山阳煤矿副立井井筒装备方案设计

张 超，宋 伟，宋立平

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

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，沿井筒深度构成的空间结构体系[1-3]。它设计的好与坏直接影响整个矿井的生产，在设计中必须予以重视。

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、防虏寨乡及甘井镇管辖。该矿井采用立井单水平开拓，水平标高为+300.0 m，矿井工业场地选择在西韩铁路以西，初期在工业场地内布置主、副立井和回风立井。

1 设计内容

1.1 断面布置

1.1.1 断面布置原则

副立井井筒装备的设计主要考虑对常用设备、材料、人员等可直接升降[4-6]。对大型设备(液压支架，采煤机，掘进机等)尽量减少解体运输，保证设备的性能和减少井上下拆装工程量。

1.1.2 参数要求

副立井井筒中心坐标为：X=3 902 466.500 m，Y=37 414 405.500 m，图中相对高程±0.000 m相当于绝对高程Z=+766.000 m(锁口标高)，井下出车方位角270°0′0″。副立井井筒净直径φ8.2 m，垂深H为466 m；井壁为单层钢筋混凝土结构，支护厚度为600 mm。井筒内装备两套提升系统，一套选用1.5 t矿车双层四车大型非标宽罐笼+宽罐平衡锤，一套选用1.5 t矿车双层四车大型非标窄罐笼+窄罐平衡锤。井筒内布置梯子间，四趟排水管路(φ377 mm)，一套动力电缆夹，两套通信电缆夹，一套空气压缩管路(φ219mm)。

1.2 设计原则

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。设计要求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；此外，托架壁板与井壁之间必须用树脂胶泥充填密实。罐笼、平衡锤正常段均采用端头罐道，宽罐、窄罐、窄罐平衡锤端头罐道均采用托架进行固定，宽罐平衡锤采用罐道梁进行固定。梯子间采用拉挤型玻璃钢材料，井下罐道、罐道梁等材料均采用Q345钢材。根据井筒布置形式，马头门以下平衡锤的罐道仍采用端头罐道，罐笼则采用四角罐道设置。副立井井底水窝，从马头门至井底防撞梁设置梯子间，井下设置罐道伸缩器。

1.3 设计荷载及防腐

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。井筒内的装备根据井下水质条件均采用了有效的防腐措施，梯子间采用玻璃钢复合材料，罐道及托架采用电弧喷涂，螺栓等小件采用镀锌件。

1.4 装备选型计算

按照计算的最大弯矩和变形确定罐道截面[7-10]，罐道所需的截面抵抗矩为

(1)

根据《煤矿立井井筒及硐室设计规范》，罐道的强度、刚度应满足式(2)要求

(2)

式中，Mx，My为绕x轴、y轴的弯矩计算值；Wx，Wy为对x轴、y轴的净截面抵抗矩；f为罐道梁材料的强度设计值。经计算，对于宽罐笼，罐道型号220 mm×220 mm×12 mm，材质Q345型钢。对于平衡锤，罐道型号200 mm×200 mm×10 mm，材质Q345型钢。

2 创新成果及设计优点

2.1 创新及新技术经济成果

优化了排水管路90°带座弯头梁与最后承重梁的连接方式。传统设计是90°带座弯头梁伸出承重梁外180 mm，采用U型卡进行连接。优化后通过在承重梁上打孔，连接方式由U型卡改为螺栓连接。由于提升荷载大，若仍采用常规设计，罐道截面断面尺寸至少为240 mm×240 mm。结合层间距、不同钢牌号钢材进行优化设计，最后确定采用层间距5.0 m，罐笼罐道断面尺寸为220 mm×220 mm，节省钢材料费用200万元左右。梯子间所用的原材料应采用乙烯基酯环氧树脂、无碱玻纤、玻纤毡经挤拉、固化，一次拉挤成型，外包玻纤布不少于二层。其抗拉强度≥500 MPa，抗压强度≥400 MPa，抗弯强度≥500 MPa，比常规材料强度大很多。为防止井筒因受各种因素影响而使井壁发生破裂下沉，迫使罐道、罐道梁受压变形，给安全提升带来隐患，2、3、6、7号罐道在井筒-193.000 m，-423.000 m标高层上，1、4、5、8号罐道在-198.000 m，-428.000 m标高层上设置矿井罐道差动联结装置，每个水平层的伸缩量设置为150 mm。为保证工人安全进行井下维修，取消竖爬梯，在马头门以下至防撞梁之间设置梯子间。为有利于井筒布置及井下提升容器的运行，根据井筒断面布置形式，两个平衡锤马头门以下罐道仍采用端头罐道，而两个罐笼则采用四角罐道设置。

2.2 设计优点

经统计±0.000 m至-473.680 m段井筒，材料消耗量为543.362 t(不含各种螺栓、螺母及垫圈质量)，井筒每百米材料消耗量为114.71 t。通过优化对比，设计采用5.0 m层间距，井下装备首次采用Q345钢材，节省钢材费用200万元左右。梯子间采用拉挤型玻璃钢材料，比常规材料强度大很多。按照构件材料进行设计，节省近2 t玻璃钢材料。副立井井底水窝，从马头门至井底防撞梁设置梯子间，使其更人性化，便于工人井下检修、逃生，提高安全性。罐道、罐道梁、管路梁、承重梁采用托架通过锚杆固定于井壁，不破坏井壁、不影响井壁强度，保证了井壁的完整性。不打梁窝，消除了凿梁窝能引起井壁漏水的隐患，安装操作简单，减轻劳动强度，改善作业条件，提高工效，加快井筒施工安装速度，缩短建井工期，有利于滑模施工，保证井壁质量，锚固力大，安全可靠。罐道与罐道、罐道与罐道梁、罐道梁与托架、罐道与托架均采用螺栓连接，连接牢固可靠，罐道不会下滑。

3 结语

该设计方案中井筒断面布置设施多，合理紧凑、安全间隙合理，断面利用率高达83%。设计中采用了新技术、新工艺、新设备，通过优化设计，使得该项目技术经济指标科学合理，减少投入，取得了明显的经济效益。该立井井筒装备已经运行了8 a，经实践证明，运行情况良好，表明该受力计算满足现场的使用条件，设计思路值得同类型矿井参考和借鉴。