煤礦立井井筒裝備布置

趙傳剛，劉清寶

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

立井井筒是礦井通達(dá)地面的主要出口，是礦井生產(chǎn)期間提升煤炭(或矸石)、升降人員、運(yùn)送材料設(shè)備，以及通風(fēng)和排水的咽喉工程[1-3]。

井筒斷面布置合理與否直接影響到井筒提升裝備的安裝及正常運(yùn)行，影響管路的安裝、正常使用與檢修，也影響礦井的安全逃生；井筒直徑還影響井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及井筒造價(jià)[4-8]。煤炭黃金10 a，各設(shè)計(jì)單位任務(wù)重，設(shè)計(jì)人員對(duì)井筒斷面布置的優(yōu)化不夠，存在井筒斷面利用率低、斷面布置不合理等問(wèn)題，導(dǎo)致井筒斷面直徑加大，造成人力、物力的浪費(fèi)[9-11]。

1 立井井筒裝備現(xiàn)狀

近年來(lái)，伴隨著西部煤炭的開(kāi)發(fā)，煤層開(kāi)采越來(lái)越深，立井開(kāi)拓的礦井也越來(lái)越多。根據(jù)井筒用途的不同，立井井筒可分為主立井、副立井、進(jìn)回風(fēng)立井，有的礦山還有排矸立井和管道井。

為適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井的需要，滿足大型礦井煤炭的提升需要，以及井下無(wú)軌膠輪車(chē)提升的需要，立井井筒裝備提升容器越做越大，由過(guò)去的標(biāo)準(zhǔn)化逐步發(fā)展到非標(biāo)化。目前已投運(yùn)礦井的箕斗額定提升能力已達(dá)50 t，罐籠凈寬達(dá)到3.3 m，個(gè)別達(dá)到3.7 m，罐籠罐道間距達(dá)8.8 m。水文條件復(fù)雜礦井還增加了抗災(zāi)排水系統(tǒng)，礦井涌水量動(dòng)輒每小時(shí)上千方，甚至幾千方，排水管路由過(guò)去的直徑237 mm增大到現(xiàn)在的直徑425 mm，管路的趟數(shù)由過(guò)去的2～3趟增加至現(xiàn)在的4～7趟，甚至更多。根據(jù)井下防火要求、降溫要求、瓦斯抽采要求，井筒中還設(shè)置有黃泥灌漿、瓦斯抽采、制冷等管路。可見(jiàn)，井筒斷面設(shè)計(jì)伴隨時(shí)代的發(fā)展也賦予了新的內(nèi)容。

2 設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮的因素

如何充分利用井筒空間，使井筒斷面布置更加緊湊、更加經(jīng)濟(jì)合理是井筒設(shè)計(jì)者首先應(yīng)考慮的問(wèn)題?？偨Y(jié)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分掌握井筒裝備的內(nèi)容：提升容器的數(shù)量及相關(guān)參數(shù)、罐道形式；掌握梯子間的基本參數(shù)及在井頸段、井下出口段的布置要求；管路的固定方式，管路與井頸、井底的安裝關(guān)系；弄清楚電纜在井筒正常段的敷設(shè)要求，入井段、井底與大巷連接處的敷設(shè)要求。只有弄清井筒各種裝備之間的相互關(guān)系，明確相互間的合理間隙，才能更科學(xué)地進(jìn)行井筒斷面布置，保證井筒斷面設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 井筒提升方位角的確定

井筒斷面布置時(shí)應(yīng)根據(jù)井底車(chē)場(chǎng)與地面進(jìn)出車(chē)方向及兩者間的關(guān)系確定井筒方位角。井筒方位角應(yīng)符合下列規(guī)定：有提升設(shè)備的立井方位角，為井口出車(chē)(或箕斗卸載)方向的方位角；無(wú)提升設(shè)備立井方位角，有風(fēng)硐時(shí)，為風(fēng)硐出口方向的方位角；無(wú)風(fēng)硐時(shí)，其方位角則為與梯子主梁平行的井筒中心線的方位角。

2.2 提升容器及平衡錘的布置

提升容器一般包括罐籠、箕斗和交通罐。一般主井提升系統(tǒng)為一套，即一對(duì)箕斗，個(gè)別大型礦井主井提升系統(tǒng)為2套，即2對(duì)箕斗。例如大海則礦井、巴拉素礦井。

根據(jù)提升罐籠進(jìn)出車(chē)的不同，罐籠的大小不同。無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展決定了罐籠由標(biāo)準(zhǔn)化走向非標(biāo)化，根據(jù)進(jìn)出罐籠車(chē)輛性質(zhì)的不同，罐籠的長(zhǎng)寬變化較大。

一般越長(zhǎng)越寬的提升容器應(yīng)設(shè)在井筒中心位置左右。提升容器的布置一般為并列式。也存在一套提升系統(tǒng)并列式，另一套提升系統(tǒng)垂直布置。

2.3 罐道的選擇

罐道分為剛性罐道與柔性罐道2種，生產(chǎn)礦井多使用剛性罐道，建井期間臨時(shí)提升多采用鋼絲繩罐道。根據(jù)剛性罐道的布置方式不同又分為端罐道、側(cè)罐道、四角罐道3種形式。罐道的固定一般采用罐道梁或托架進(jìn)行固定。端罐道與側(cè)罐道采用滾動(dòng)摩擦，一般在井筒正常運(yùn)行段設(shè)置，局部也設(shè)置在井筒與井底車(chē)場(chǎng)連接處或裝載硐室下方。四角罐道為滑動(dòng)摩擦，一般在井口段、井筒與井底車(chē)場(chǎng)連接處、井底水窩以及裝載硐室段設(shè)置。

2.4 管路的布置

根據(jù)用途不同，管路一般分為排水管、抗災(zāi)排水管、消防灑水管、供水管、黃泥灌漿管、壓風(fēng)管、注氮管、制冷管、瓦斯抽采管等。管路布置應(yīng)考慮安裝、檢修及更換方便，適當(dāng)集中布置，又要考慮留有增設(shè)管路的余地。在設(shè)有梯子間的井筒中，管路應(yīng)盡量靠近梯子間主梁或罐道梁，并與罐籠長(zhǎng)邊平行布置。一般情況，管路應(yīng)盡量布置在副立井中，立井開(kāi)拓的礦井，中央水泵房一般設(shè)置在副立井井筒附近，因此排水管路設(shè)置在副立井井筒中。

考慮主立井撒煤的影響(撒煤使管路表面極其光滑，致使管路檢修不便)，主立井盡量不布置管路，但壓風(fēng)、消防灑水管、注氮管可布置在主立井井筒中。原則上，制冷管應(yīng)布置在進(jìn)風(fēng)立井，瓦斯抽采管一般直徑較大，所以一般布置在回風(fēng)井筒。排水管路、抗災(zāi)排水管路、消防灑水管路、黃泥灌漿管路在井筒中的固定一般為3種固定方式：①正常段層間距的管路采用U型卡與管路梁或罐道梁或梯子梁進(jìn)行固定，如圖1所示；②每隔一段距離設(shè)置直管座梁進(jìn)行固定，如圖2所示；③帶座90°彎頭梁在最后一層與承重梁通過(guò)U型卡進(jìn)行固定，如圖3所示。因此，在斷面布置中應(yīng)根據(jù)梁、管路最大占用面積進(jìn)行斷面布置，最后固定帶座90°彎頭梁的承重梁。

圖1 正常段層間距管路的安裝Fig.1 Installation of pipeline with normal interval

圖2 每隔60～150 m段設(shè)置的直管座梁管路的安裝Fig.2 Installation of straight pipe seat beam pipeline every 60～150 m

圖3 帶座90°彎頭梁管路的安裝Fig.3 Installation of 90° elbow beam pipeline with base

2.5 電纜的布置

根據(jù)用途不同，電纜一般分為通信、信號(hào)電纜、動(dòng)力電纜和照明電纜等。電纜的固定，目前均采用電纜卡固定；一般一套電纜卡可固定2、4、6根不同直徑的電纜；電纜布設(shè)趟數(shù)及尺寸由供配電專業(yè)確定；在電纜卡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有備用量。

2.6 梯子間的布置

梯子間作為停電或?yàn)?zāi)害事故突發(fā)逃生用的安全出口，也可利用它來(lái)檢修井筒裝備和處理卡罐事故。一般情況下，梯子間應(yīng)布置在副立井、回風(fēng)立井井筒中；由梯子、平臺(tái)、梯子梁、柵欄組成；分順向布置與折返布置，由于順向布置占用空間小，因此設(shè)計(jì)一般考慮順向布置。

根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》，梯子間的布置應(yīng)符合下列要求：梯子斜度不應(yīng)大于800 mm；梯子間相鄰2個(gè)平臺(tái)的垂直距離不應(yīng)大于8 m；梯子孔左右寬度不應(yīng)小于600 mm，前后長(zhǎng)度不應(yīng)小于700 mm；梯子寬度不應(yīng)小于400 mm，梯階間距不宜大于400 mm，每架梯子上端必須伸出平臺(tái)不應(yīng)小于1 000 mm，梯子正面下端距井壁不應(yīng)小于600 mm。

在滿足上述規(guī)范要求的同時(shí)，筆者認(rèn)為開(kāi)口與井壁之間的平臺(tái)板寬度不應(yīng)小于500 mm，梯子間下端平臺(tái)板寬度應(yīng)不低于500 mm。結(jié)合斷面布置及考慮層間距的要求，梯子間長(zhǎng)度方向(梯子布置方向)一般不低于1.6 m，寬度方向(與梯子垂直布置方向)一般不低于1.1 m。

2.7 托架

托架用來(lái)固定罐道梁、管路梁、梯子梁以及罐道。托架根據(jù)肋的數(shù)目分單肋托架、雙肋托架。根據(jù)規(guī)范要求，托架伸出長(zhǎng)度不宜大于700 mm，根據(jù)構(gòu)件的構(gòu)造要求，設(shè)計(jì)不宜小于230 mm。用于梯子間小梁固定的托架，鋼板的厚度一般為8 mm，用于罐道、罐道梁、管路梁、梯子梁固定的托架，鋼板厚度一般為10 mm、12 mm、14 mm、16 mm。

2.8 斷面設(shè)計(jì)中的相關(guān)間距的經(jīng)驗(yàn)值

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016版)，立井提升容器間及提升容器與井壁、罐道梁、井梁間的最小間隙值，見(jiàn)表1。

表1 立井提升容器間及提升容器與井壁、罐道梁、井梁間的最小間隙值Table 1 The minimum clearance between the vertical shaft lifting containers and between the lifting containers and the shaft wall，the cageway girder and the shaft beam 單位：mm

根據(jù)近10年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)將對(duì)應(yīng)規(guī)范的間隙予以明確，在滿足表1的條件下，布置井筒斷面時(shí)可參考以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

容器四角與井壁的間隙的經(jīng)驗(yàn)值：對(duì)于四角罐道的連接，一般罐籠、箕斗的四角最外端與井筒之間的最小間距控制在230 mm。

梁與梁的搭接外伸距離的經(jīng)驗(yàn)值：直管座小梁與大梁的搭接外伸距離為120 mm，帶座90°彎頭小梁與大梁的搭接外伸距離為160 mm。

井筒斷面提升容器之間的間距的經(jīng)驗(yàn)值：箕斗斷面中一套提升系統(tǒng)的箕斗之間的距離為箕斗最外延尺寸+400 mm；箕斗斷面中2套提升系統(tǒng)的箕斗之間的距離為箕斗最外延尺寸+650 mm；罐籠之間的距離為兩罐籠最外延尺寸之和的一半+400 mm；若容器與容器之間有通梁存在，則兩容器的間距為兩罐籠最外延尺寸之和的一半+梁寬+350 mm；若容器與容器之間的通梁作為承重梁，則兩容器的間距為兩罐籠最外延尺寸之和的一半+梁寬+500 mm。

3 結(jié)論

(1)斷面設(shè)計(jì)中的裝備優(yōu)先采用托架固定。

(2)管路應(yīng)盡量設(shè)置在副井與風(fēng)井中，以方便后期檢修及更換。

(3)斷面布置應(yīng)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行校驗(yàn)，確定梯子間是否需要采用封閉式。應(yīng)充分的結(jié)合井上下管路、梯子間、電纜等關(guān)系并進(jìn)行斷面控制，以及相關(guān)參數(shù)的確定。

(4)根據(jù)型鋼出廠長(zhǎng)度，一般罐道設(shè)計(jì)的層間距為4 m、5 m、6 m。為方便檢修等，梯子間及管路的層間距應(yīng)與罐道層間距保持一致。