磁西煤矿超深副立井提升系统设计

崔汉涛

(中煤邯郸设计工程有限责任公司矿山工程院，河北省邯郸市，056031)

峰峰矿区是具有百年开采历史的老矿区，煤炭资源开采历史悠久，由于开发强度较大以及后备资源存量不足，目前已成为我国资源严重危机的煤矿区之一。磁西煤矿位于峰峰矿区东部，行政区划隶属于磁县和峰峰矿区管辖，是峰峰矿区向深部开发的第一个井田，煤层埋藏深度为1000～1500 m，主要为低灰和低硫的焦煤和瘦煤，该煤种具有成焦性能好、焦型好、块度大以及孔隙率低等特点，是良好的工业炼焦用煤。因此，磁西煤矿对埋藏深度超过千米的煤层进行开发，为峰峰矿区其他深部区域的开发进行技术储备，从而解放深部呆滞煤量，保证矿井接续，这对解决就业和维护峰峰矿区社会稳定具有重大意义。

目前，我国绝大多数立井开拓的矿井煤层埋藏深度较浅，井筒深度一般在600～800 m。国内已经运行的超深井工矿井有山东淄博矿业集团唐口矿，主井深度为1069 m，提升高度为996.5 m，副井深度为1060 m，提升高度也接近1000 m；安徽淮南矿业集团望峰岗煤矿提升高度为990 m。磁西煤矿煤层埋深达到1000～1500 m，矿井采用立井开拓，初期布置主井、副井、回风井3个立井井筒，其中副井井口标高为+155.0 m，井底车场标高为-1149.0 m，井底水窝深度为46 m，提升高度为1304 m，井筒深度为1350 m。副井的提升高度达到1304 m，时为国内乃至亚洲最深的煤矿立井，尚无成熟的经验参考，超千米深井提升是磁西煤矿建设面临的一个技术难点，决定了矿井能否顺利开发。本文从提升机布置型式、井筒布置、提升机、钢丝绳和液压制动系统等关键技术和关键设备进行了分析论证，确定了安全、可靠的提升方案。

1 提升机布置型式

多绳摩擦式提升机有井塔式和落地式两种布置型式。最近几年随着技术的发展，井架上装设电梯、起重机，并把井架封闭，解决了落地式每日例行检查需爬井架、天轮更换难度大以及寒冷地区冬季钢丝绳结冰导致系统防滑性能差等缺点。考虑到井塔式提升机布置型式具有占用井口时间长、影响建井工期以及对地基基础变形的高要求，并且随着时间的推移，在井塔自重和设备荷载下容易出现不均匀沉降、影响提升系统使用以及出现问题后难于恢复等缺点，磁西副井决定采用落地式提升方案。

2 井筒布置

副井提升高度达到1304 m，井筒如果设置一套提升系统，一旦提升系统出现故障，“咽喉”堵死，无法保证井下工人安全升井和维持矿井生产，因此在不增大井筒直径和设备投资增加不多的条件下，利用井筒的剩余空间又设置了一套副提升系统，即交通罐带平衡锤提升系统。主提升系统采用双罐笼提升，主要用于人员、矸石、材料和设备提升，副提升系统主要考虑人员临时提升。这样不仅能够提高主提升系统的利用率和节约能耗，而且提高了副井提升系统的可靠性；另外一旦井下发生灾难，副提升系统可以作为一个安全通道，将逃生人员快速升井。

副井井筒布置设计了两个方案，方案一井筒净直径为9.5 m，整体下放液压支架，整体重量为36.5 t，井筒内装备一套双罐笼提升系统，另一套为交通罐带平衡锤供人员升降的专用交通罐；方案二井筒净直径为8 m，井筒内仍装备一套双罐笼提升系统，另一套为供人员升降的专用交通罐，为了减小井筒直径，将液压支架适当拆解，拆解后最大件重量为20 t。两个方案相比，方案一虽然可以满足整体下放液压支架，但需要较大的提升机，因此投资较高，另外对于直径为9.5 m、深度为1350 m井筒的支护施工也是个技术难点；而方案二拆解液压支架下井，井筒直径可以减小到8 m，不仅可以大大降低投资，而且降低了井筒施工技术的风险；其次考虑到液压支架的升降不是经常性的，而且随着液压支架制造质量的提高，升井大修的次数也越来越少，因此副井井筒直径设计为8 m，拆解液压支架下井。双罐笼提升系统选用JKMD-5.5×4PⅢ型落地式多绳摩擦提升机，配交流变频调速同步电动机(参数为2700 kW、38.2 r/min、3150 V)，最大提升速度为11 m/s；交通罐提升系统选用JKMD-2.8×4PI型落地式多绳摩擦提升机，减速比为7.35，配直流电动机(参数为500 kW、590 r/min、660 V)，最大提升速度为11.77 m/s。

3 提升机

目前国内矿井在用的大型提升机既有进口的，也有国产的。进口提升机价格昂贵，其国内市场占有率较低，另外随着市场的开放，进口产品质量也有所下降。

国产大型提升设备技术已经成熟，且价格要远低于进口设备。中信重工(洛矿)1958年建厂，经过几十年的发展，已成为在大型铸锻和热处理等重型机械制造商，大型多绳摩擦式提升机(摩擦轮直径4.5 m及以上)国内市场占有率为90%，并且多套出口到国外市场。据不完全统计，中信重工2000年以来共生产摩擦轮直径在4.5 m以上的大型多绳摩擦式提升机169套(台)。目前中信重工落地式提升机最大直径为ø6.2 m(4绳)，塔式最大直径为ø5 m(6绳)，单电动机拖动最大功率为6300 kW。因此磁西副井提升机采用国产产品的方案。

4 钢丝绳

钢丝绳是提升系统的重要组成部分，像一条“纽带”连接着提升机和容器。现行《煤矿安全规程》规定：副井提人安全系数最小值为9.2～0.0005H，提物安全系数最小值为8.2～0.0005H。H为钢丝绳悬挂长度，提升高度越大，H也越大，导致计算出的所需安全系数越小，这与实际需要恰恰相反，对于提升高度为1304 m的超深立井应该安全系数越大越安全。设计认为提升过程中在相同的荷载下，钢丝绳越短越容易断绳，钢丝绳越长弹性伸长量越大，类似一条橡皮筋，越不容易断绳。因此钢丝绳的安全系数按照现行的《煤矿安全规程》计算。

4.1 首绳

多绳摩擦式提升高度超过800 m后，由钢丝绳自重引起的钢丝绳扭转是钢丝绳破坏的主要因素，对于高度为1304 m的提升，这种情况就更为突出，因此选用抗扭转的圆股交互捻钢丝绳。

根据现行《煤矿安全规程》保证安全系数的情况下，若选用公称抗拉强度为1770 MPa、直径为61 mm的钢丝绳，单重为12.45 kg/m，计算出提人安全系数为9.10，提物安全系数为7.91；若选用公称抗拉强度为1860 MPa、直径为58 mm的钢丝绳，单重为13.77 kg/m，计算出提人安全系数为9.06，提物安全系数为7.89。虽然公称抗拉强度为1770 MPa的钢丝绳使用情况已较为普遍，但选用公称抗拉强度为1860 MPa、直径为58 mm的钢丝绳，钢丝绳自重能减少9.6%，不仅降低了投资，而且在一定程度上降低钢丝绳自重引起的钢丝绳扭转破坏，从而提高使用寿命。考虑到公称抗拉强度为1860 MPa的钢丝绳有使用先例，因此设计选用公称抗拉强度为1860 MPa的钢丝绳。

4.2 尾绳

立井摩擦式提升尾绳的结构有圆尾绳和扁尾绳两种，目前国内煤矿使用圆尾绳的矿井不多，圆尾绳必须装备自动旋转的尾绳悬挂装置，避免尾绳的“扭绳”现象，国产圆尾绳悬挂装置质量大部分不过关，一般都需要进口。扁尾绳由于其扁而宽的特殊结构，即使在提升系统高速运行过程中也不易旋转，从本质上避免了尾绳的“扭绳”现象，因此设计选用扁尾绳。

在提升过程中尾绳环直径较小，尾绳运行不灵活，容易“打结”，提升速度越大，对尾绳环直径的要求就越大。针对此问题对正在运行的部分矿井进行了调研，山西潞安集团李村煤矿副井交通罐系统提升速度为5.7 m/s，尾绳环直径为1030 mm；山西阳煤集团寺家庄矿井副井交通罐系统提升速度为8.2 m/s，尾绳环直径为1050 mm。设计认为磁西煤矿副井交通罐带平衡锤提升速度为11.77 m/s、尾绳环直径为1250 mm是可行的，实践证明也是可行的。

5 液压制动系统

目前国内新建大型矿井多采用恒减速安全制动系统，恒减速制动系统有单通道恒减速带恒力矩制动、双通道恒减速安全制动和多通道恒减速N+1制动这3种型式。

(1)单通道恒减速带恒力矩制动型式在恒减速功能失效后自动切换到恒力矩状态，优点是设备价格较低，缺点是提升系统必须以恒力矩二级制动系统设计，恒减速制动的一些优点没有充分发挥出来，如容器自重、配重均需按恒力矩制动系统配置。

(2)双通道恒减速制动型的制动系统具有两个完全独立和完整的恒减速通道，当正常运行的恒减速功能失效后，制动系统自动切换到备用恒减速通道。这对防止滑绳事故以及提升设备的选型等都十分有利。

(3)多通道恒减速N+1制动型式将闸控系统分成N个制动单元，每个制动单元对应液压站1个制动通道进行闭环控制，并留有1个备用通道，当某一工作通道故障，其他工作通道可补偿故障通道，停机后再切换到备用通道，因此安全制动全过程均为恒减速状态。

双通道恒减速安全制动系统和多通道恒减速N+1制动形式上有所不同，本质上都是采用恒减速通道作为后备保护，由于失效切换仍是恒减速制动，制动特性没有改变，因此可以充分体现恒减速提升系统的优点，摩擦式提升安全制动减速度防滑始终处于动态监控，安全性好，不受容器重量和配重制约。为了提高提升系统的可靠性，采用德国OLKO公司生产的多通道恒减速N+1型式制动系统。

6 结语

磁西煤矿副立井采用施工工期较短的落地式提升方案；在井筒中增设了一套交通罐，提高了提升系统的可靠性；提升机在保证安全的前提下采用国产中信重工产品，降低了设备的投资；提升系统首绳采用抗拉强度1860 MPa的圆股交互捻钢丝绳，尾绳选用扁尾绳，从本质上避免尾绳“打结”；为了提高制动系统的可靠性，采用先进的多通道恒减速N+1型式制动系统。

目前磁西副井提升系统已经调试完毕，一次性通过冀中能源峰峰集团验收，并交付建设单位使用，该工程为超深立井提升系统的设计积累了经验。