超大绳端载荷立井装备设计探讨

宋立平

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

近年来，伴随着煤炭开采装备和采煤技术的快速发展，矿井井型也逐年加大，千万吨级矿井在内蒙古、陕西、宁夏等地区已较为常见。大型矿井的快速建设，对提升设备及立井井筒装备提出了更高的要求。目前，大型矿井主立井井筒装备箕斗的载荷均在40 t以上，且随着无轨胶轮车和大采高支架的推广普及，副立井井筒装备提升要求显著增大，提升绳端载荷均超过800 kN以上[1-3]。现在立井井筒装备所面临的提升设备的运行条件是井筒深、荷载超大、运行速度高，因此在提升容器高速、重载运行情况下容易出现罐道变形、罐道梁破坏和运行失稳等损坏现象[4-9]，这是对装备设计的考验。此前GB 50384—2007《煤矿立井井筒及硐室设计规范》中关于罐道所受载荷的计算方法为业内惯称的“德国公式”，而2016年修编出版的现行规范正文与说明部分共提供了两个受力计算公式，二者的计算结果相差很大[10-12]。此外，对这种超大绳端载荷运行工况条件下立井井筒装备所开展的研究相对较少。因此，笔者结合所在单位近年来所做的超大终端载荷立井井筒装备设计，给出了几个典型工况下的设计断面及罐道的相关设计参数，供相似条件下的立井罐道的设计进行参考。

1 公式讨论

1.1 目前规范中公式存在的问题

根据现有的GB 50384—2016《煤矿立井井筒及硐室设计规范》，当前设计采用的是德国公式和工程计算法。德国公式的罐道与罐道梁正面水平力标准值为提升终端载荷的1/12；而工程计算法则是考虑了提升终端荷载、运行速度、罐道梁或托架的层间距3个主要因素，运用相对运动原理，通过刚性井筒装备水平力模拟实验台正交设计进行实验，由中国矿业大学测得水平力数据，在对实验数据进行回归分析的基础上提出来的。当分别采用德国公式与工程计算法后，得到的水平力的差值极大，两者成数倍的差值以门克庆矿井副立井井筒装备为例，分别采用这两个公式进行计算。提升终端载荷为1 600 kN，运行速度为10.47 m/s，罐道层间距为4 m，采用德国公式计算结果为133 kN，采用工程计算法公式计算结果为27.56 kN，两者之间水平力相差了3.8倍。

1.2 两个公式提出的背景条件

德国公式是30年代原联邦德国提出的经验公式，其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。工程计算法是90年代中国矿业大学提出的3参数水平力计算公式，适用条件为提升容器载重小于30～40 t，运行速度小于14～18 m/s。可见，两个公式的适用条件都与目前立井装备运行工况不符。

1.3 结构受力计算

传统的立井井筒装备结构计算是将罐道和罐道梁分离，采用简支梁或连续梁受集中力平面计算模型进行罐道和罐道梁强度、刚度的计算。对于罐道梁，立井装备有一套提升系统，罐道梁的受力为一侧罐道作用于罐道梁的作用力。两套提升系统，由于4根罐道所受荷载难以同时作用在一根罐道梁上，因此该工况不予考虑；两根罐道荷载同时作用在一个罐道梁上的概率也较小，因此该工况也不予考虑。罐道梁受力的最不利荷载为最内侧其中的一根罐道作用于罐道梁的作用力。由于罐道梁的作用力为罐道对其施加，而罐道的作用力在提升容器上，只要计算出罐道的荷载，通过作用力与反作用的关系便能确定罐道梁的作用力。

2 工程案例

井筒装备发展非常迅速，立井井筒装备是井筒装备中最复杂的形式，空间狭小，受力复杂，尤其是罐道和罐道梁受力非常复杂。当前，立井提升绳端载荷 45 t以上较为常见，现行规范提供的两个受力计算公式计算结果相差较大，因此工程参照法设计立井井筒装备非常必要。

2.1 孟村煤矿

2.1.1 副立井装备

孟村矿井位于陕西彬长矿区中西部的泾河西侧，设计生产能力6.0 Mt/a，副立井井筒净直径8.5 m，提升深度550 m。设计一套提升系统，装备一对双容器提升，其中一个容器为非标多绳特宽罐笼6 800 mm×2 800 mm×9 150 mm(长×宽×高)，另一个容器为小型非标双层窄罐笼5 000 mm×1 270 mm×9 150 mm(长×宽×高)，3趟φ325 mm×15(8)mm排水管路、两趟φ325 mm×16(8)mm强排管路。设计提升速度为9.42 m/s，双层四车罐笼及配重总重约39 t，最大件液压支架重36 t(加重型平板车重量5 t)，合计提升绳端载荷为800 kN。立井断面如图1所示、罐道选型参数见表1。

图1 孟村副立井断面

2.1.2 主立井装备

孟村矿井主立井净直径6.5 m，提升高度563.8 m。井筒内装备一对名义载煤量为45 t的立井多绳提煤箕斗，一趟黄泥灌浆管路(φ219 mm×8 mm)、一趟消防洒水管路(φ219 mm×8 mm)、一趟供水施救管路(DN100 mm)。每根钢丝绳最大静张力为1 700 kN，共4根；提升速度为11.34 m/s，箕斗及配重总重约82 t，名义载煤量45 t，最大绳端荷载为1 270 kN。立井断面如图2所示、罐道选型参数见表1。

图2 孟村主立井断面

表1 立井罐道选型表

2.2 门克庆煤矿

2.2.1 副立井装备

门克庆矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗，设计生产能力12.0 Mt/a。副立井净直径10.0 m，提升高度725.5 m；井筒内装备两套提升系统，分别为一个非标特大罐笼(宽3.6 m)带一个平衡锤、一个非标大罐笼(宽2.1 m)带一个平衡锤，两个罐笼中心距为3 450 mm，提升速度10.47 m/s。双层四车罐笼及配重总重约55.8 t，最大件液压支架(含平板车)重50.0 t。特大罐笼的首绳共6根，长度均为770 m，总重48.5 t；特大罐笼的尾绳共3根，长度30 m，总重1.9 t。特大罐笼的最大绳端荷载约1 600 kN，同理，大罐笼的最大绳端荷载为840 kN。立井断面如图3所示、罐道选型参数见表1。

图3 门克庆副立井断面

2.2.2 主立井装备

主立井净直径9.6 m，提升高度726.2 m。井筒内装备两套提升系统，提升容器为标准50 t箕斗，箕斗自身重量68 t，提升绳的首绳重58 t，尾绳重2 t。提升速度14 m/s，箕斗最大绳端荷载为1 780 kN，罐道梁长8.3 m。立井断面如图4所示、罐道选型参数见表1。

图4 门克庆主立井断面

2.3 纳林河煤矿二号副立井装备

纳林河二号矿的设计生产能力为8.00 Mt/a，可采储量为796.38 Mt，矿井服务年限为71.1 a。副立井井筒净直径为10.5 m，采用立井多绳提升系统。井筒内布置2套提升设备，其中1号提升系统为大罐笼+平衡锤，二号提升系统为小罐笼+平衡锤，2套提升系统主提升速度均为9.42 m/s。大罐笼的最大绳端荷载1 500 kN，同理，小罐笼的最大绳端荷载为750 kN。立井断面如图5所示、罐道选型参数见表1。

图5 纳林河二号副立井断面

3 结语

由于我国西部一些超大型矿井提升容器运行条件已超过现行采矿设计规范中有关刚性井筒装备的设计条件，使得井筒装备设计工作准确性和可靠性难以保证，因此进行超大绳端载荷提升条件下井筒装备结构设计研究显得十分必要。除上述案例以外，纳林河二号矿井的一号主立井、二号主立井、胡家河主立井、文家坡主立井箕斗载重均为40 t，母杜柴登主立井箕斗载重为45 t。以上设计的立井井筒装备运行良好，且各个井筒提升装备的运行工况基本相似，可以为其他矿井立井装备设计提供一定参考与借鉴。