红庆河煤矿主立井提升系统创新设计与实践

仲 松

(中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 210031)

红庆河煤矿位于内蒙古伊金霍洛旗札萨克镇境内。受内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司委托，中煤科工集团南京设计研究院自2007年7月开始对该井田进行项目建设的可行性研究工作，历时5年，研究工作主要分为2个阶段，第一阶段为新街矿区总体规划未批复阶段(2007—2010年)：受当时国内主井提升设备、箕斗、井下装载设备的能力及可靠性约束，矿井设1个主井装备2对45t箕斗，矿井的设计生产能力为1200万t/a；第二阶段为矿区总体规划批复(发改能源[2010]1911号)后阶段(2010—2012年)：批复的矿区总体规划红庆河矿井生产能力1500万t/a，南京设计院主要技术人员针对建井条件、立井提升设备及箕斗容器进行了多次国、内外全面调研和考察，尤其对近年来使用类似先进设备的生产企业进行了细致的调查研究并形成研究报告，经行业专家论证肯定了1个主立井装备2对50t箕斗满足1500万t设计生产能力的可靠性，于2013年获得了国家发展改革委的项目核准批复。于2016年9月底至10月底进行开车调试、带煤试运转。矿井采用立井开拓方式，设计生产能力为1500万t/a，服务年限为111.3a；井下划分3个水平，水平间主、副运输采用暗斜井联系，风井直接延伸；全井田共划分23个采区，投产时在井筒两翼的311、314采区内各布置一大采高综采工作面。该矿井采用立井提升，国内外无此大能力提升项目可以借鉴，为实现提升能力必须选用大容量箕斗，随之而来的是大提升机、大直径井筒、大井塔、缩短提升休止时间、高速运转箕斗在深井筒中运行稳定性、箕斗卸载冲击等问题均需要逐一解决。确保煤矿持续稳产高产高效，必须对该矿主立井提升系统的关键技术进行跨越式创新设计[1-3]。

1 主立井提升系统概况

红庆河煤矿为新建矿井，采用“分区开采，集中出煤”的开采方式，目前原煤运输系统：3煤南翼采区为“回采工作面的煤炭经3-1101工作面巷道带式输送机→3煤南翼大巷带式输送机→2号井底煤仓(2472t)→主立井→地面生产系统”；3煤北翼采区为“回采工作面的煤炭经3-1401工作面巷道带式输送机→3煤北翼大巷带式输送机→1号井底煤仓(2472t)→主立井→地面生产系统”。

整个设计采用全过程运用创新驱动理念，主井提升系统选用5×6电机内装塔式多绳摩擦轮提升机二台，平行布置，用9000kW的58r/min低频交流同步电动机拖动，电控设备选用交-直-交成套设备，提升速度达到15.18m/s，采用容量50t特大型箕斗，井筒直径为9.5m。根据提升运动学计算，一次提升循环时间104.76s，休止时间35s，一套提升系统提升能力为825万t/a，主井两套提升系统年提升能力1650万t/a，满足提升能力1500万t/a备用系数1.1的要求。

2 主立井提升系统创新设计的主要途径

2.1 箕斗容量及布置方式选型设计

特大型矿井主井提升系统普遍采用多系统双箕斗提升方案，并且在条件好的地区采用单井筒大断面提升，即主井内布置多个箕斗进行矿岩的提升，使总提升能力成倍的增加[4，5]。

在南京设计院相继自主研发34t、40t多绳提煤的技术基础上，收集了国内外有关大型箕斗及装、卸载设备的大量资料，吸收和改进现有箕斗提升系统优势和缺陷，研发了红庆河煤矿采用底卸式50t箕斗，断面尺寸为：1550mm×3670mm(宽度×长度)，井筒断面利用率K=0.32，箕斗本体采用扁钢立柱、两端设导向罐耳结构形式，箕斗外形尺寸见表1，并对箕斗闸门口进行工艺改造，50t箕斗采用底卸式闸门，闸门口尺寸加大为1250mm×1600mm，保证了50t箕斗卸煤快速流畅，卸煤净时间15s。针对井下箕斗装载硐室层位岩性及提升能力要求，为力求系统简单、避免井上下装卸载复杂化、有效增加井筒断面利用率，两对四个箕斗平行并列呈“一字形”布置在井筒内。与国内其他同样箕斗大小的葫芦素与门克庆煤矿主立井相比具有以下优势：①井筒直径较后者两个煤矿小0.1m，使井筒断面利用率提高10%，节省投资近1300万元，另外主井提升速度为15.18m/s较后两者速度快，具有提升效率高的优点；②箕斗装卸载休止时间较小，比葫芦素和门克庆煤矿缩短近10s。箕斗对比分析见表2。

表1 箕斗外形尺寸参数

表2 国内同样大小的箕斗对比分析表

2.2 主井井筒井壁结构、装备及设计

红庆河煤矿主井净直径9.5m，断面70.882m2，如图1所示，全深787m。井筒上部采用冻结工法施工、冻结深度670m，下部采用普通法施工。冻结段井壁采用双层现浇钢纤维钢筋混凝土HDPE塑料夹层复合井壁、非冻结段井壁采用单层现浇钢纤维钢筋混凝土井壁结构形式。上述方案带来了主井冻结段井筒内层井壁按常规理论计算最大厚度为1.8m属“大体积混凝土”，大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，从而产生的温度和收缩应力导致混凝土出现裂缝，减弱支护强度及增加漏水几率，有必要从混凝土受力及高强高性能混凝土方面进行研究，以减少内层井壁厚度及温度应力。

根据弹性理论分析、有限元模拟和内外壁相似模拟实验求证井筒弹性应力分布状态，进行了“深厚软岩大直径井筒冻结井壁三维受力计算结构研究”，结果表明：井壁结构中的混凝土处于多轴受压应力状态下，其变形受到约束，混凝土的抗压强度得到大大提高，试验得到井壁结构中混凝土抗压强度比单轴抗压强度提高1.562～1.859 倍，据此，采用井筒减薄的新支护理论，主井筒井壁比常规计算方法减薄300～500mm厚度，节省投资950万元。

图1 主井井筒断面图(mm)

在井筒装备设计中，根据两对50t箕斗荷重以及箕斗上下运行对罐道、罐道梁所产生的较大作用力(含竖向、水平方向)，采用多跨连续梁计算模型，荷载选用Q/12计算得来，强度验算考虑上下层罐道梁及罐道的相互作用，采用三维建模计算，综合考虑罐道型钢冷弯工艺、材料消耗量的前提下，井筒内装备220mm×220mm×14mm(倒角R=24mm)较大截面尺寸的冷弯方形空心型钢罐道、竖向和横向均具有较大承载(抗压、弯)能力的300mm×200mm×14mm(倒角R=21mm)冷弯矩形空心型钢罐道梁、32c工字钢支撑梁、采用250mm×250mm×25mm最大型号的角钢制作罐道梁支座；罐道梁和支撑梁较为罕见的采用3.0m层间距以提高罐道的承载能力、减小罐道对每道罐道梁和支撑梁的作用力，确保了提升容器的安全运行。

2.3 主井提升系统提升方式

主井的提升方式常见的有塔式布置型式和落地式布置型式，塔式提升方式具有系统简单，设备布置集中，初期投资和运营费用低，另外考虑到红庆河煤矿地处寒冷地区，钢丝绳布置在塔内，使用寿命长，安装、维护、更换方便，防冻和防滑性能好[5，6]，并且有利于设备运行、检修维护方便、减少设施占地面积、不受当地气候影响等因素影响。

2.4 提高提升能力的技术途径

提高主井提升能力的技术途径主要是提高一次提升量、缩短提升一次循环时间、增加日提升时间和年工作日等。依据《煤矿安全规程》，年工作日一般取330d，日提升时间根据各个矿井工作制度进行确定。所以，根据提升能力计算公式，影响主井提升系统提升能力的因素主要有一次提升量和提升一次循环时间两方面，根据选用的50t箕斗，并且在满足提升定额载荷或提升机最大张力差的情况下，选用缩短一次提升循环时间来实现红庆河煤矿的稳产高效高产。为落实大型箕斗一次提升循环时间，调研对比分析了国内大型箕斗实际运行情况，见表3。通过研究得出大型箕斗装、卸载休止时间中，井下装载时间是其决定因素，井下装载时间主要包括箕斗停稳至定量斗闸门动作时间、定量斗闸门开启时间、定量斗闸门动作至装完煤时间、定量斗闸门关闭时间等几个主要环节构成，通过对上述动作环节时间分析和计算，红庆河煤矿主井50t箕斗计算卸载时间为23.6s，计算装载时间为27.4s，考虑不确定因素选取50t箕斗装卸载休止时间35s，比规范要求时间缩短15s。

表3 国内大型矿井箕斗参数及运行时间

红庆河煤矿为加快箕斗快速装卸载工艺，从三个方面对箕斗进行了改进：①在不增大井筒断面前提下，加大了定量斗及箕斗卸料口最小断面尺寸，其中定量斗闸门开口1500mm×2000mm，箕斗卸料口尺寸1250mm×1600mm；②加大了箕斗斗箱底板和定量斗及分配溜槽的溜煤角度，过渡转角处采用圆弧结构；③在定量斗、分配溜槽及箕斗内采用新型低阻耐磨衬板。

2.5 主井提升设备选型设计

图2 提升绞车大厅层布置示意图(mm)

2.6 井塔设计

根据工艺布置，设计采用桩筏基础，井塔平面尺寸25m×23m、建筑高度99.8m，为国内目前设计最大的井塔，井塔的结构形式采用框架剪力墙结构，底层设落煤仓两个，由上到下分别设绞车提升大厅层、绞车风机层、天轮层、防撞梁层及结构调节层等。外墙四角为钢筋混凝土墙，外墙中部及内墙为多孔砖填充墙；底层内部不设柱，在二层设转换层，在井塔内部的转换层至绞车大厅层之间设四个连接柱，二层以上层层设大梁，使连接柱与上下各层梁相连，把绞车大厅的荷载让各层分担，分层传到周边带壁柱剪力墙上，以此解决冻结法施工对基础承载力和沉降产生影响的技术难题。

2.7 井下箕斗装载硐室支护设计

井下箕斗装载硐室处于处于粉砂岩、泥岩、煤层及砂质泥岩中，围岩属于松软岩石，易变形，并且位于井筒底部与井筒相连接，围岩应力大，根据工艺布置需要，该硐室位于井筒一侧，净宽9.5m、净深8.8m、净高25.2m，硐室断面属于特大断面，因此应解决特大断面软岩硐室支护问题。经过对常规硐室的断面进行优化，将该硐室简化为“扁圆柱体结构”形式。

基于理论分析与有限差分软件模拟从巷道开挖、围岩稳定、支护效果的过程分析，研究出适合的复合支护形式，即先采用锚网索喷进行一次支护100mm、再采用钢筋混凝土砌碹进行二次支护CF70 1200mm厚的复合支护方式，并且通过工程应用，目前该硐室支护状态良好。

3 工程实践

本文围绕制约红庆河煤矿主井提升系统的关键因素进行创新设计与优化，并将主井提升系统工程设计配套技术成功应用于项目中。通过创新设计主井提升系统装备2对50t箕斗，配备5×6塔式多绳摩擦轮提升机、装载硐室支护设计、主井提升设备选型优化设计等的校验，最终确保主井提升系统能够满足矿井安全生产要求。目前，该主井井筒提升系统稳定运行2a，状态良好，实际最大箕斗最大提升速度为15.19m/s、休止时间为33s，实际提升能力已经达到120～140万t/月，实现了一个主井提升1500万t/a的目标。

但根据现场使用方反馈，存在的问题主要是未考虑更换容器、衬垫、天轮、首绳与滑绳保护功能，带来了维护不便。下一步在井塔中增加择绳调换智能保护装置设置，为摩擦提升安全提供保证。

4 结 语

红庆河煤矿主立井提升系统关键技术的创新设计从新设备、新工艺、新方法着手，将5×6内装式塔式9000kW提升机、交-直-交变频控制系统、容量50t特大型多绳提煤箕斗、15.18m/s的最快提升速度、高速稳罐技术、箕斗更换便捷技术、高承载力的井筒装备、大直径9.5m井筒冻结井壁减薄理论的各项新技术、设备、新工艺、新理论的成功运用，坚实奠定了主井提升系统运行高可靠性。为红庆河煤矿稳产、高效、高产提供提升系统的安全保障，并为类似矿井主井提升系统设计提供借鉴。