìn)行改造；

井底箕斗裝載及地面箕斗卸載系統(tǒng)安裝；

各中段罐籠搖臺(tái)(或固定平臺(tái))；地面罐籠進(jìn)、出車平臺(tái)及鋪軌；

天輪平臺(tái)改造；

中段間廢石施工溜井；上中段廢石通過溜井溜至井底裝載水平，經(jīng)箕斗裝載提升至地面卸載。

主要特點(diǎn)：提升系統(tǒng)改造量大，施工工藝成熟，改造完成后配合中段工程無軌化施工的提升能力大、安全系數(shù)高，溜井貫通后提升系統(tǒng)不再制約施工進(jìn)度；

預(yù)計(jì)改造工期30～45天。

2.2.2 吊桶+罐籠提升

適用于同時(shí)施工中段數(shù)量較多，且中段間距離較大(大于100 m)；或永久裝備前工作量較大，服務(wù)時(shí)間較長。吊桶用于廢石提升，罐籠主要用于人員、物料上下，輔助提升廢石。

主要改造內(nèi)容：6根罐道繩安裝；

各中段卸矸裝渣系統(tǒng)施工安裝；各中段罐籠搖臺(tái)(或固定平臺(tái))安裝；地面罐籠進(jìn)、出車平臺(tái)及鋪軌；保留翻矸溜槽一套用于吊桶出渣。

天輪平臺(tái)改造；翻矸平臺(tái)改造。

井筒施工結(jié)束，施工井底水窩(如無設(shè)計(jì)，可考慮施工措施工程)15～20 m，滿足罐籠過放要求。

主要特點(diǎn)：系統(tǒng)改造量適中，改造完成后提升能力大但安全性一般，集中表現(xiàn)在吊桶裝渣不穩(wěn)定，容易掉渣；適合部分老礦山改造過程中既有無軌化中段也有有軌運(yùn)輸中段同時(shí)施工的需要。

預(yù)計(jì)改造工期30～45天；根據(jù)提升規(guī)模大小可縮短至20～30天。

2.2.3 雙吊桶提升或雙單鉤吊桶提升

提升系統(tǒng)仍利用原鑿井吊桶提升，各中段搭設(shè)簡(jiǎn)易平臺(tái)；適用于永久裝備前短期臨時(shí)服務(wù)。

雙鉤吊桶提升考慮到裝矸平臺(tái)及地面翻矸平臺(tái)，可考慮雙側(cè)布置，要求施工中段最好雙側(cè)馬頭門同時(shí)施工，兩側(cè)馬頭門分別裝渣。

主要改造內(nèi)容：4根罐道繩安裝；天輪平臺(tái)和翻矸平臺(tái)改造。

主要特點(diǎn)：本方案改造量小，基本不影響施工時(shí)間，但安全風(fēng)險(xiǎn)大，不建議采用。

2.3 主要輔助系統(tǒng)改造內(nèi)容

2.3.1 信號(hào)及提升控制系統(tǒng)

基于多中段同時(shí)施工的必要性，信號(hào)及提升控制系統(tǒng)需要做到以下幾點(diǎn)：

信號(hào)在某個(gè)水平，其他水平無法發(fā)出提升信號(hào)；

某個(gè)水平安全門未到位或搖臺(tái)(托罐平臺(tái))未恢復(fù)，其他水平無法發(fā)出提升信號(hào)；

井口信號(hào)房控制各水平信號(hào)切換，切換后通知提升機(jī)房確認(rèn)。

2.3.2 罐籠提升系統(tǒng)

井底罐籠防墜系統(tǒng)、防撞平臺(tái)、地面防過卷系統(tǒng)；

各中段固定平臺(tái)及安全閉鎖系統(tǒng)；

各中段有軌車場(chǎng)及地面軌道系統(tǒng)。

2.3.3 箕斗裝載及卸載系統(tǒng)

皮帶及計(jì)量系統(tǒng)；

裝載硐室、箕斗裝載系統(tǒng)；

地面曲軌卸載系統(tǒng)(可落地)。

2.3.4 吊桶裝渣系統(tǒng)

簡(jiǎn)易卸礦硐室、振動(dòng)放礦機(jī)；

臨時(shí)礦倉。

2.3.5 其他輔助系統(tǒng)

其他供電、壓風(fēng)、排水、通風(fēng)、供水、照明等輔助系統(tǒng)，根據(jù)具體情況具體考慮。

3 方案實(shí)例

由金誠信礦業(yè)管理股份有限公司承建的塞爾維亞TimOK礦山回風(fēng)井工程，豎井直徑6.5 m，深度651 m。根據(jù)業(yè)主要求，為了盡早采礦，需提前進(jìn)入采切工程施工，豎井施工至-110 m水平以下時(shí)進(jìn)行提升系統(tǒng)臨時(shí)改造后施工-80 m、-110 m中段工程。

3.1 施工方案

結(jié)合各中段工程量及現(xiàn)有施工設(shè)備，項(xiàng)目部擬定改絞施工方案如下：

中段采用臺(tái)車鑿巖+鏟運(yùn)機(jī)裝渣+礦卡運(yùn)渣的機(jī)械化無軌設(shè)備施工；

采用主提升機(jī)配6 m3吊桶+副提升機(jī)配1.5噸單車單罐籠提升；

圖2 五階段速度圖

-80 m施工溜井至-110 m水平，吊桶在-110 m水平集中裝渣；

-110 m水平施工廢石倉，安裝振動(dòng)放礦機(jī)，廢石直接裝吊桶；

圖1 豎井雙中段提升系統(tǒng)

3.2 提升能力核算

采用豎井鑿井提升設(shè)備，JK3.5×2.65/20提升機(jī)+6 m3吊桶提升，按照五階段速度圖，計(jì)算提升能力。

3.2.1 提升循環(huán)時(shí)間

(1)主加速段時(shí)間t1=(Vm-V0)/a1=(7.45-0)/0.65=11.46 s

主加速段路程h1=Vm×t1/2=7.45×11.46/2=42.69 m

(2)減速段時(shí)間t3=(Vm-V4)/a3=(7.45-2)/0.65=8.38 s

主減速段路程h3=(Vm+V4)×t3/2=(7.45+2)×8.38/2=39.62 m

(3)爬行段距離取h4=20 m

爬行時(shí)間t4=h4/V4=20/2=10 s

(4)閘停車時(shí)間t5=1 s，h5不計(jì)

(5)等速段距離h2=H-(h1+h3+h4)=491-(42.69+39.62+20)+15=383.69 m

等速段時(shí)間t2=h2/Vm=383.69/7.45=51.5 s

(6)提矸休止時(shí)間取θ1=30 s

(7)裝渣時(shí)間取θ2=120 s

(8)一次提升循環(huán)時(shí)間

Ts=2×(t1+t2+t3+t4+t5)+θ1+θ2=
2×(11.46+8.38+10+51.5+30+120)=462.7 s

3.2.2 提升能力計(jì)算

每小時(shí)提升廢石的能力：

式中Z—一次提升吊桶數(shù)1個(gè)；

Km—裝滿系數(shù),取0.9；

vch—吊桶容積6 m3；

K—提升不均勻系數(shù)，取1.2；

TS—一次提升循環(huán)時(shí)間462.7 s。

主提升系統(tǒng)不需要負(fù)擔(dān)人員、材料和工器具、火工品的下放，只需要留出每班的檢查時(shí)間，提升系統(tǒng)一天工作時(shí)間按照18 h計(jì)算，提升能力計(jì)算如表1所示。

加上副提升的部分提升能力，完全能夠滿足兩個(gè)中段4～5個(gè)作業(yè)面、每個(gè)作業(yè)面120 m/月的進(jìn)度要求。

4 研究關(guān)鍵點(diǎn)分析

4.1 集中裝渣

由于施工進(jìn)度及安全管理的需要，快速施工、大工作量出渣最好能集中在一～兩個(gè)中段進(jìn)行，此時(shí)各施工中段根據(jù)工程量、相互關(guān)系分為主要裝渣中段和次要中段。

各中段前期通過罐籠出渣，在井口馬頭門外側(cè)布置廢石溜井。溜井可采用反井施工直徑1.2～2 m，溜井貫通后，該中段的廢石通過溜井溜至下個(gè)中段，在井底水平或主要裝渣中段集中出渣。

4.2 無軌和有軌的結(jié)合

采用罐籠提升即可以采用無軌運(yùn)輸也可以采用有軌運(yùn)輸。

采用有軌運(yùn)輸時(shí)，因各中段均采用無軌施工，鏟運(yùn)機(jī)或礦卡出渣至井口附近裝礦車，改有軌運(yùn)輸至罐籠。

表1 提升能力計(jì)算表

采用無軌運(yùn)輸時(shí)，因各中段采用鏟運(yùn)機(jī)出渣，裝無軌膠輪車，直接開入罐籠提升。

4.3 雙鉤提升的平衡

采用雙滾筒提升機(jī)提升時(shí)，罐籠與箕斗在井底位置不同，造成雙鉤提升時(shí)無法同時(shí)滿足一個(gè)提升容器在井底另一個(gè)剛好在井口的要求。

一般情況下，罐籠在中段水平時(shí)箕斗尚未處于卸載狀態(tài)，罐籠到井底時(shí)箕斗卸載；反過來罐籠到井口時(shí)箕斗尚未到裝載位置，箕斗到裝載位置時(shí)罐籠已經(jīng)超過井口。

因此，在箕斗裝載點(diǎn)、卸載高度確定以后，要詳細(xì)計(jì)算箕斗、罐籠所處位置及相對(duì)關(guān)系，確定提升機(jī)雙滾筒纏繩長度，確保罐籠過卷及過放距離滿足規(guī)程規(guī)定。

4.4 中段裝卸平臺(tái)

各中段裝卸平臺(tái)為滿足吊桶接渣或膠輪車進(jìn)出罐籠的需要，平臺(tái)必須有剛性支撐。因此各中段托罐平臺(tái)可采用液壓收張，張開后滿足罐籠或吊桶通過的安全距離，收縮時(shí)做為托罐平臺(tái)。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力及布置分析必須要滿足中段提升托罐的需要。

對(duì)于托罐平臺(tái)來說，選擇合適的自動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓推進(jìn)系統(tǒng)是重中之重。只有自動(dòng)控制系統(tǒng)、液壓推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，才能完美解決各中段卸載系統(tǒng)及托罐平臺(tái)問題，規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。

使用多水平提升信號(hào)控制系統(tǒng)，解決提升中段自動(dòng)切換問題，同時(shí)將信號(hào)控制與提升系統(tǒng)相閉鎖，配合中段托罐平臺(tái)的控制系統(tǒng)，確保整個(gè)中段裝卸平臺(tái)安全可控。

5 結(jié)語

(1)本次方案研究由于采用單滾筒提升機(jī)提升，且罐籠沒有負(fù)擔(dān)出渣任務(wù)，因此對(duì)于中段裝卸平臺(tái)的關(guān)鍵點(diǎn)研究沒有取得進(jìn)展，只是對(duì)于吊桶多中段提升的簡(jiǎn)易改絞方案進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)方案研究需要依托具體工程實(shí)例，研究的關(guān)鍵點(diǎn)更需要在實(shí)際的施工過程中分析、計(jì)算和總結(jié)。

(3)豎井多中段提升對(duì)于溜破系統(tǒng)的施工組織來說，更為關(guān)鍵和有效，下一步需要重點(diǎn)開展通過豎井提升施工溜破系統(tǒng)方面研究。