JKZ 型凿井提升机的设计选型研究

李建朋，徐永福 ，熊 健

1招金矿业股份有限公司 山东招远 265400

2洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

3智能矿山重型装备全国重点实验室 河南洛阳 471039

凿井提升机是井筒作业的关键设备，是建井的 重要工具，在建井产业中占有特殊地位。它主要用于提升吊桶、升降人员及凿井用的各种机械设备、下放砌壁用的混泥土等。凿井提升机在整个井筒施工期间起着重要的作用，其选型及布置的合理与否直接关系到提升的安全性和建井速度[1]。

1 凿井提升系统的组成

凿井提升系统的主要设备有凿井提升机、天轮装置、液压制动系统、控制与传动系统、井架、钢丝绳、钩头装置、吊桶、抓岩机、伞钻、挖掘机等[2]，如图 1 所示。其中，联系井下与地面的核心设备为凿井提升机，现在常用的为 JKZ 型凿井提升机，其结构形式与缠绕式提升机基本相同。但与单绳缠绕式提升机采用相同或相近规格时，凿井提升机具备更大的提升能力。

图1 凿井提升系统 Fig.1 Sinking hoist system

JKZ 型凿井提升机主要由主轴装置、盘形制动装置、卷筒护板、液压站、深度指示器及传动装置、测速传动装置、润滑站、齿轮联轴器、减速器、弹性棒销联轴器、电动机以及各类底座等组成[3]，如图 2 所示。

图2 JKZ 凿井提升机的组成Fig.2 Constitution of JKZ-type sinking hoist

2 JKZ 型凿井提升机选型计算

选型计算的基本依据是建设井筒的直径与井深、每小时出渣量等。凿井提升系统的选型是一项较复杂的设计工作，需要反复修正计算，才能最终确定[4]。目前凿井提升机的选型主要存在以下问题：

(1) 所选凿井提升机的结构形式难以实现后期改凿井绞车的工作；

(2) 随着掘进深度的增加，提升能力与抓岩能力不匹配；

(3) 无法满足挖掘横巷道时大件设备的运输要求等。

2.1 选型原则

JKZ 型凿井提升机的选型一般采用以下原则[5]：

(1) 必须满足项目建井不同阶段的所有要求；

(2) 立井凿井时，无论选用单筒或双筒设备，一般均采用单钩提升，并且要考虑提伞钻、提碴及提人的所有工况；

(3) 针对不需要临时改为凿井绞车的井筒，井筒直径 5 m 以上时，一般采用 2 台单筒凿井设备；井筒直径 5 m 以下时，则易采用单台单筒凿井设备；

(4) 针对需要临时改为凿井绞车的井筒，井筒直径 5 m 以上时，一般采用 1 台双筒和 1 台单筒凿井设备；井筒直径 5 m 以下时，则易采用单台双筒凿井设备。

2.2 选型计算

影响凿井提升机选型的主要因素有建设井筒直径、提升容器 (提升能力)、提升高度、运输最大不可拆卸件的质量等。

2.2.1 建设井筒基本参数

井筒设计净直径为D井筒，mm；井筒建设深度为H井深，m；天轮装置平台高度为h天轮，m；提升吊桶容积为V，m3，自重为Q吊，kg；钩头装置质量为G钩头，kg；滑架质量为Q滑，kg；伞钻自重为Q伞，kg。

2.2.2 提升钢丝绳的选型计算

钢丝绳悬垂长度

(1) 提升吊桶时的终端载荷

式中：Km为装满系数，通常取 0.9；γg为松散矸石容重，kg/m3；γs为水的容量，kg/m3；Ks为岩石松散系数，一般取 2。

(2) 提升伞钻时的终端载荷

通常提升伞钻的载荷要大于提升吊桶的载荷，即Q终'＞Q终。选择钢丝绳型号时，采用较大载荷Q终'计算。

(3) 提升钢丝绳单位质量

式中：σB为钢丝绳抗拉强度，MPa；ma为安全系数，按照规程常取 7.5。

凿井提升机多采用多层股不旋转 18×7+FC 钢丝绳，它的抗拉强度为 1 770 MPa；根据式 (4) 得到的单位质量，可选出对应钢丝绳的直径。根据上文的技术参数，需要重新校核不同工况下的钢丝绳安全系数，满足规程要求即可。

2.2.3 天轮装置选型

根据《煤炭安全规程》及《金属非金属矿山安全规程》要求，缠绕式提升机卷筒、天轮与提升钢丝绳直径之比应符合相关要求，如表 1 所列。

表1 卷筒、天轮与提升钢丝绳直径之比Tab.1 Ratio of drum diameter and head shave diameter to hoisting wire rope diameter

根据矿山类型及设备所用位置，天轮装置的名义直径D天可根据钢丝绳直径d按照对应的规程计算得到。此外，其强度与刚度必须满足钢丝绳破断拉力的要求。

2.2.4 提升机选型

(1) 提升机卷筒直径 参照表 1，提升卷筒的名义直径D可根据钢丝绳直径d按照对应的规程计算得到。

(2) 提升机卷筒宽度

式中：B为提升机卷筒宽度计算值，mm；L为试验绳长度，一般取 30 m；λ为死绳圈，一般取 3；ε为钢丝绳圈间隙，根据钢丝绳直径的大小取值稍有不同。缠绕层数

式中：BT为凿井提升机标准中实际宽度，mm。n必须要满足规程中的要求。

(3) 提升机型号 根据确定的卷筒名义直径和宽度，即可选出凿井提升机需要设计的规格型号。工程设计时，需要校核提升机的最大静张力与最大静张力差，确保提升设备满足使用要求。

2.2.5 电动机功率估算

式中：k为电动机富裕系数，一般取K=1.1；vm为最大提升速度，m/s；η为提升机与电动机之间的传递效率，行星齿轮减速器取 0.92，平行轴减速器取 0.85～0.90。

电动机功率初选后，需要按照电动机驱动力矩以及下放大件工况等情形进行校核验算。

2.3 主机设备规格参数

系统选型计算后，可初步确定凿井提升机规格以及主要技术参数，但从设备的标准化和规范化考虑，应优先按照 JB/T 12193—2015《凿井提升机》中的规格参数进行选取，如表 2 所列。如实际选型计算规格在标准中无相同产品，应遵守相近规格靠上选取的原则。

表2 凿井提升机的规格参数Tab.2 Specification and parameters of sinking hoist

2.4 配套设备

选择凿井配套设备时，提升能力要与抓岩能力相匹配，且提升能力要大于抓岩能力，以保证随着井筒掘进深度的增加，抓岩机在装岩时间内仍可不间断连续工作[6]。不同直径的井筒常用的吊桶设备及配套的抓岩机可参考如表 3 所列进行选取。

表3 配套辅机的选取参考Tab.3 Reference for selecting matched equipments

3 现场安装及布置

在整个凿井提升系统的现场安装与布置中，提升吊桶的位置最为关键，其位置不仅影响地面机房和井架位置的确定，还决定着井筒内掘进设备的布局。因此，现场凿井建设时，首先要确定吊桶的安装方式和位置。提升吊桶的位置布局通常要遵守下列规则。

(1) 吊桶的结构形式、连接形式、载人载物条件以及井筒中位置间距关系等，均必须遵守《煤炭安全规程》或《金属非金属矿山安全规程》的要求。

(2) 选用双筒凿井提升机作为单筒起吊时，提升吊桶应安置于固定卷筒侧。天轮平台设计时，应为游动卷筒侧天轮安装留足空间，以便于后期单钩吊桶改为双钩罐笼提升。

(3) 选用一套单筒或一套双筒凿井提升设备时，提升吊桶优先放于井筒中心线下方靠近提升设备侧，方便安装天轮井架和相关凿井设备。

(4) 吊桶两侧稳绳间距的选择应与配套的滑架相一致，提升绳及稳绳需在一个大平面内，且与卸载方向垂直。

(5) 选择两套凿井设备同时工作时，两套吊桶应以井架中心面对称分布；此时，井架受到的侧拉力相互抵消，稳定性更好，也有助于井架水平连杆布置翻矸台。

(6) 对于采用罐笼提升的副立井，提升吊桶应放置于永久提升机房内，提升设备中心线与后期矿车进出方向一致；对于采用箕斗提升的刚性罐道主立井，若采用多套凿井设备，必须有一套放置于永久提升机房内，提升吊桶的中心线与后期固定提升设备中心线平行或垂直，且必须与车场的出车方向一致。

(7) 凿井后期如有提升吊桶改为临时罐笼计划，提升吊桶应与临时罐笼安装位置一致，且提升吊桶与临时罐笼的提升钢丝绳间距保持相同。

4 结语

进几年，随着浅部资源的枯竭，矿产资源的开采已逐步转入深井或超深井领域，如中国黄金纱岭金矿、云南驰宏会泽铅锌矿、山东招金瑞海矿业以及山东黄金三山岛金矿等，井深都已超过了 1 500 m。今后，超深井的建设将会越来越多，大型凿井提升设备也随之迎来黄金期，超深井凿井提升系统与设备的设计选型显得尤为重要。通过凿井设备的选型与布置介绍，期待与同行对新建矿井凿井初期的建设进行探讨。