采用塔式摩擦提升机的罐笼井设计探讨

〔摘 要〕为提高罐笼井设计水平、减少安全事故、提高系统运行效率，通过总结设计经验和结合现行国家标准规范，针对采用塔式摩擦提升机的罐笼井提升系统、井塔和井筒提出了具体的设计建议。在提升系统设计中，建议采用永磁电机提高运行效率和平稳性，采用带有托罐装置的防过卷缓冲装置提高安全性，增加首绳状态在线检测系统以实时检测首绳状态，并配备换绳装置方便后续换绳作业；井塔设计方面，建议配备外挂式观光电梯提升井塔形象，取消罐笼进出侧的横梁方便更换罐笼及材料进出，设置双层进出罐平台提高运行效率，并采用向外悬挑的结构形式以减少井塔占地面积；井筒设计方面，建议采用上部液压拉紧的钢丝绳罐道减少安装和维护工作量，并采用小罐笼提升系统替代梯子间以增强逃生通道功能。研究结果表明，这些设计建议能够有效提升罐笼井的安全性和运行效率，减少后续维护成本，对地下开采矿山的罐笼井设计具有重要的指导意义。

〔关键词〕罐笼井；提升系统；井塔；井筒

中图分类号：TD534" " " " 文献标志码：B" 文章编号：1004-4345（2024）0６-0006-05

A Discussion of the Design of Cage Shaft Using Tower Friction Hoists

WU Junhui

（CINF Engineering Corporation Limited， Changsha， Hunan 410011， China）

Abstract" In order to improve the design level of cage shaft， reduce safety accidents and improve the operation efficiency of the system， the paper puts forward some specific design recommendations for cage shaft hoisting system， shaft tower and shaft body using tower friction hoists by summarizing the design experience and combining with the current national standards and codes. In the design of hoisting system， it is recommended to use permanent magnet motor to improve the operation efficiency and stability， adopt over-wind buffer equipment with cage chair to improve safety， add the head-rope online detection system to detect the head-rope status in real time， and provide rope changing equipment to facilitate the subsequent rope changing operation. As for the design of the shaft tower， it is recommended to install an external sightseeing elevator to enhance the image of the shaft tower， remove the beams on the cage access to facilitate the replacement of cages and materials arrival/leaving， set up a double-layer platform for entering and exiting the cages to improve the operation efficiency， and adopt the overhanging structure to reduce the floor space of the shaft tower. In terms of shaft body design， it is recommended to use upper hydraulically tensioned wire rope cage passages to reduce installation and maintenance effort， and use a small cage hoisting system instead of ladder room to enhance the escape passage function. The results of the study show that these design recommendations can effectively improve the safety and operation efficiency of cage shaft， reduce the subsequent maintenance costs， and have important guiding significance for the design of cage shaft in underground mining.

Keywords" cage shaft; hoisting system; shaft tower; shaft body

罐笼井是地下开采矿山不可或缺的重要设施，主要由提升系统、井塔（或井架）、井筒及附属设施等组成，担负升降人员、设备、材料和提升矿废石等任务[1]，安全责任重大。然而罐笼井安全事故时有发生，如2004年３月１８日东大煤矿罐笼井因发生提升容器过卷事故，造成7人死亡、1人重伤、3人轻伤，造成直接经济损失55.33万元。

影响罐笼井运行效果的因素众多，设计不当可能导致系统运行效率低下，增加工人劳动强度和时间。如鹤煤三矿罐笼井设计时提升任务不明确，投产后的提升系统无法装载对应的矿车，导致提升效率大幅降低，工人劳动强度和时间也相应地增加；冬瓜山铜矿竖井井塔设计时，提升机摩擦轮和导向轮的中心高差只有6 m，高差过小造成首绳使用寿命过短，仅有6个月左右。因此，在采用塔式摩擦提升机的罐笼井设计时，不仅需要考虑其提升任务、服务范围、所穿岩层等基础条件，还需要考虑现行国家标准规范的要求、装备技术水平，以及当地政策。本文拟从采用塔式摩擦提升机的罐笼井提升系统、井塔和井筒的设计流程入手，结合实际工程案例提出设计建议，以期提高塔式摩擦提升机的罐笼井的设计水平。

1 提升系统

1.1" 提升系统设计及配置

采用塔式摩擦提升机的罐笼井提升系统如图１所示。该系统主要由提升机、首绳、罐笼、平衡锤、尾绳等组成。设计前，需明确提升任务、井口标高和服务中段等基础资料。设计时应根据提升任务和提升高度确定罐笼和平衡锤规格，再根据提升高度、罐笼和平衡锤规格确定首绳和尾绳规格，最后根据首绳规格及其受力情况确定提升机及其配套电机规格。

以阿舍勒铜矿、玉岭多金属矿、金厂河铜铁铅锌矿3个矿山罐笼井提升系统为例，设计前明确矿山的基础资料为：阿舍勒铜矿罐笼井担负600 t/d废石提升和全矿人员的升降任务，井口标高+910 m，服务井下+450 m、+300 m、+250 m、+200 m、+150 m、+100 m、+50 m、±0 m、-50 m、-100 m、-150 m、-200 m、-250 m、-280 m共14个中段；玉岭铅锌锡多金属矿罐笼井担负1 kt/d的矿石提升和人员、材料、设备的升降任务，井口标高+710 m，服务井下-75 m、-135 m、-195 m、-255 mm共4个中段；金厂河铜铁铅锌矿罐笼井主要担负人员、材料、设备的升降任务，当能力富余时，将部分采掘废石从下部中段提至上部中段充填采空区，井口标高+1 884 m，服务井下+1 810 m、+1 750 m、+1 660 m、+1 600 m、+1 540 m、+1 480 m、+1 420 m、+1 380 m、+1 350 m、+1 310 m共10个中段。按照前述流程计算确定的3个矿山罐笼井提升系统的配置见表1。

1.2" 设计建议

1）电机型号。阿舍勒铜矿提升机配套的是交流电机，玉岭多金属矿和金厂河铜铁铅锌矿提升机配套的是直流电机。直流电机因结构复杂、维修费用高、能耗高等缺点，已被列入了《矿产资源节约与综合利用鼓励、限制和淘汰技术目录》中的限制类技术，因此推荐交流变频电机。但是，近年来，随着永磁电机在电动汽车、工业机器人、航天航空等领域[2-4]的广泛成功应用，为矿井提升机配套电机的选择提供了新的方向。因为永磁电机具有效率高、体积小、重量轻、起动转矩大、调速范围宽等优点，尤其适用于矿山竖井提升系统。以盘龙铅锌矿为例，其罐笼井提升机采用的是永磁电机内装的多绳摩擦提升机，规格型号为JKMDN-3.5×4 P，配套电机功率800 kW。该矿实际使用效果表明：矿井提升机配套电机采用永磁电机节省机房占地面积，且运行效率高、运行平稳、噪声小。

2）防过卷装置。根据《金属非金属安全规程》（2006版），金属非金属矿山竖井防过卷段均设置为楔形木罐道。然而楔形木罐道存在诸多劣势，如缓冲阻力变化难以精确计算、制动性能易受多种因素干扰、容易损坏、受天然木材力学性能各向异性的影响，以及长期暴露于空气中导致其性能逐渐衰退等。2020年10月11日由应急管理部和国家市场监督管理总局联合发布的新版《金属非金属安全规程》增加了过卷缓冲装置的选项。带有托罐装置的防过卷缓冲装置和楔形木罐道的目的一致，即发生过卷时使容器平稳地停在过卷段内，且该装置在制动的稳定性、耐用性、可维护性、安全性、适应性和灵活性上更具优势。该装置已广泛应用于煤矿中。此外，还需配置自动化监控设备实时在线检测钢丝绳状态，以替代传统的停机人工检查，从而节约时间、提高经济性和可靠性。

3）换绳装置。金属非金属矿山的首绳达到报废标准后必须换绳。传统的换绳工艺不仅时间长，而且需要大量的换绳工作人员。以金川50行主立井为例[5]，该井深超千米，采用传统旧绳带新绳的方法换6根首绳，需要60多人，换绳时间约120 h。而采用了换绳装置后，换绳操作仅需12人，换绳时间也缩短至17 h，换绳过程也更加安全和高效。因此，建议新设计的罐笼井均预留或是直接安装好换绳装置，以提高后续换绳作业的安全性和效率。

4）钢丝绳检测自动化。提升系统内的首绳状态直接关系到人员生命安全，《金属非金属矿山安全规程》第6.4.7.4条明确要求对首绳既要有日常检查，也要定期安排专业机构检查。以金川二矿为例，原有的钢丝绳日常检查以目测为主。人工检查的方法不可靠、效率低、不经济。主要表现为：（1）受环境、光线、视线局限等限制，能够检测到的损伤类型只占实际损伤的20％左右，检查结果不可靠，且存在严重的安全隐患。（2）人工检查钢丝绳的速度一般为每班0.3～0.5 m/s，全年日常检查需耗费300 h的生产时间，效率低。（3）提升机电机功率主副井合计5 500 kW，检查1次钢丝绳耗电约6 000 kWh，成本较高。而目前已有部分矿山开始采用仪器对钢丝绳状态进行不停机的实时在线检测，并以此替代了传统的人工停机检查[6]。实践表明，对钢丝绳状态进行实时在线检测经济、可靠，能节约检测时间，是未来提升系统的设计趋势。

2" "井塔

2.1" 井塔的设计及配置

井塔是地下开采矿山项目的关键性地表建筑物，用于保护提升系统免受恶劣天气影响[7]，并支撑整个提升系统。井塔内安装有提升机、导向轮等提升设施，过卷挡梁、过卷缓冲装置等保护设施，起重机、起重梁等安装和检修设施，电机的通风冷却设备等辅助设施。

井塔自下而上一般设有井口平台、防撞梁平台、导向轮平台、提升机平台等如图２所示。井塔设计需综合考虑提升机及其配套设备的尺寸和质量，以确定井塔各平台的平面尺寸和高度。通常井塔的平面尺寸取决于提升机平台，提升机平台平面尺寸取决于其上安装的提升机的数量和规格，提升机的最大件尺寸和质量又决定了井塔内吊装孔的尺寸和需要安装的起重机型号。井塔的高度包括罐笼高度、过卷高度、导向轮和提升机摩擦轮的配置高度、提升机大厅高度等。罐笼高度是指上部车场至罐笼顶盖的高度；过卷高度根据提升速度按照《金属非金属矿山安全规程》等规程规范选取；导向轮的配置高度需保证罐笼的连接装置上缘不与导向轮干涉；提升机摩擦轮的配置高度需满足摩擦轮至导向轮之间的首绳长度大于1个提升速度的距离并且大于200倍首绳直径、首绳在摩擦轮上的围包角小于200°等条件；提升机大厅高度由提升机基础台高度、起重机起吊高度、摩擦轮闸盘直径、起重机取物装置高度、起重机高度和起重机顶至屋面构件底面间的净空等组成。

根据上述原则配置的阿舍勒铜矿、玉岭多金属矿、金厂河铜铁铅锌矿3个矿山罐笼井井塔尺寸见表2。

2.2" 设计建议

1）观光电梯的设置。井塔是矿山地表最高的建筑物，通常被视为矿山的标志性建筑，因此其设计关乎整个矿山的形象。以玉岭多金属矿为例，其地表采矿工业场地内有井塔、空压机房、值班室及配电室、机修车间、排班室、矿山材料库、破碎站等建筑物，其中高度居首位的井塔高46.6 m；其次为空压机房，高9.0 m。为了提高矿山的形象，节约井塔的建筑面积和投资，玉岭多金属矿在井塔上设置了外挂式的观光电梯，如图3所示。

2） 进出罐平台的设置。井塔内井架作为支撑结构，其主要功能是安装和固定罐道、防过卷装置等。段村雷沟铝土矿和阿舍勒铜矿采用了传统圈梁结构的内井架，其实际使用效果表明该内井架会影响罐笼的安装和更换，不便于长材料及大型设备进出罐笼。而玉岭多金属矿为了提高设备、长材料等进出罐笼的便捷性，取消了罐笼进出侧的横梁（见图4），同时在井口设置了双层进出罐平台，单次提升节约进出罐笼时间约120 s。

3）提升机平台结构形式。为便于提升机、导向轮等设备的安装和检修，提升机平台上部均需设置起重机。以提升机平台平面尺寸为18 m×16 m、配套起重机额定起质量为50 t、跨度为16.5 m的吊钩桥式起重机为例，其主钩至两侧轨道中心线的极限距离分别为2 367 mm和1 703 mm，起重机宽度为7 010 mm，桥架中心至缓冲器的距离分别为3 880 mm和3 130 mm，则主钩服务范围为115.7 m2，占总面积的54%。因此，为了减少井塔占地面积，可以采用提升机平台向外悬挑的结构形式。目前，张庄铁矿和玉溪矿业大红山铜矿的井塔均采用了该种结构形式。

3 井筒

3.1" 井筒设计

井筒直径取决于井筒内设施，如罐笼、平衡锤、供水管、排水管、压气管、电缆等如图5所示。在上述设施确定后，设计人员需根据《金属非金属安全规程》中对提升容器之间，以及提升容器最突出部分和井壁、罐道梁、井梁之间的最小间隙值要求，采用图解法或解析法计算出井筒的近似直径，再按规定的井筒直径进级模数得到最终的井筒直径。若罐笼井兼作进风井，还需用允许风速校核井筒断面是否满足通风要求。

3.2" 设计建议

1）井壁结构。罐笼井壁结构设计需考虑井筒直径、所穿岩层地质条件、地应力分布特征等。我国井壁厚度通常在300～600 mm之间。罐笼井井颈有4种常用类型，可根据表土层厚度、地耐力以及是否有井塔或井架落于上方等情况进行选择，选用不同类型的井颈。然后再根据载荷情况计算井颈参数。

2）马头门高度。井筒与各中段联通的马头门高度根据需要通过马头门的长材料、设备的尺寸和通过方式确定。马头门分单面马头门、双面斜顶马头门和双面平顶马头门3种，单面马头门适用于尽头式车场；双面斜顶马头门适用于罐笼单层进出车和上下人员；双面平顶马头门适用于双层罐笼同时进出车和上下人员。

3） 罐笼井井底标高的确定。罐笼井井底标高需综合考虑矿体赋存条件、采矿证标高范围和当地政策进行确定。如河北省发文明确竖井井底可布置在采矿证范围之外。通常罐笼井井底要比最低服务中段低数十米才可以满足井底挡罐梁、尾绳隔离装置、井底水窝排水设施等的安装要求。

阿舍勒铜矿、玉岭多金属矿、金厂河铜铁铅锌矿3个矿山的罐笼井部分井筒参数见表3。

4）罐道形式。目前，国内竖井罐道形式有刚性罐道和钢丝绳罐道两种。采用刚性罐道的罐笼井需沿整个井筒铺设方钢或型钢罐道，且每隔几米需有一层固定罐道的罐道安装梁，安装工程量非常大且施工周期很长，如果井筒因地应力发生变形，刚性罐道会随井筒内罐道安装梁的变形而变得不平整，从而影响罐笼的平稳运行。采用钢丝绳罐道的罐笼井在各中段安装稳托罐装置即可实现罐笼在各中段平稳进出物料或设备。钢丝绳罐道有液压拉紧和重锤拉紧两种方式，相较于重锤拉紧，液压拉紧[8]在维护、调节、安装等方面都具有明显的优势，且采用上部液压拉紧的罐笼井，其井底深度可减少约10 m，故而可以减少井筒投资并缩短井筒的施工工期。阿舍勒铜矿实际使用效果表明，相较于刚性罐道，罐笼井采用钢丝绳罐道具有结构简单、材料消耗少、安装工作量小、施工期短、井筒内通风阻力小、井壁负荷小、提升容器运行平稳等优势。

5）小罐笼提升系统的应用。竖井梯子间内的梯子倾角一般大于70 °，事故发生时，井下人员通过梯子间逃生需要的时间长、体力消耗大，深井尤甚。此外，梯子间会因井筒漏水导致梯子湿滑，增加人员跌落的风险。因此，建议采用1套小罐笼提升系统替代梯子间。如阿舍勒铜矿和金厂河铜铁铅锌矿的罐笼井内配了2套提升系统，大罐笼提升系统担负主要的提升任务，小罐笼提升系统一方面替代梯子间，另一方面可作为大罐笼提升系统的辅助，担负少量人员的升降任务。

4 结论

罐笼井作为地下矿山的咽喉工程，投资高、安全责任大，设计复杂。基于多个矿山罐笼井的设计经验，笔者认为采用塔式摩擦提升机的罐笼井提升系统在完成初步设计后，应注意以下问题：1）提升系统。建议提升机配套电机可考虑永磁电机，以减小井塔尺寸、提高系统运行效率和平稳性；配备带有托罐装置的防过卷过放缓冲装置，以提高系统的安全性；增加首绳状态在线检测系统，实时检测首绳状态；配备换绳装置，方便后续的换绳作业。2）井塔。井塔配备外挂式的观光电梯，以节约井塔面积和提升井塔形象；取消罐笼进出侧的横梁，以方便更换罐笼以及设备、长材料等进出罐笼；配备双层进出罐平台，以减少对罐时间，提高运行效率；提升机摩擦轮至导向轮之间的首绳长度需大于1个提升速度的距离且大于200倍钢丝绳直径，首绳在摩擦轮上的围包角小于200 °，以保障首绳的使用寿命；提升机平台采用向外悬挑的结构形式，以减少井塔占地面积。3）井筒。采用上部液压拉紧的钢丝绳罐道，以减少井筒装备的安装和维护工作量和减少井底的深度；采用小罐笼提升系统替代梯子间，以更好发挥罐笼井逃生通道的功能。

参考文献

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