余欣回风立井凿井主要设备配置及选型分析

卫少亮

(潞安化工集团 余吾煤业公司，山西 长治 046103)

1 概述

余欣风井场地位于余吾井田西南部，距余吾煤业中央区约7.7 km。余欣回风立井井筒设计净直径为8.0 m、净断面积为50.24 m2、深度为743 m,采用冻结法施工，冻结深度为339 m。该井筒施工设备以凿井井架、提升绞车、稳车、伞钻、中心回转抓岩机、吊盘及吊桶等为主体，施工机械化程度较高，施工工期预计330天。

2 井筒施工方案

余欣回风立井临时提升系统采用主副2套独立的单钩提升，座钩式吊桶提升矸石，底卸式吊桶下放混凝土。冻结表土及风化基岩段施工采用短段掘砌混合作业，风镐和高效风铲配合挖掘机掘进，2台中心回转抓岩机装矸，整体悬吊液压单缝式金属模板砌壁，砌壁段高4 m，液压自动脱模；内壁套砌使用组合式钢模板砌筑，套壁段高1.2 m。冻结基岩段及基岩段采用伞钻配凿岩机钻孔，实施4.5 m中深孔光面爆破，一掘一砌。

3 井筒技术特征

立井凿井设备的选型配置应根据井筒的特征条件、深度和直径综合计算和校验，各种设备之间既有联系又相互制约。余欣回风立井井筒技术特征见表1。

表1 余欣回风立井井筒技术特征

4 主要设备选型及校验

井筒施工设备选配应满足以下要求：井架应能承担施工中的全部载荷，保证足够的过卷高度;翻矸平台高度应满足伞钻提升高度和汽车排矸要求；井筒净直径在5.5 m～9 m之间、井深大于600 m时，布置2套单钩提升和1台～2台抓岩机；吊桶上方必须安设带保护伞的滑架，钩头闭锁可靠；吊盘必须使用两层或多层吊盘，并使用稳车悬吊，各层盘钢梁和立柱及连接部分应有足够的强度；稳车使用JZ系列10 t～40 t稳车群，装设可靠的制动装置和防逆转装置，并设有电气闭锁。

4.1 凿井井架

根据表1井筒断面技术特征，同时为满足提升载荷要求，井筒选配承载能力较大的Ⅴ型钢管井架，井架底部跨距为16 m×16 m。为满足伞钻提升至封口盘以上的高度要求，二层平台即翻矸平台到基础面高度为10.5 m。天轮平台平面尺寸为7.5 m×7.5 m，基础顶面至天轮平台顶面高为26.4 m，满足过卷高度要求。

4.2 提升钢丝绳

根据表1井筒总深度748.6 m，井口水平至井架天轮平台悬垂高度28.4 m，钢丝绳最大悬垂高度777 m等技术特征，对钢丝绳在提升物料和人员时的悬吊终端荷载计算，主钩钢丝绳选用18×7+FC-46-1870特型多层股不旋转钢丝绳，副钩钢丝绳选用18×7+FC-42-1870特型多层股不旋转钢丝绳。按照《煤矿安全规程》规定钢丝绳提物时安全系数大于7.5，提人时安全系数大于9进行校验，满足要求。

4.3 提升绞车

根据表1井筒直径8.0 m、井筒深度743 m的技术特征，井口布置主副2套单钩提升绞车。设备选型分析如下：

(1) 滚筒选型 。根据《煤矿安全规程》和《煤矿建设安全规范》规定，主绞车滚筒直径应同时满足：

(1)

其中：ds主为主钩钢丝绳直径，ds主=46 mm；δ主为主钩最粗钢丝直径，δ主=2.97 mm。

将数值代入式(1)计算得：D主≥2 760 mm，D主≥2 673 mm。

副绞车滚筒直径应同时满足：

(2)

其中：ds副为副钩钢丝绳直径，ds副=42 mm；δ副为副钩最粗钢丝直径，δ副=2.71 mm。

将数值代入式(2)计算得：D副≥2 520 mm，D副≥2 439 mm。

根据计算结果，主钩选用卷筒直径3.6 m的提升机，副钩选用卷筒直径3.2 m的提升机，满足要求。

(2) 提升绞车的选型。根据滚筒选型情况，主钩选用JKZ-4×3/18型提升绞车，配备7(6) m3吊桶；副钩选用JKZ-3.2×3/18型提升绞车，配备6(5) m3吊桶。提升绞车电控系统采用变频控制系统，盘形闸制动；车房安装实时显示提升绞车相关运行参数和状态的工控机画面，当吊桶接近上井口和吊盘时进行语音提示和报警，并安装深度指示器；提升信号装置为数显的本质安全型信号装置，并与绞车控制回路闭锁。主副提升绞车技术特征见表2。

表2 主副提升绞车技术特征

(3) 提升绞车载荷校验。先对主钩使用6 m3吊桶提升矸石、提升人员、提升伞钻、使用4.0 m3底卸式吊桶下放混凝土等情况下的最大载荷进行计算和对比，结果为使用6 m3吊桶提升矸石时终端荷载最大;再对主钩使用7 m3吊桶提升矸石时的载荷进行校验。

主钩使用7 m3吊桶提升矸石时的载荷计算公式为：

(3)

其中：Km为装满系数，Km=0.9；VTB2为标准吊桶容积，VTB2=7 m3；γg为岩石松散容重，γg=1 600 kg/m3；Ks为岩石松散系数，Ks=1.8；γs为水容重，γs=1 000 kg/m3；Zd2为7 m3吊桶自重，Zd2=2 349 kg；Zg为钩头及连接装置重量，新型18 t钩头及连接装置自重Zg=305 kg；Zh为滑架及缓冲器自重，Zh=400 kg。

将数值代入式(3)计算得：Qg=15 934 kg。

7 m3吊桶最大提升深度为：

(4)

其中：Qd为绞车钢丝绳破断拉力，Qd=1 578 090 N；m为提物钢丝绳安全系数，取m=7.5；PSB为钢丝绳单位重量，PSB=8.25 kg/m；h2为井口水平至井架天轮平台悬垂高度，h2=28.4 m。

将数值代入式(4)计算得：h1=640 m。为了安全起见，规定7 m3吊桶提升深度为620 m，然后需更换6 m3吊桶。所以主钩使用7 m3吊桶提升深度达620 m时提升荷载即钢丝绳最大静张力为：

Fmax主=(Qg+PSB·h0)×9.81.

(5)

其中：h0为提升7 m3吊桶时主钩钢丝绳最大悬挂高度，h0=648.4 m。

将数值代入式(5)计算得：Fmax主=208.8 kN。主钩钢丝绳额定最大静张力为290 kN>208.8 kN，满足要求。

同上，使用相同步骤对副钩使用6 m3吊桶提升矸石时的最大静张力进行校验(步骤略)，经计算副钩最大悬挂高度为556.4 m，此时副钩提升载荷Fmax副=173.1 kN，副钩钢丝绳额定最大静张力180 kN>173.1 kN，满足要求。

根据校验结果，主钩和副钩均满足提升强度要求。

(4) 电动机功率校验。主钩电动机最大实际功率为：

(6)

其中：Q主为主钩提升7 m3吊桶装满矸石至井筒620 m位置时的载荷，Q主=21 283 kg；vm主为主钩最大提升速度，vm主=6.85 m/s；ηc为减速机效率，ηc=0.85。

将数值代入式(6)计算得：P主=1 682 kW。主钩电机额定功率为2 000 kW>1 682 kW，满足要求。

副钩电动机最大实际功率为：

(7)

其中：Q副为副钩提升6 m3吊桶装满矸石至528 m位置时的载荷即最大提升载荷，Q副=17 645 kg；vm副为副钩最大提升速度，vm副=5.46 m/s。

将数值代入式(7)计算得：P副=1 111 kW。副钩电机额定功率为1 250 kW>1 111 kW，满足要求。

4.4 吊盘悬吊绳及稳车

(1) 吊盘悬吊绳选型。由于基岩段吊盘总重量大于表土段吊盘总重量，因此取基岩段吊盘总重量(53 171 kg)进行验算。

吊盘悬吊绳兼稳绳根数为4，考虑基岩段吊盘悬吊绳兼稳绳终端荷载时钢丝绳单位长度重量的经验计算公式为：

(8)

其中：QW为基岩段吊盘悬吊绳兼稳绳终端荷载，QW=13 293 kg；σB为钢丝绳的公称抗拉强度，σB=1 870 MPa；ma为钢丝绳的理论安全系数，ma=6；H0为基岩段钢丝绳悬挂高度，H0=777 m。

将数值代入式(8)计算得：Ps=5.01 kg/m。

根据以上计算出的Ps值，查国家标准GB 8918-2006，试选18×7+FC-44-1870型钢丝绳进行校验。该钢丝绳单位重量PSB吊=7.55 kg/m，吊盘悬吊钢丝绳破断拉力总和Qd=1 436 960 N。

钢丝绳工作荷载：

QZ=(QW+PSB吊·H0)×9.81.

(9)

将数值代入式(9)计算得：QZ=187 953 N。

钢丝绳安全系数：

(10)

将数值代入式(10)计算得：m=7.65>ma=6。根据计算，吊盘悬吊绳兼稳绳选用18×7+FC-44-1870型钢丝绳满足安全使用要求。

(2) 稳车选型。钢丝绳最大荷重Qmax=QZ=187 953 N，根据计算，选用JZ-25/1300型稳车，其额定最大静张力为250 000 N>187 953 N，满足要求。

4.5 凿岩机

按井深为748.6 m、井壁厚度为0.6 m、基岩段掘进直径为9.2 m、工作面布置147个炮眼、炮眼深度4.5 m、月掘砌成井130 m要求校核凿岩能力。YGZ-70型导轨式凿岩机钻眼速度为900 mm/min～950 mm/min，按5 min钻完一个4.5 m深的炮孔考虑，退钎杆、移动、定位等辅助作业时间为2 min考虑，则钻完一个炮孔的作业时间为7 min。

循环作业图表规定单模循环钻孔时间为180 min，按工作面6台凿岩机同时作业考虑，单台凿岩机钻孔时间为：

(11)

其中：N为工作面炮眼数量，N=147；t为钻孔时间，t=7 min。

将数值代入式(11)得钻孔时间T=172 min<180 min。根据计算结果，采用6台YGZ-70型凿岩机能满足施工要求。

4.6 装矸设备

按井筒净直径8 m、井深743 m配置，井内布置2台HZ-6型抓岩机,单台抓岩机理论生产率为50 m3/h，2台综合生产率为80 m3/h，根据循环作业图表，需要7.17 h完成一茬炮的矸石。所需的出矸能力为：

(12)

其中：S为矸石面积，S=66.4 m2；h为段高，h=4 m。

将数值代入式(12)得出矸能力Q=66.8 m3/h<80 m3/h。根据计算结果，2台HZ-6型抓岩机的装矸能力满足施工需要。

4.7 压风机

根据施工方法及施工机具配备，井筒使用XFJD6.11型伞钻配6台YGZ-70型导轨式凿岩机进行钻眼作业时耗风量最大。伞钻总耗气量为68 m3/min，1台风泵耗气量为3 m3/min，井筒工作面所需最大需风量为71 m3/min。地面临时压风机房内安设两台MM250-42.5/1510型和两台MM110-20/706型螺杆式空压机,装机总供风量可达125 m3/min。

考虑到压风损耗，实际最大耗风量为：

Qmax耗=αβγnKq.

(13)

其中：α为管网漏风系数，α=1.1；β为风动机械磨损耗风系数，β=1.05；γ为高原修正系数，γ=1.00；n为同型号风动工具使用数量，n=1；K为同型号风动工具使用系数，K=1；q为风动工具最大耗风量，q=71 m3/min。

将数值代入式(13)计算得：Qmax耗=82 m3/min。选用MM250-42.5/1510型压风机2台，额定风量为42.5 m3/min；MM110-20/706型压风机2台，额定风量为20 m3/min。则装机总供风量Q装机=(2×42.5 m3/min)+(2×20 m3/min) =125 m3/min>82 m3/min。根据计算结果，压风机满足井筒用风要求。

4.8 通风机

掘进工作面同时工作的最多人数为25人，每人需要的新鲜空气为4 m3/min，按人数计算，掘进工作面实际需要的风量Q1=100 m3/min。

按炸药量计算，爆破后工作面所需风量为：

Q2=7.8[A(S井筒L)2K1]1/3/t1.

(14)

其中：t1为爆破后井筒通风时间，t1=50 min；A为井筒基岩段全断面爆破的炸药量，A=503.1 kg；S井筒为井筒净横截面积，S井筒=50.24 m2；L为炮烟稀释安全距离，L=300 m；K1为淋水系数，取K1=0.3。

将数值代入式(14)计算得：Q2=507 m3/min。根据通风原则，井筒工作面需风量为507 m3/min。选取备用系数为1.25，则通风机工作风量Q工作=Q2×1.25=634 m3/min。

根据计算，前期采用2台FBD-№8.0/45×2型对旋风机通风(一用一备)，风机风量为473 m3/min～817 m3/min；揭煤时选择2台FBD-№8.0/55×2型对旋风机通风，风机风量为506 m3/min～874 m3/min，满足要求。

4.9 凿井设备配置

通过以上对主要设备的选型分析和校验，余欣回风立井凿井装备配置见表3。

表3 余欣回风立井井筒凿井机械装备

5 结束语

余欣回风立井井深大，地质条件复杂，在井筒掘进快速推进的同时，必须要持续强化对提升、悬吊、打钻、装矸及通风等重点关键环节机电设备的日常管理，做好设备日常检修维护，保障项目工程建设安全有序推进。