山阳煤矿副立井刚性井筒装备设计及分析

刘成勇，宋 伟，宋立平

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

立井井筒是矿井的咽喉，立井刚性井筒装备是保证矿井提升容器高速、安全运行的导向结构，主要由罐道和罐道梁(或托架)组成，沿井筒深度构成空间结构体系[1-3]。近10 a来，随着我国西部煤炭资源的高强度开发，使得矿井提升容器载重和提升速度不断增大，提升容器载重达50 t以上，提升速度高达14 m/s。

井筒装备设计荷载是提升容器与井筒装备的相互作用水平力，现行采矿设计规范中水平力的确定是基于30年代德国提出的参数水平力计算公式和90年代中国矿业大学提出的参数水平力计算公式；德国水平力公式适用条件是提升容器载重小于20～30 t，运行速度小于14 m/s；中国矿业大学水平力公式适用条件为提升容器载重小于30～40 t，运行速度小于14 m/s[4-7]。目前我国西部的一些超大型矿井提升容器运行条件已超出现行采矿设计规范中有关刚性井筒装备设计条件，使得井筒装备设计工作准确性、可靠性、安全性和稳定性难以保证[8-11]；从近几年监测的矿井来看，监测结果较接近原联邦德国经验公式。因此，为了安全起见，井筒设计仍应采用原联邦德国的经验公式。

1 工程概况

1.1 矿井概况

山阳井田位于陕西省渭北石炭二叠纪煤田澄合矿区中深部，行政区划属合阳县王村镇、城关镇、防掳寨乡及甘井镇管辖，本井田南与澄合矿区王村煤矿相邻。合阳县城位于井田东南角外侧，井田西南方向距澄城县15 km，井田边界东以F4断层和合阳县城新规划区西侧为界；南与王村斜井、王村煤矿毗邻；西以F22断层与太贤井田相邻；北以探矿权划定的合阳西中深部勘查区北部边界及黄—韩—侯铁路为界。井田东西长13.2 km，南北宽6.8 km，面积81.6 km2。矿井移交生产时共开凿3条井筒，分别为主立井、副立井、回风立井。

1.2 井筒及装备的设计概况

井筒概况：其中副立井井筒净直径φ8.2 m，垂深为466 m；井壁为单层钢筋混凝土结构，支护厚度为600 mm。井筒内正常层间距为5.0 m，井筒内与井壁连接的构件均采用树脂锚杆固定，锚杆采用全长锚固。装备范围：1(2)号罐道-0.525～-473.678 m，3(4)、5(6)号罐道-2.123～-459.000 m，7(8)号罐道-0.102～-473.678 m。

宽罐笼带平衡锤系统：宽罐笼提升钢丝绳最大终端载荷575 kN，宽罐平衡锤提升钢丝绳最大终端载荷475 kN，窄罐笼提升钢丝绳最大终端载荷425 kN，窄罐平衡锤提升钢丝绳最大终端载荷345 kN。

设计要求：①除固定电缆架的每根锚杆的锚固力≥4.0 t外，其余每根锚杆的锚固力均≥6.5 t；②托架壁板与井壁的间隙必须用树脂胶泥充填密实。

井筒断面布置：井筒内装备2套提升系统，1套选用1.5 t矿车双层四车大型非标宽罐笼+宽罐平衡锤，1套选用1.5 t矿车双层四车大型非标窄罐笼+交通罐。井筒内布置1趟梯子间，4趟排水管路(φ377 mm)，1趟空气压缩管路(φ219 mm),1趟动力电缆架，2趟通信电缆架，井筒断面布置，如图1所示。其中1.5 t矿车双层四车大型非标宽罐笼、1.5 t矿车双层四车大型非标窄罐笼、交通罐均采用托架进行固定安装，而交通罐罐道采用管道梁进行固定，管路、梯子间通过梁进行固定安装。整个断面布置紧凑、合理，断面利用率高。

图1 井筒断面布置

2 井筒装备选型及防腐设计

2.1 罐道上的荷载计算

原联邦德国《竖井与斜井装备的技术规程》(1977年)规定的有关水平力的简化计算公式(根据GB 50384—2016煤矿立井井筒及硐室设计规范推荐罐道荷载计算亦按此公式计算)，对罐道与罐道梁正面的水平力PH计算见式(1)(2)，对罐道与罐道梁侧面的水平力PX的计算见式(3)(4)，对罐道与罐道梁的垂直力PV的计算见式(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 罐道的计算

强度验算：装备构件一般在失去支承力的情况下，提升容器与装备才出现极限工作状态，发生运行失稳现象。为保证稳定运行，罐道截面应根据强度条件选择，再按刚度条件校核。按计算的最大弯矩和变形确定罐道截面，罐道所需的截面抵抗矩为

(7)

(8)

根据《钢结构设计规范》，罐道的强度应满足以下要求

(9)

经代值计算

对于宽罐笼，设计初选罐道220 mm×220 mm×12 mm，IX=Iy=6 487 cm4，Wx=Wy=590 cm3，材质Q345，则

=255 N/mm2

对于平衡锤，设计初选罐道200 mm×200 mm×10 mm，IX=Iy=4 251 cm4，Wx=Wy=425 cm3，材质Q345，则

=293 N/mm2

刚度验算：罐道除满足上述强度条件以防止构件发生破坏外，还应满足刚度条件，使其变形不超过一定的限度，以免影响提升容器沿罐道正常运行。一般要求罐道在水平荷载作用下的最大变形不超过规范规定的容许挠度，即

(10)

式中，Z—罐道的挠度，mm；L—罐道的跨度，mm。代值计算

(11)

(12)

经验算，矩形空心型钢罐道的强度、刚度均满足安全要求。

设备选型：由于罐道的层间距一般设计为4 m、6 m、12 m，经计算，影响其截面选择的决定因素是强度，不是刚度。同时考虑Q345钢材的可焊性能好，因此本次在设计罐道时采用Q345钢材，大大提高了材料本身的强度，从而大大减小了钢材的重量。理论上采用Q345比Q235钢材可节约钢材重量近50%，通过对市场的了解，Q345-A钢材仅比Q235-A贵100元/t左右，因此罐道采用Q345-A钢材替换Q235-A，仅此项副立井装备节省投资约170万元。通过以上计算和分析，整理出罐道选型分别见表1、表2。

表2 三跨连续梁验算罐道承载终端载荷值选型表

表1 单跨简支梁罐道承载终端载荷值选型表

2.3 防腐设计

防腐设计是非常普遍的，它涉及各个行业，据统计，全世界由于腐蚀造成的钢铁损耗约占当年钢铁产量的30%左右。煤矿立井井筒是矿井的咽喉工程，关系全局，且煤矿井下条件特殊，比较恶劣，因此，应重视立井井筒装备的腐蚀问题。通过对井下水质的分析，确定井筒内的装备均采用了有效防腐。例如：井筒内梯子间采用玻璃钢复合材料，井筒罐道及托架、罐道梁采用电弧喷涂，螺栓等小件采用镀锌件。特别是将托架等构件均采用强力树脂锚杆固定，不仅提高了防腐效果，而且提高了安装速度。

3 结语

经过实践证明，该立井井筒装备已经运行了8年，运行情况良好，说明该受力计算满足现场的使用条件。由于矿井副井内各种装备的性能与质量，对保证矿井人员的生命安全至关重要，因此迫切需要进行超大终端荷载(提升终端荷载800～1 500 kN)提升条件下井筒装备结构设计中的相关技术问题进行专题研究，以提出适合现阶段和今后一定时期条件下井筒装备成套设计理论和设计建设方法，获得相关技术专利。此举对完善立井井筒装备设计体系，提高刚性井筒装备设计理论水平，充实我国采矿设计规范相关内容具有重要的理论意义；同时，对确保超大提升终端荷载立井井筒提升工作安全运行，具有实际工程应用价值。