2 000 m大直径超深竖井新型凿岩提升悬吊系统设计

赵兴东，武 桐，李文光，邓尧增

（1.东北大学 深部金属矿采动安全实验室，沈阳 110819；2.山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261400）

深部矿产资源开发逐渐发展成为世界采矿工业的重要组成和发展的必然趋势。为开采深部矿体，常采用深竖井开拓。当前深竖井掘进主要以钻爆法为主，在深竖井开凿过程主要采用悬吊系统作为钻爆工作平台，运输提升矸石，悬吊溜灰、通风、供水、供电等辅助系统，发挥着重要作用。与1 000 m以浅竖井建造相比，2 000 m深竖井施工提升悬吊系统存在的主要技术问题有：提升设备大型化、荷载重，悬吊设备数量多，钢丝绳直径增大造成钢丝绳自重显著增加，导致凿井井架负荷大；吊盘升降时与稳车同步性难以保证；吊桶摆动幅度大，易碰撞吊盘、井壁；同时竖井深部地压大（≥50 MPa）、温度高（≥40℃）、水头压力大（≥9 MPa）、强腐蚀，对凿井设备安全可靠性要求高［1-3］。本文针对三山岛金矿2 000 m深竖井凿井提升悬吊系统，结合矿山生产能力和工程技术条件，进行合理选型布置，降低施工风险，满足安全生产需要。

1 工程概况

三山岛西岭金矿隶属于山东黄金矿业（莱州）有限公司，已探明黄金储量550 t以上，其2 000 m深竖井位于矿区工业场地内，井筒中心坐标X＝41 988.115，Y＝95 375.889。井 筒 净 直 径10.5 m，掘进断面直径11.5 m，井口标高＋15 m，井底标高－1 990 m，井筒深度2 005 m。井颈段17 m，采用900 m厚双层钢筋混凝土支护，井筒正常地层段采用500 mm厚C30／C40素混凝土支护，不良岩层段采用锚杆、金属网加C40钢筋混凝土支护，厚度500 mm。

2 提升悬吊设备选型

2.1 井架

由于井筒深度达到2 000 m，属于超深竖井，施工时悬吊荷载及冲击荷载较大，需要求井架的承载能力大于700 t；井筒净直径为10.5 m，考虑到设备、材料运输，吊盘悬吊、锁口盘安装及凿井设备和悬吊天轮均能布置在天轮平台上，天轮平台的有效布置面积应达到8.5 m×8.5 m［4］；为避免提升时滑架与天轮平台相撞或发生跑车事故，吊桶提升的过卷高度不小于10 m。最终选用ⅤⅡ型凿井井架（图1），井架参数见表1［5］。经过使用和现场实测，ⅤⅡ型凿井井架结构设计合理、强度高、空间稳定性好，满足超深竖井的提升要求。

图1 ⅤⅡ型凿井井架Fig.1 ⅤⅡtype sinking headframe

表1 ⅤⅡ型凿井井架规格及参数Table 1 Specifications and parameters ofⅤⅡtype sinking headframe

2.2 提升机

为满足超深竖井提升要求配备专用凿井提升机，布置1台JKZ-5.5×3／27作为主提升机（见图2左），电机功率2 800 k W，卷筒直径5.5 m，用于废石、混凝土及大型设备提升；布置2台JKZ-5.0×3／20作为副提升机（见图2右），电机功率1 250 k W，卷筒直径5.0 m，用于人员上下、炸药、排水等辅助提升。凿井提升机参数见表2。

表2 主、副提升机参数Table 2 Parameters of main and auxiliary hoists

图2 主、副提升机Fig.2 Main and auxiliary hoists

2.3 吊桶

吊桶作为竖井井筒开凿期间提升矸石的主要容器，是全部凿井设备的核心，选择吊桶时需要考虑井筒断面尺寸及抓岩机生产率。吊桶排渣容积计算如式（1）［2］：

式中：V T—吊桶排渣容积，m3；T—吊桶提升一次循环时间，考虑井筒深度变化，平均取300 s；A zh—井筒工作面抓岩机的总生产率，取60 m3；Ct—提升不均匀系数，取1.25。

计算得出吊桶排渣容积V T＝6.94 m3。根据井筒不同标高范围出矸情况选用相应吊桶排渣：井筒标高－1 460 m以上选择7 m3吊桶；标高范围在－1 460～－1 850 m时，更换为5 m3吊桶（见图3）；标高达到－1 850 m以下时，将5 m3吊桶更换为4 m3吊桶。

图3 5 m3座钩式吊桶Fig.3 5 m3 seat hook bucket

竖井掘进每循环爆破进尺4 m，岩石松散系数为1.6，每次爆破出矸量为415.28 m3，选用2台HZ-6B中心回转式抓岩机抓岩，使用7 m3吊桶装6.3 m3矸石，主提升机双沟提升，每掘进循环用时5.83 h。

2.4 提升钢丝绳

随着井筒掘进深度增加钢丝绳自重也在增加，导致提升机提升荷载也在增加，以井筒标高－1 460 m以上所用钢丝绳为例计算钢丝绳安全系数。本竖井选用34×7-60-1860＋FC型进口钢丝绳作为主提升钢丝绳，所用钢丝绳悬吊高度2 041 m，单位质量约15 kg／m，总质量30.411 t，钢丝绳全部破坏拉力为336.327 t，以下对提升钢丝绳安全系数进行验算。

在此标高范围内，钢丝绳配18 T钩头，质量0.289 t，附属装置总质量0.544 t，挂7 m3矸石吊桶，吊桶质量2.349 t。

提升矸石时，按排出矸石最大质量计算，出渣量为10.071 t；提升人员时，7 m3吊桶限乘12人，每人按75 kg计算，人员总质量为0.9 t。

综合上述分析，提升物料时，钢丝绳的最大静张力为Q物＝43.375 t；提升人员时，钢丝绳的最大静张力为

钢丝绳总破断拉力为336.327 t，以最大静张力验算提升钢丝绳安全系数。提升物料时，M物＝336.327／43.375＝7.75；提 升 人 员 时，M人＝336.327／34.204＝9.83。根据《GB16423—2020金属非金属矿山安全规程》，验算结果均符合规定。

2.5 凿井绞车

凿井绞车用于悬吊吊盘、稳绳、抓岩机、各种管路及电缆等，所选用的凿井绞车最大静张力应大于或等于钢丝绳悬吊的终端荷重与钢丝绳自重之和［6］。根据井筒悬吊设备重量、悬吊方式及钢丝绳数量，选用20台JZ型凿井绞车布置在井口周围，如图4所示，绞车最大提升速度8.22 m／min，钢丝绳额定拉力500 k N，提吊能力强、容绳量大、运转平稳。

图4 凿井绞车布置平面图Fig.4 Layout plan of sinking winches

3 提升系统布置

3.1 天轮平台布置

天轮平台的布置主要是将井内各悬吊设备的天轮和天轮支承梁妥善布置在天轮平台上，通过天轮调节钢丝绳的运动方向，充分发挥凿井井架的承载能力。天轮平台尺寸为9 m×9 m，“目”字型结构，主提升采用Φ5 200 mm天轮1套，副提升采用Φ4 500 mm天轮2套，吊盘采用Φ1 500 mm天轮16套，模板采用Φ1 250 mm天轮4套，伞钻采用Φ1 050 mm天轮2套，安全梯采用Φ650 mm天轮2套，爆炮电缆采用Φ800 mm天轮2套，动力电缆采用Φ1 050 mm天轮3套，电缆采用Φ1 050 mm天轮2套，液压电缆采用Φ1 250 mm天轮2套，中心回转式抓岩机采用Φ1 500 mm天轮2套。

3.2 吊盘布置

吊盘作为井筒内的主要工作平台，既是井筒工作面掘砌施工过程中的安全保护装置，又是设备工具安装、检修的平台［7］。在本竖井施工中采用3层吊盘，直径10 500 mm，安装有钢结构附圈，为满足施工需要，中间盘为活动盘，主工作盘间距5 m。由于吊盘盘径大，荷载分布不均匀，吊盘共设计了8个悬吊点，每个悬吊点设置了“人字形结构”各两个悬吊吊卡，共计16个连接点。下层盘与上层盘各布置了5个聚氨酯吊盘固定器，更好稳固调平。吊盘悬吊装置均匀布置在横向的四根工字钢钢梁上，并上下左右对称布置，实现了吊盘受力的均衡性。工作平台上布置有抓岩机、混凝土输送管、压风管、吊泵、安全梯及各种电缆等，其中信号电缆随吊盘悬吊绳悬挂，其他设备有专门悬吊绳悬挂。吊盘平面布置见图5。

图5 吊盘布置平面图Fig.5 Layout plan of hanging scaffold

4 提升悬吊系统

为排除井筒工作面矸石、下放材料设备及升降工作人员，设置提升悬吊系统满足施工要求。在井口安装ⅤⅡ型凿井井架，井架上设天轮平台并采用“个”型支撑，整体结构呈“人”型支撑，有利于向下传递荷载。井架一侧布置1台JKZ-5.5×3／27型主提升机，配备2台2 800 k W电机；两侧分别布置1台JKZ-5.0×3／20型副提升机，各配2台1 250 k W电机。由主提升机将YSJZ4.10型双联伞钻提升至井口，施工时采用JZ-25／1800凿井绞车悬吊。

井筒施工悬吊系统采用Φ10 500 mm三层钢结构吊盘，配备4根18×7-52-1870阻旋转钢丝绳、4根35×k7-56-1870阻旋转钢丝绳和8台JZ-50／2500凿井绞车；模板配备4根18×7-42-1870阻旋转钢丝绳和4台JZ-40／2500凿井绞车；2台HZ-6B型中心回转式抓岩机配备18×7-48-1870、18×7-56-1870阻旋转钢丝绳和JZ-50／2500凿井绞车；安全梯配备18×7-20-1870、18×7-24-1870阻旋转钢丝绳和JZ-16／1000凿井绞车；爆破电缆配备18×7＋IWS-24-1670、18×7＋IWS-32-1870阻旋转钢丝绳和JZ-16／1300凿井绞车；动力电缆配备18×7＋IWS-26-1870、18×7＋IWS-38-1870阻旋转钢丝绳和JZ-25／1800凿井绞车；液压电缆配备18×7＋IWS-32-1870、18×7＋IWS-46-1870阻旋转钢丝绳和JZ-40／2500凿井绞车；照明、监控、通讯等电缆配备18×7＋IWS-26-1770、18×7＋IWS-36-1870阻旋转钢丝绳和JZ-25／1800凿井绞车。

5 安全措施

1）竖井提升时严格控制提升重量，避免钢丝绳在运行过程中突然受到猛烈拉力作用，导致钢丝绳发生扭曲变形，甚至断裂。严禁提升超速运行，完善提升系统托罐、防撞等装置，确保运行速度在容许范围内［8］。

2）采用变频控制、传感、PLC控制技术，保证吊盘在升降时与稳车钢丝绳以相同速度运行。在运行过程中，安全监控系统可实时监测钢丝绳的移动速度，通过控制变频器调整钢丝绳速度，实现吊盘与稳车同步运行［9］。

3）采用聚氨酯吊盘固定器，避免稳盘在井筒中的横向摆动，固定吊桶提升轨迹，防止吊桶碰撞吊盘，保持平稳升降。

6 结论

1）通过采用新型设备、合理安排系统布置和采取安全技术措施，使深竖井提升悬吊系统所面临的一些技术问题得到解决，工程质量满足标准要求，副井井筒月进尺达到了120 m。不仅提高了成井速度，而且最大程度避免了施工过程中事故的发生，保障工作人员的安全。

2）使用ⅤⅡ型凿井井架，具有更高的承载力，增加深竖井提升悬吊的稳定性；超深竖井凿井提升机能在井筒深度不断增加时仍能满足成井所需提升能力要求；采用提升装置安全监控系统对吊盘稳车进行变频调速集中控制，提高稳车群整体提升能力，保证系统安全运行。