某铀矿山主竖井井筒装备设计

施林峰，吕继民，韩建辉

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

煤炭、冶金矿山产能大，主竖井一般作为主提升井，专司矿石提升；副井作为人员、材料设备提升井，主、副竖井互不干扰。而硬岩铀矿山相对规模较小，提升量不大，多采用主副竖井合一的罐笼井，配人行梯子间，井筒直径一般为4.5～6.0 m。这就导致铀矿山井筒断面布置十分紧凑，井筒装备复杂，设计难度较大。

硬岩铀矿山开拓系统通常为多中段开采模式，中段高40～50 m，竖井中段马头门较多，井筒装备设计的合理与否直接影响井筒提升装备的安装及正常运行，影响管路的安装、正常使用与检修，也影响矿井的安全逃生[1]166。另外，在铀矿山建设中主竖井投资占比较大，井筒断面布置直接影响井筒直径，从而影响投资。因此，井筒装备设计在铀矿山设计中至关重要。

针对铀矿山竖井主副合一、井筒装备复杂、井筒断面布置独特的特点，以某铀矿山主竖井为例，在对铀矿山主竖井井筒装备设计方法、设计过程分析的基础上，进一步优化井筒断面布置方法，以供同类型竖井工程参考。

1 某铀矿山竖井概况

某南方硬岩铀矿山的主竖井作为矿山主提升竖井，用于提升矿石、废石、材料、设备、升降人员、通风和布置供排水管路、通信、高低压电缆等，同时兼作入风井，服务年限20年。竖井井口标高877.3 m，井底标高412 m，井筒深465.3 m(含井底水窝28 m)。竖井从上到下划分800、760、720、680、640、600、560、520、480、440 m共10个中段，各中段均为单面马头门。

作为提升井和安全逃生通道，按照矿山提升能力要求，井筒内需布置梯子间、罐笼(规格：2 500 mm×1 450 mm)、平衡锤(规格：1 400 mm×580 mm)，还需铺设排水管、供水管、供水施救系统供水管、压风自救系统压风管，以及高、低压电缆、信号电缆等。采用落地式多绳摩擦轮提升，井口设钢井架。

根据工程地质勘察报告，岩体基本质量分级：竖井自上而下各围岩类别分别确定为Ⅴ、Ⅳ、Ⅱ级，0～6 m为破碎软岩；6～32 m为中风化麻状花岗岩，岩体基本质量指标(BQ)[2]8=273；32～466 m为微风化片麻状花岗岩，BQ=457。水文地质条件复杂，地下水类型为构造裂隙水，全井穿越4个充水破碎裂隙带，最大涌水量41 m3/h。

该竖井是铀矿山比较典型的竖井，具有铀矿山竖井单罐笼、平衡锤提升，主副竖井合一，井筒断面较小的特点，紧邻井壁的空间较小但同样要布置梯子间、风水管路、电缆。因此只有尽可能采取断面布置优化措施，才可在较小的断面中合理布置诸多设施。

2 影响井筒断面布置的主要因素

影响竖井井筒断面布置的因素主要有罐笼平衡锤尺寸、罐道形式、梯子间布置、风水管路和风量。

2.1 罐笼平面尺寸确定

罐笼尺寸的大小直接影响井筒断面的布置，一般根据矿车规格初步确定罐笼平面尺寸，再依据下井大件尺寸校核。根据提升量合理确定矿车大小，进而选择合适的罐笼型号。常见罐笼有单层单车、单层双车、双层单车、双层双车几种形式，主要根据年提升能力确定。单层双车，罐笼所占面积较大，会导致井筒直径增大；双层单车，罐笼所占面积小，但运行过程中需要二次对罐。

铀矿山主竖井通常也作为入风井使用，井筒断面也需满足通风要求。铀矿山目前开采深度相对较浅，多数矿山未超过600 m；竖井向深部延深的可能性极大，若竖井断面初期布置过于紧凑将不利于未来延深。对于旧井筒改造，因井筒或地面井架、井塔已经形成，容纳不下更大的罐笼，可采用双层或多层罐笼提高提升能力，以适应现存设施的结构要求。

提升容器断面尺寸与井筒断面尺寸密切相关，井筒直径应满足容器长度、宽度要求，并考虑目前施工条件下可能的井筒直径，在保证安全规程要求的安全间隙条件下，合理布置井筒断面，使矿井投资、建设工期、容器结构合理性有机统一[3]47。

2.2 罐道形式选择

罐道通常分柔性罐道和刚性罐道。柔性罐道常指用密封钢丝绳做罐道，罐笼上的罐耳沿钢丝绳罐道滑行；刚性罐道种类较多，其中冷弯方钢罐道因其具有正面和侧面截面系数相等、受力性能好、服务年限较长、罐笼上安装滚轮罐耳行走时摩擦力较小等优点，而被广泛应用。设计采用刚性罐道时一般采用冷弯方钢罐道。

2种罐道布置形式以及相应的安全间隙要求见表1。在井筒断面布置中影响较大的是容器与井壁之间的距离，钢罐道和钢丝绳罐道的容器与井壁之间的最小距离分别为150 mm和350 mm，从缩小井筒直径的角度考虑，钢罐道占优；但这2种罐道在其他方面各有优缺点，在设计中需对2种罐道形式下的井筒装备进行经济技术比较，综合工期、造价等因素确定。

表1 容器之间以及容器和井壁、罐道梁、井梁之间的最小间隙[4]24Table 1 Minimum clearance between vessels, vessels and shaft wall, tank way beam and shaft beam

2.3 梯子间布置

梯子间的布置形式一般有一字长条式和并列式2种。一字长条式梯子间最小宽度600 mm，并列式梯子间最小宽度1 200 mm，长度方向均包括2个梯子长度的水平投影和不小于300 mm的休息平台。当罐笼较长时，可采用并列式梯子间，以扩大管道间的空间，便于检修和通风；当罐笼较短时，可采用一字长条式梯子间，这样可避免因梯子间过宽而导致井筒直径增大。常用的梯子层间距有5 m和4 m，4 m层间距便于在较小的井筒空间中布置；5 m层间距有利于发挥井筒空间较大的优势，节省装备量。

部分大型矿山可考虑取消梯子间，采用布置2套提升系统的方式，该方式的优点是提升能力大，互不干扰；缺点是系统复杂，投资费用高[5]158。需要根据产能综合考虑，硬岩铀矿山一般产能不大，1套提升系统能够满足需求。

2.4 风水管路布置

平面布置管路时，需考虑各种管路进出马头门、管子道的方位和适当的检修空间，并使管路位置尽量紧凑，较粗的排水管固定于空间较大的罐道梁上，较小的供水管固定于空间相对狭窄的梯子梁上，以达到节省井筒断面的目的。

3 井筒装备设计

铀矿山竖井井筒装备主要包括罐道、罐道梁、管支座、挡罐梁、梯子间、各种管路及电缆设施等。以南方硬岩铀矿山的主竖井为例，进行井筒装备设计。

3.1 井筒断面布置的技术要求

3.1.1 井筒断面布置基本原则

井筒断面布置基本原则：1)提升容器(罐笼)与井壁或井梁的安全间隙应满足相关规程、规范的要求(表1)。除考虑提升容器的布置外，还应使梯子间、管道间在满足使用功能的同时尽量布置紧凑。2)由于该铀矿山产能不大，主竖井确定采用罐笼提升，当采用钢丝绳罐道时，提升容器与井壁或井梁之间不小于350 mm；采用钢罐道时，提升容器与井壁或井梁之间不小于150 mm。3)根据竖井深度和经济技术对比选择罐道形式，井筒断面布置应考虑罐道形式要求。4)当竖井作为入风井时，应满足风量的要求。

3.1.2 井筒区间设置要求

井筒各区间设置要求：1)井筒断面划分为提升间、管道间、梯子间；2)提升间内不宜布置管道、电缆；3)管道间的布置应和地表管路进出方位、井下管子道、供水、排水管去向一致。

竖井内梯子间布置要求[6]1511：1)安装梯子的倾角不应大于80°；2)相邻平台的梯子孔应错开；3)梯子的宽度不应小于400 mm；4)平台梯子孔左右不小于600 mm，前后不小于700 mm。

3.1.3 其他井筒装备设置要求

其他井筒装备设置要求：1)罐道梁可采用简支梁、悬臂梁的布置形式。采用悬臂梁时，其悬臂长度不宜超过0.6 m。钢罐道梁的层间距宜为4.0～6.0 m[7]23。2)井筒中管路支承大梁和次梁、马头门梁、井底装矿点钢梁、楔形罐道挡梁、挡罐粱、设备安装和检修起吊梁等，应采用梁窝埋入式固定；钢梁埋入井壁的深度不应小于井壁厚度的2/3，且不应小于梁的高度。其余受力不大的小梁可采用锚杆托架方式固定。3)梯子间与提升间之间应设置安全隔网。4)竖井井筒装备应根据环境条件、服务年限等设计防腐。

设计中应充分考虑技术要求，在满足基本技术要求的前提下，进行设计选型及断面优化，达到安全性和经济性的有机统一。

3.2 罐道形式的选择

罐道形式的选择直接影响井筒直径的大小。在同等条件下，钢丝绳罐道的安全间隙要大于钢罐道，2种罐道形式的优缺点见表2。

表2 钢丝绳罐道和冷弯方钢罐道优缺点对比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of steel wire rope tank track and cold-formed square steel tank track

根据表2，并结合该铀矿实际情况分析：1)由于该竖井深465.3 m，根据矿山运行经验，当井筒深度超过400 m时，用于提升人员和材料的井筒采用钢罐道较为安全适宜；2)该铀矿山生产中段多达10个，钢丝绳罐道运行时各中段需另设稳罐装置，对提升速度影响较大；3)钢丝绳罐道安全间隙大，导致井筒断面增大，掘砌工程量增加。因此本竖井罐道形式采用冷弯方钢罐道，罐道布置在罐笼两侧。

由于该铀矿山年提升能力不大，确定罐笼形式为单层单车，将罐笼布置于井筒中心。罐笼中心与平衡锤中心线距离与提升机滚筒绳间距相关，设计中加设导向轮，将绳间距从1 850 mm缩小为1 650 mm，从而缩小井筒直径。

3.3 梯子间设计

通常主副合一竖井的井筒断面布置是罐笼居中，平衡锤和梯子分列两侧。该竖井罐笼为单层单车，罐笼规格2 500 mm×1 450 mm，采用一字长条式梯子间可避免井筒直径过大问题。因此，设计一字长条式梯子间对称井筒中心线布置，梯子间与提升间采用安全网隔离。

由于梯子倾角不得超过80°，5 m层间距梯子水平投影约为880 mm；4 m层间距梯子水平投影约为720 mm，对缩小井筒断面较为有利，因此选择梯子层间距采用4 m。梯子层间距与罐道梁层间距一致。

近几年拉挤型玻璃钢梯子间被广泛应用于矿山竖井井筒装备，拉挤玻璃钢梯子间与钢制梯子间相比，机械强度高、安装方便、施工工期短、使用寿命长(2～3倍寿命)。虽然拉挤玻璃钢梯子间初期投资稍高；但年维护费用低，而且梯子间耐腐蚀，可避免短期内中途更换，从而避免停产损失。从地下矿山生产需求[8]105考虑，推荐采用拉挤型玻璃钢复合材料。

3.4 管路、电缆线路布置设计

根据矿山生产需要，该竖井内需要铺设2根φ273 mm排水管，1根φ108 mm供水管、1根φ57 mm供水施救系统供水管、1根φ76 mm压风自救系统压风管，以及高、低压电缆、信号电缆。管路布置主要考虑安装、检修及更换方便，适当集中布置，兼顾增设管路的余地，优先在梯子梁上采用U型卡固定管路。为检修方便，主要管路、电缆布置在梯子间两侧，高压电缆布置在平衡锤一侧。在竖向上，考虑管道重力和水锤作用，水管每隔100～150 m需加设直管支座，水仓管子道处加设弯管支座，由于支座所占面积较大，同层布置严重影响空间布局，因此优化为错层布设。

由于梯子间两侧管子空间有限，若两根φ273 mm排水管布置在该处，势必会大幅加大井筒直径。综合分析该竖井井下各中段均为单面马头门，矿车进出均在一侧，罐笼为单车罐笼，长度较小，设计中可以对罐笼一侧空间加以利用。在保证安全间隙的前提下，井筒装备中增设排水管专用固定梁，将排水管设置在罐笼一侧，达到了缩小井筒断面，节约投资的效果。

3.5 其他井筒装备

其他井筒装备有托架和锚杆等。井筒装备中罐道梁、管路梁、梯子梁采用托架固定，支管支座梁、弯管支座梁、挡罐梁等受力较大梁采用梁窝固定。托架采用厚15 mm钢板制作，托板贴紧井壁。钢梁和托架的联接处设计成十字交叉的长孔，以便于安装，保证安装精度。各类利用托架支承的梁采用树脂锚杆固定，锚杆直径27 mm，长450 mm。

井筒主要钢梁采用刷漆防腐，构件表面除锈应达到Sa2.5级[9]6，底漆为氯化橡胶富锌底漆，面漆为氯化橡胶涂料；梯子间采用玻璃钢防腐。

井筒梯子间内的栅栏、平台板、梯子及梯子梁、托架和托、挂钩，已经实现了玻璃钢系列化[10]73。关于罐道、罐道梁防腐也在尝试采用环氧树脂涂层或聚脲涂层防腐，防腐寿命高于常规刷漆防腐，施工简单，可以考虑使用。

3.6 罐道和主要受力梁选择及力学验算

3.6.1 罐道的选择与验算

确定罐道形式为冷弯方钢罐道，选择罐道型号为180 mm×180 mm×10 mm。为保证罐道在罐笼运行的冲击下不至于损坏，并将罐道挠度控制在允许范围内以防罐耳脱轨，需对罐道进行验算。

3.6.1.1 罐道受力荷载计算

作用在罐道上的荷载主要包括自重(静荷载)以及提升容器传来的运行荷载和断绳制动荷载。

在设计中，荷载采用经验公式计算法[11]24，根据原联邦德国《竖井与斜井装备的技术规程》规定有关水平力简化公式计算。

Px=0.8Py=5.65 kN，

Pv=0.25Py=1.77 kN，

式中：Q—最大提升终端荷载，取55 kN；γ0—结构重要性系数，取1.1；γQ—活荷载分项系数，取1.4；Px—侧面水平力，kN；Py—对罐笼与罐道梁正面水平力，kN；Pv—垂直力，kN。

3.6.1.2 罐道强度、刚度验算

罐道按两端简支模型计算：

强度、刚度验算：

式中：My—最大正向弯矩，kN·m；Mx—最大侧向弯矩，kN·m；Py—对罐笼与罐道梁正面水平力，kN；Px—侧面水平力，kN；L0—罐道梁层间距，设计取4.0 m；Wx、Wy—冷弯方钢截面模数，取360 cm3；[σ]—材料抗弯强度设计值，215 N/mm2；E—弹性模量，取206×103N/mm2；Iy—惯性矩，取3 240 cm4；f—挠度，mm。

计算得出挠度f=1.41 mm，符合f

3.6.2 管支座梁验算

设计选择管支座(弯管支座)主梁为工字钢I50b，次梁I28 b；选择挡罐梁主梁为工字钢I50b，次梁I45b。排水管选用φ273 mm×9 mm，每米管道质量59.94 kg，管支座处至井口的水柱高222 m，弯管支座距上层直管支座178 m。对弯管支座梁进行验算。

3.6.2.1 受力荷载计算

该竖井井筒装备设计中，管卡只起导向作用，管支座梁主要承受管子以及其附件自重和水锤作用。根据《采矿设计手册》中的计算公式进行计算。

P0=ρ×H=2 220 kN/m2，

ΔP=ρ×C×v=2 185 kN/m2，

S=πr2=0.051 m2，

P=γ0γG(Pa+Pb)+γ0γQkS(P0+ΔP)，

式中：P0—支座处管内静水压力，kN/m2；ρ—水的重力密度，取10 kN/m3；ΔP—水锤压力增值，kN/m2；C—水锤波速，取1 150 m/s；V—排水管正常工作时水的流速，取2.0 m/s；v—产生水锤时管内反冲流速，v=0.95V=1.9 m/s；S—排水管净截面积，m2；P—作用在梁上的设计荷载，kN；Pa—管子自重，取104.56 kN；Pb—法兰等附件重，取4 kN；γ0—结构重要性系数，取1.1；γG—永久荷载分项系数，取1.2；γQ—活荷载分项系数，取1.4；k—水锤动力传递系数，取0.63。计算得出P=361.26 kN。

3.6.2.2 管支座梁强度验算

主梁验算按简支梁受2个次梁传递集中力作用模型验算：

M=p(2a+b)c/L=357.96 kN·m；

强度验算：

式中：集中力p=P/2=180.63 kN，主梁长度L=4.447 m，被集中力2个p作用后三段主梁长度分别为a=1.671 m，b=0.455 m，c=2.321 m；M—最大弯矩，kN/m2；Wx—主梁工字钢I50b的截面模数，取1 940 cm3；E—弹性模量，取206×103N/mm2；I—惯性矩，取3 240 cm4；f—挠度，mm。

同理进行次梁验算，次梁强度、挠度满足要求。

3.6.3 挡罐梁验算

挡罐梁主要受事故过卷荷载作用，设计中过卷事故荷载N=215.6 kN，主、次梁均按简支梁受集中力作用，经次梁传导作用于主梁上的2个集中力N1=N2=N/4=53.9 kN，主梁长度L1=5.179 m，受力3段分别为a1=1.582 m，b1=2.015 m，c1=1.582 m。

最大弯矩验算：

M1=γ0γQN1(2a1+b1)c1/L1=131.3 kN·m；

强度验算：

挠度验算：

主梁验算满足要求。次梁验算满足要求。

3.7 井筒断面直径的确定

井筒断面直径的确定方法有解析法与图解法，解析法计算较繁琐，一般采用图解法直接求得井筒直径。

采用图解法确定井筒直径步骤：1)根据已定罐笼、平衡锤型号，绘制罐笼、平衡锤的最大外型尺寸，并确定罐笼与平衡锤的中心线距离，两者的中心线距离等于提升机的卷筒直径或经天轮导向后卷筒两边提升绳的距离(d=1 650 mm)；2)罐道计算，确定罐道型号、位置，罐道与罐道滑动槽的间隙应符合罐笼制造厂家的要求(罐道型号180 mm×180 mm×10 mm)；3)罐道梁计算，确定罐道梁型号、位置，再确定罐道梁托架位置，托架与罐笼之间的安全间隙应不小于150 mm(罐道梁型号200 mm×120 mm×10 mm)；4)绘制梯子间平面投影，梯子间布置于罐笼一侧(梯子层间距4 m，投影长720 mm)；5)做上述构件的外接圆，圆心即为井筒中心，直径可按100 mm的模数进级，如4 430 mm可进级为4 500 mm，由此初步确定井筒净断面直径为4 500 mm；6)井筒兼做进风井时，需校核风速，若井筒断面不满足风量要求，须按100 mm的模数进级直到满足风量要求为止(最大风量48 m3/s)；7)布置风水管路，复核井筒布置。图解法井筒断面布置方法如图1所示。

图1 井筒断面布置方法示意图Fig. 1 Schematic diagram of shaft section layout method

经过罐道、罐道梁及主要受力梁选型验算，结合井筒装备设计，图解法确定井筒直径，最终确定的主竖井井筒断面布置如图2所示。

图2 主竖井井筒断面布置图Fig. 2 Sectional layout of main shaft

3.8 井筒装备优化措施

本次设计采取的优化措施：1)采用冷弯方钢罐道，缩小井筒断面，节省掘进工程量，提高罐笼平稳运行性能；2)设置导向轮，将绳间距从1 850 mm缩小为1 650 mm，缩小井筒直径；3)采用一字型梯子间布局，4 m层间距，压缩了井筒断面；4)采用玻璃钢防腐，提高了井筒装备防腐性能；5)利用提升系统单向出车的特点，在罐笼另一侧加设排水管梁，解决排水管过大导致增大井筒直径的问题。

通过设计优化，主竖井井筒净直径仅为4.5 m，4.5 m的井筒净直径也是近十几年来新建铀矿山主竖井采用的最小直径。目前该竖井已经顺利建成。

4 结论

通过对某铀矿山主竖井井筒装备设计的分析，得到井筒断面布置的主要设计流程：先根据竖井开拓深度、工程水文地质条件、提升能力、矿车大小等确定罐笼和平衡锤尺寸，综合比选确定罐道形式；然后根据罐道布置形式，选择验算罐道、罐道梁型号；接着确定罐笼平衡锤中心距、布置梯子间、风水管路和电缆，采用图解法确定井筒断面直径、校核风速(必要时按100 mm的模数进级)，最终得出完整的井筒断面布置。在井筒装备设计中还需针对铀矿山运行实际情况进行分析，采取优化措施，以达到技术安全可行、投资经济合理的目的。