矿井提升机在隧道长大坡度斜井中的应用

2018-06-29陈新颖

太原城市职业技术学院学报 2018年5期

陈新颖

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山064000)

一、工程概况

辽宁省某输水隧洞工程第四标段，主洞长29365m，沿线布置5条施工支洞，分别为10#、11#、12#、13#和14#施工支洞。其中，10#支洞长度为1160.86m，坡度24.22%(13.6°)，成洞断面为圆拱直墙型，尺寸为5.5m×5.5m（宽×高）；主洞断面为马蹄形，尺寸为6.5m×8.2m（宽×高），支洞和主洞均采用钻爆法施工。10#支洞控制段主洞长度为3259m，洞砟总量181986m3，喷射混凝土6351m3，衬砌混凝土 26811m3，钢材 131.21t，物料运输量巨大。根据施工进度安排，每日最大洞砟运输量314.3m3，折合 502.8t。

二、运输方案研究及选定

支洞内的物料运输效率是决定施工速度快慢的关键，该支洞坡度为24.22%，大大超出了一般运输车辆的正常运行坡度范围，严重影响了运输安全和效率。为解决支洞和主洞开挖、衬砌过程中的洞砟、原材料运输问题，最大限度发挥支洞作用，项目部通过对图纸的研究和运输设备的调查，对物料运输进行了多种方案的研究。

（一）装载机运输

装载机主要用于铲装作业，在实际使用中也常用于短距离运输，具有作业速度快、机动性好、操作轻便等优点，但不宜用于长距离运输。本工程在前期的500m探洞施工中，使用了装载机进行出渣和物料运输作业。但是,后期随着支洞的延长，运输距离逐渐增加，运输效率逐渐降低，加上装载机单纯使用制动器进行降速，在长距离下坡时，严重损害制动器的制动盘和摩擦片，一旦制动器失效，装载机失速溜车，会造成严重的安全生产事故。该方案安全风险大，后期运输效率低。

（二）装载机配合自卸车运输

自卸车具有装载能力大、适于长距离运输的特点。但在本工程中，由于坡度大、距离长的原因，查阅了北方奔驰、红岩汽车、陕汽、中国重汽等多个品牌的自卸车，均不能满足24.22%的长坡运输，且在这样的坡度上长距离行驶，自卸车的操控性能和制动性能大打折扣，运行速度严重降低，难以满足安全和效率要求，运输风险过大。同时，支洞宽度仅为5.5m，自卸车在洞内的调头问题也制约着自卸车的使用。

（三）扒渣机配合皮带机运输

随着技术的不断进步和创新，皮带机的应用领域越来越广阔，在隧道施工的渣石输送环节，配合电动扒渣机装载洞砟，具有高效、输送能力大、爬坡能力强、可靠度高、运行成本低等优势。缺点是不能装载大块物料、一次性投入高、需要的安装空间较大，后期维护成本高。

根据皮带机的优缺点考虑，隧洞内爆破的渣石块度需＜250mm才适合皮带运输，因此需要改进爆破工艺，提高炸药用量，或在前端增加破碎设备，将爆破的渣石二次加工，才能满足皮带机的运输要求。无论改进爆破工艺还是增加碎石设备，都将影响施工进度。另外，由于该支洞的物料运输不仅是洞砟外运，后期还需要将混凝土、建筑材料运输到洞内使用，皮带机不适宜进行混凝土、钢材、模板等建筑材料的向下运输作业。

（四）装载机配合矿井提升机运输

矿井提升机技术成熟，安全可靠，在矿山生产中运用广泛。对物料块度要求低，经过改造矿车或使用不同的矿车，可运输多种物料，还能挂载人车运输人员上下班通行。随着工程进展、支洞的延长，仅需铺设轨道就能延长运输距离，运行、维护简单，操作方便。支洞完成后，轨道即可定型，主洞物料的运输方便快捷。缺点是需要购买专用设备，一次性投入大，成本高。

（五）方案选定

通过对以上四种物料运输方案的研究并结合施工现状，从安全性、经济性和满足工期要求等方面考虑，使用装载机配合矿井提升机运输的方案最为合理，能最大限度保证隧洞内各种物料的运输，保证施工进度和安全生产。虽然该方案存在购买专用设备，一次性投入大，成本高的缺点，但该方案安全可靠，安全性远高于其他方案，而且后期维护成本低于其他方案。

三、矿井提升机的选型及复核

（一）矿井提升机的选型

10#支洞长度为1160.86m，坡度24.22%，根据节点工期计算，每天出渣方量为314.3m3。每天按12h出渣时间计算，每小时出渣量为26.2m3，钢丝绳安全系数取6.5。

根据以上参数，经计算，拟配置2台JK-2.5×2.2型单绳缠绕式矿井提升机，电机功率400kW，最大提升速度3.2m/s。矿车选用曲轨自卸矿车，容量8m3，轨距900mm。

（二）矿井提升机主要性能参数

滚筒直径：Φ2.5m；宽度：2.2m；钢丝绳直径：d=32mm；

钢丝绳最小破断拉力：578KN钢丝绳最大静张力：88.9kN；

减速器名义速比：i=30；最大运行速度：3.2m/s；

高压电机功率：400kW/10kV；电机最大转速：740r/min。

表1 矿车特性表

（三）设备参数复核

1.容绳率复核

根据厂家提供的技术参数，该型矿井提升机的容绳率计算如下：

（1）平均缠绕直径：

在式（1）中：D为滚筒直径，为2.5m；nz为缠绕层数，取值为3；d为钢丝绳直径，为32mm；ε为绳圈之间的间隙，取值为3。

将上述数值代入公式:Dp=2.554m。

（2）3层缠绕绳长:

式（2）中：B为滚筒宽度，取值为2.2m；b为穿绳孔直径，为d+5；nm为摩擦圈，取值为3；ng为多层缠绕时供移动用的绳圈，取值为4；Ls为试验绳长度，取值为30m。

其他符号含义同上。

将上述参数代入公式中:H3=1440m

本工程10`#支洞施工长度为1160.86m，洞外长度按100m计。根据相关要求，卷扬机上要留不少于三圈的钢丝绳，同时应有提升钢丝绳试验长度，规定每半年剁绳头一次，每次剁掉5m，按提升钢丝绳的使用寿命为3年计，则试验长度为30m。

经复核：容绳率满足要求。

2.运行速度复核

绳速=（电机转数÷速比÷60）×3.14×卷筒直径=（740÷30÷60）×3.14×2.5=3.2m/s

经复核：提升速度满足设计要求。

3.钢丝绳最大静张力复核

荷载计算如下：

（1）矿车

根据现场情况，采用8m?侧卸式矿车进行出渣，矿车特性见表1。

（2）钢丝绳

钢丝绳型号为 6×37+IWSФ32mm，公称直径32mm，公称抗拉强度为1770MPa，参考重量为4.1kg/m，最小破断拉力为578kN。

（3）提升机最大静张力复核

受力分析如图1所示：

矿车出渣状态情况：

8m3矿斗提升机受力最大状态为矿车在满载同时在钢丝绳最长情况：

式（3）中:Q为提升一次重量，200kN；Qm为矿车的总重50.9kN；α为井筒倾角，13.6°；f1为矿车运动时的阻力系数，取0.015；P为钢丝绳每米重量，查表为4.1kg/m（0.041KN/m）；L 为提升斜长，为 1300m；f2为钢丝绳运动阻力系数，钢丝绳全部支承在地滑轮上，取f2=0.15～0.20；钢丝绳局部支承在地滑轮上，取f2=0.25～0.40；根据本工程实际情况取值为0.25。

代入上式计算得：F=88.14kN＜88.9kN，满足要求。

图1 受力分析图

4.电动机功率复核

式（4）中：F为最大静张力；V为绳速，取值3.2m/s；η为功率因数，取值为0.9。

代入上式计算得：N=344.7KW＜400KW。

经计算，选配的电动机功率满足要求。

5.钢丝绳安全系数复核

8m3矿车满载载渣料时：

安全系数=578/88.14=6.56＞6.5。

安全系数满足规程要求。

6.工作量核算

斜井长1160.86m，钢丝绳速度取平均V=2.8m/s，矿车取容量的0.8=6.4m3，则每小时运载方量为：

经复核，满足工程需要。

四、运输方案的实施

（一）卷扬机房选址和修建

两台提升机安装位正对10#支洞出口，外罩彩钢活动房。由于洞口场地限制，两台提升机分别距洞口100m和120m，不能满足钢丝绳与滚筒中心夹角的最小距离要求，在曲轨尽头设置2m游动天轮，游距900mm，1#机轨道靠支洞的一侧铺设。卸料位采用混凝土墙结构，高度10m，长度20m，厚度70cm，为了节省场地，1#机、2#机分别向两侧卸料。根据支洞出口段坡度和卸料位与洞口的距离计算曲轨安装高度，采用钢结构支架连接洞口与卸料位之间的路段，铺设轨道。曲轨安装在卸料位混凝土墙上，端部设减速行程开关和停车限位开关，避免矿车到位后拉出轨道造成安全事故。

（二）轨道铺设

根据计算选型，矿车轨道选用P38型钢轨、木枕。支洞开挖期间铺设1#机轨道，支洞底板不能硬化处理，轨枕直接铺设在支洞底板岩石上，锚栓固定，每隔5m设地滑轮1处，减少地面对钢丝绳的摩擦。支洞开挖完成后，暂时拆除1#机轨道，对支洞底板进行混凝土硬化处理，轨枕及地滑轮采用预埋锚栓固定，硬化完成后，铺设1#机和2#机轨道。