新华钼矿竖井延深联合方案的实践

梁月明

(朝阳新华钼矿,辽宁 朝阳 122304)

新华钼矿竖井延深联合方案的实践

梁月明

(朝阳新华钼矿,辽宁 朝阳 122304)

新华钼矿生产竖井需要延深,上部还要正常生产,原竖井下掘到目前位置又没有给以后的延深留有足够的条件,给下一步延深留下了很大不便因素,本文重点分析论述竖井延深方案的选择和上下部分连接后安全防护的设计及相关的计算。因为在方案选择上处理得当将最小限度的影响生产,使得上部生产和下部井建获得最大效益,更重要的是使竖井下掘时避免重大安全事故的发生。

生产竖井;辅助中段;梯子间;延深;方案选择

0 前 言

朝阳新华钼矿二期工程北山坑竖井施工到6中段后由于急于与一期工程新华坑衔接,立即投入了5中段和6中段的开拓探矿施工(4中段以上由一期工程新华坑回采)。2年后考虑到北山坑自身的衔接问题,又决定继续延深该竖井。从当时的6中段延深到8中段,段高40 m。共延深80 m。铁岭柴河铅锌矿第一爆破公司承包了施工建设任务。经历过矿山竖井延深的同志都知道,正在生产的竖井如果要继续延深最大的难题就是如何解决对生产的影响以及上部生产对下部施工的安全隐患问题。本次竖井的延深工作同时也受到的了主管部门沈阳公司主管经理的高度重视,要求从方案选择到安全施工要有详细的设计,尤其在安全上要有科学理论依据,关键环节要进行详细计算,在保证上部正常生产的同时下部竖井的延深也要保证绝对安全。

1 原系统及生产情况介绍

1.1 原系统概况

北山坑竖井于1994年建成投入使用,井口标高800 m,1、2中段段高各50 m,下部段高均为40 m。竖井6中段以上为生产中段,其中5中段采、掘、出、探矿各种作业都有,6中段为新开中段,只有生产开拓和生产探矿工程,该竖井的设计生产能力为850 t/d,当时的生产能力不足600 t/d,生产处于不衔接状态,受生产衔接的影响,甲方要求在不影响正常生产的情况下将竖井从6中段下掘到8中段,以延续矿山的持续性生产。

1.2 现场条件

原矿山在井建时期当竖井下掘到6中段后,由于急于投产使用,没有给以后的竖井下掘留有施工条件,井底水窝不足10 m深,安全人道、风水管路、动力电缆都已经从竖井一直敷设到6中段水平巷道了。无论是竖井人到道间,还是6中段井口周边尺寸以及井底水窝的深度都不具备正常下掘竖井的条件,需要做很多的前期准备工作甚至较长时间的停产才能达到下掘的目的。

2 方案的选择

2.1 方案比较

常规的生产竖井延深方法有:(1)利用延深间或梯子间延深的方法;(2)利用辅助中断延深的方法; (3)先掘小反井而后上行刷大的方法;(4)先掘小反井而后下行刷大的方法;(5)多阶段施工平行作业法。第1种方法要求井底水窝有足够的深度进行安装人工保护盘、吊盘及底部初期爆破施工空间。还要求井口周围具备安装下掘竖井的各种设备的空间,如各种绞车、卸渣溜槽等。而第2方案最大特点是不影响竖井的正常生产,缺点是增加了一部分辅助工程量。后3种方法都需要有其他井巷工程形成的生产中段才能达到,而该系统下部没有生产中段,故后3个方案不可用。只能在前2个方案中进行选择,先将此2种方法的特点即优缺点进行以下详细比较。

表1 竖井延伸方案比较

基于以上现场条件和当前矿山的生产衔接情况,如果在6中段井口创造下掘竖井的条件,也就是将井底水窝施工至20 m左右,井口开帮达到能安装各种绞车,前后巷适当压顶,最少要停产1个多月的时间,当时企业的经营状况不太好,市场的钼产品价格又非常看好,如果停产做下掘竖井前的准备工作,企业将减少近几百万的产值和近百万的利润,不仅影响了正常生产,职工开资将面临着困难。

2.2 方案的确定

为了尽量不影响正常的生产,经过充分讨论,参考国内其他正在生产的竖井进行下掘的案例,又由企业管理部进行成本及利润的分析计算,一致认定利用辅助中段的方案施工6～7中段井筒,而6～7中段的施工则采用先掘小反井而后下行刷大的办法。待6～7中段井筒形成后在7中段井口创造条件再利用延深间方法施工7～8中段井筒(如图1所示)。此时主井的大罐提升可延伸至7中段,辅助井的提升工序随之被取消。虽然增加了46 m的小规格辅助井的工程量,但其联络巷道可作为将来的调车场的一部分,最重要的是减少了影响正常生产的时间,同时减少了多段提升的缺点,其整体经济利益损失降低到最低限度。

3 竖井延深工艺方案及施工顺序描述

3.1 下掘措施井

如图1所示,在6中段距主井50 m处左侧下掘一小规格竖井2 m×2 m,总深度共计46 m,工艺按照正掘竖井的工艺正常进行施工,下掘到7中段水平后施工一临时水仓,继续施工水平联络巷道到主井下方,此联络到要施工在设计的主井调车场工程内,尽量避免出现浪费工作量。

3.2 打中心深孔

由7中段主井下方的长轴中线上测绘定位打孔径为110 mm的上向垂直深孔两个,透6中段井底水窝,用于放水和施工小反井时通风,还要测量出准确高度并验证坐标方位的准确程度。

3.3 检查6中段井底

暂停6中段生产,停罐后用木方和长形钢材临时封闭6中段下平口,清理井底,检查安全状况并记录现场,确定延深竖井时人工防护盘的位置,应保留井底楔形管道不被破坏。

3.4 安装人工防护盘及工作盘

在临时封闭井口的条件下,首先安装竖井延深工作盘,然后进行安全人工防护盘的施工安装施工期间必须保证竖井6中段人道安全畅通,人工防护盘的施工质量应在专职安全员和质检员的监护下进行(人工防护盘的设计见表2)。施工结束后拆除井口临时封闭,罐笼可在6中段正常运行。

3.5 施工反掘小规格天井

由7中段打反井,规格1.6 m×2.0 m,质量要求:(1)不得破坏主井井壁;(2)以深孔为导向保证垂直度。施工方法:鉴于6中段井底水涡高度不足等因素采用普通天井掘进法,但必须保证施工安全可靠,安全措施:除严格遵守操作规程外还要特别强调如下内容:①天井放炮必须双向警戒,以防气流延深孔冲击,影响六中段井口作业人员安全;②当天井掘至距上顶7～10 m时乙方以书面报告形式汇报给甲方,甲方通知竖井作业相关人员,响炮时离开井口到安全区,响炮后方可开始作业,井内施工必须排除跑延后方可入井。

3.6 安装正常下掘设备

天井打透后安装竖井下掘设备,测绘放线,全面检查并妥善处理竖井作业安全(包括竖井罐道、安全卡及钢丝绳的检查处理),在得到甲方允许的条件下乙方组织下掘施工。下掘竖井直至7中段下5 m处暂停,此段内碴石和水从措施井走;炮烟、人员和材料从6中段走。井壁砌护:要求滞后下掘2～5 m。完成7中段码头门及竖井前后左右的开凿任务,并进行必要的砌护。上述方法类似于先掘小反井而后下行刷大的延伸方法一部分工艺。

3.7 安装7中段下掘设备

7中段井口下掘深度达到要求后,使7中段井口的规格达到能利用梯子间继续下掘竖井的要求,开始安装7中段下掘设备,井筒设备安装包括人道间内竖井向8中段延深时卷扬机井塔的安装(天轮高度参照措施井井塔)。在7中段安装向8中段延深竖井的设备包括:卷扬机、吊筒、绞车、水泵、配电、信号、铺轨等。

3.8 安装7中段人工防护盘

再下掘竖井10 m(包括砌护)暂停,将上中段的2层安全棚盖以同样的安装形式,同样深度移装在7中段平口以下,只是在拆(安)上层安全棚盖前,必须在6(7)中段下平口作临时封闭的安全棚子,以保护下面作业人员安全。

图1 竖井下掘方案设计示意图

图2 罐笼提升受力分析

3.9 施工7～8中段竖井

验收6～7中段竖井,并将罐笼提升引到7中段。向8中段延深竖井包括砌护(工艺同前),此时人员、设备、材料、排水、出碴等均由7中段中转。开凿8中段码头门,调车场,及其左右硐室,并完成必要的砌护工程量,以达到继续施工时爆破不影响竖井安全为目的。竖井下掘到八中段下15 m停止。在8中段井口开拓时需要给竖井继续下掘创造出良好的条件,7～8中段的延深方法是典型的利用延深间或梯子间延深竖井的方案。

3.10 阶段验收

7～8中段竖井安装。拆除安全棚盖,清理工程场地。安装竖井信号、罐笼试运行。打竣工报告、组织工程竣工验收。

4 安全技术措施

竖井是矿山的咽喉,竖井延深是生产矿井保证延续生产、开拓新中段的关键工程,其施工工艺复杂,作业条件最为艰苦,深井多层次作业,凿岩爆破,机电设备安装,运转,装碴排石,通风排水。本次竖井下掘工程严格参考了国家相关部门颁布的竖井延深工程的相关法律法规,另外根据主管部门沈阳公司的要求对上下作业的安全防护装置即安全棚盖的设计要详细和安全可靠的计算。本工程重点考虑了大罐在提升矿石时自由落下时的防护要求。

4.1 人工防护盘的设计

人工防护盘是考虑施工中避免出现因上部重大物体坠落时而造成重大的安全事故,人工防护盘的设计考虑到用留保护岩柱作为安全防护层的办法存在清除时复杂不安全等不利因素,故采用水平式人工防护盘的办法作为安全防护层。人工防护盘分上下2层,如表2所示。通过原梁窝的设计可知两层相距2.5 m,上层承担动负荷,下层承担静负荷,而两层下面的工作盘只起防护层作用,随作业面向下移动,是保护作业人员不受小物体坠落伤害的。2层防护盘的材料构成如表2所示。

表2 人工防护盘的结构及参数设计

4.2 受力分析

4.2.1 最大受力条件Qmax

Qmax——断绳坠罐的动力KN,断绳的位置应在锁罐卡子的上端。

罐笼提升受力分析(图2):罐笼在提升矿石时质量最大Mmax=M1+M2+M3

其中:M1——笼自重2 000 kg

M2——矿车重500×2=1 000 kg

M3——矿石重1 000×2=2 000 kg

μ——井筒阻力系数,向下0.8,向上1.2

a——提升矿石时加速度1 m/s2

V——提升速度,V=6.61 m2/s

t1——V/a=6.61/1=6.61 s

h1——1/2(at21)=21.8

t2——V/g 1.2=6.61/9.81×1.2 =0.56 s

h2——1/2Vt=1/2×6.61/×0.56 =1.85 m

h3——5 m

所以H=h1+h2+h3=28.65 m

a’=g×0.8=7.848 m/s2t1=(2h/a’)1/2=2.7 s

V=a’·t’=21.2 m/s

f=m·μ·g=39 240 kg

Qmax=m v=f t=105 948 kg由以上运动学分析结果Qmax=105 948 kg

由安全棚盖的结构和材料决定其人工防护盘重量为68 000 kg,其总重量为112 748 kg。

4.2.2 人工防护盘的承受能力

下面分析人工防护盘的承受能力,单罐笼在罐道的作用,对人工防护盘垂直作用,正常情况下棚子均匀受力,考虑动静载荷集中在叁根梁上和6个井壁砼梁窝均匀受力选单梁分析如下:

梁受力弯曲分析如图3所示:

图3 梁受力分析图

重力Qmax=112 748 kg,L1=2.2 m,L3=1.8 m a=0.2 m,即L1-L2=2a

上式中:

q——载荷集度kg·m

NC——c点的压力kg方向如图3

MC——载面c弯矩kg·m

M——梁中点截面弯矩kg·m

由以上数据画弯矩图如图4。

图4 梁受力弯矩分析

由图作定性分析:当AB视为可移动的活点时如上图弯距最大是在梁中点,AB作为刚性支点弯曲变化将更小由此梁抗弯曲能力较强,不再验算。

4.2.3 梁的剪切受力分析

梁是选用24#工字钢。

p梁窝=Q/6=18 791 kg查表d=10.5 mm wx=534.29 m3。

I∶S=21.27,h/1=1.4

tmax=P((I/S)·b)=p/(21.27×10.5×10-5)

бmax=PL/WX=(P×200×10-3)/(534×10-6) tmax/бmax=1.2,则tmax-1.25max

式中:

p——正应力

a——L受力点到窝边距离

Wx——截面系数

I/S——惯距与面距比

a——腰厚

tmax——最大剪应力

бmax——最大正应力

由于上述计算结果tmax>бmmax需在结构上改进在梁下支撑上斜筋,减少剪应力,查表计算24#工字钢承受剪切力2 345 750.68 N,通过改进结构后Q/Qmax=2.26倍。

下层防护盘承受力可视负荷,此时罐坠落在上层防护盘,其质量与上层防护盘合为一体M总<150 000 kg,因此安全可靠。

4.2.4 梁窝的受力分析

200#砼搞压强度为100 kg/cm2梁窝断面为11.8×30×6=21.24 cm2,其承载能力为:

Q=2 124×100=212 400 kg

安全系数为Q/Qmax=1.88倍

为了使其与工字钢的承载能力相当施工时可在工字钢头下面垫20×30 cm2的钢板使其安全系数均达到了3倍以上更安全可靠。

5 结 论

通过以上方案的分析比较以及施工顺序的安排,证明只要掌握了各种竖井的延深方法的内涵,掌握了本企业的现状利用好现场条件,进行充分的论证,最后总能出台一个最佳竖井延深方案。一个方案的选择不一定应用于全部工程之中,根据不同的施工阶段可以选择不同的施工方案,从而使整个工程处于最优化状态,工程量上合理、经济利益上最佳、安全上最可靠。通过对人工防护盘的重点设计、计算与分析可知,人工防护盘的设计是安全合理的,即使出现最严重后果,即提升矿石时出现罐笼坠落事故也能满足安全要求。虽没进行破坏性试验,在施工中也没出现预想的事故来验证,但我们在理论上得到了支持,做到心中有数,在施工过程中使得管理人员和施工人员没有这方面的后顾之忧。这项工程在施工方面和技术方面都得到了铁岭柴河铅锌矿第一爆破公司的大力支持,除了完成本次的6～8中段的施工任务,本工程完成后又承接了该井的8～10中段的下掘任务。两项工程都顺利完成,受到了沈阳公司领导及甲方好评。

[1] 徐小荷,廖国华.采矿手册(第2卷)[M],ISBN:7-5024-0648-4.

[2] 张德明,李少磊,徐恩华,等.矿山采矿设计手册(井巷工程卷)[M],ISBN:7-2830381-1/GD.4.

[3] 李来运,宴治生.利用梯子间延深竖井实践[J].矿业研究与开发,2001,(6):9.

[4] 周叔良,王瑞.竖井延深工艺的完善[J].采矿技术, 1993,7.

[5] 李来运.反井法延深竖井实例[J].矿业研究与开发, 1999,S1.

[6] 陈启富,高礼奎.优化井筒延深工艺[J].建井技术, 2001,22(4).

PRACTICE OF SHAFT EXTENSI ON JO INT PROGRAM IN XINHUA MOLYBDENUM M INE

L IANG Yue-ming
(Chaoyang XinhuaMolybdenum Mine,Chaoyang 122304,Liaoning,China)

Xinhua molybdenum shafts need to extend deep,but also keep the upper part functioning normally.The original shaft dug into the current location leaves no sufficient space for the nextphase of extension,which is a great inconvenient factor.This article mainly analyzed and discussed the deep shaft extension options and the upper and lower parts of the program connected to security design and related calculations.Because the choice of handling it appropriately in the program will be minimal impact of production,enabling the upper and lower production wells built formax imum efficiency,more importantly,is to dig under the shaft to avoid major security incidents from occurring.

shaft;auxiliary mid-piece;inter-ladder;extension;option selection

TD7

A

1006-2602(2010)05-0013-06

2010-03-28

梁月明(1955-),男,毕业于东北大学,采矿工程师,新华钼矿总工程师,先后从事地下金属采矿的设计与管理及井巷工程的设计与管理。