论文部分内容阅读
[摘 要]近年来，井工开采的煤矿立井井筒正在向大直径和超深方向发展。目前，国内已有的大直径立井井筒净径10.5m，而井筒深度达1342m。本文就净径Φ12m特大直径立井井筒的布置及机械化配置等进行了探讨。
[关键词]特大 布置 机械化
中图分类号：F407.42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0001-02
作为目前国内设计井筒净直径最大的立井井筒，新疆某地特长调水涵洞深部措施井，设计井筒深度650m，井筒净直径12m，最大荒径16.4m。
由于该立井井筒净直径大，井筒的合理布置及其机械化配套，不仅体现施工单位的装备水平和综合实力，也是实施快速施工的重要保障。
一、井筒布置方案
井筒布置中，考虑井筒净直径为12m，空间上为布置大型设备提供了方便。具体方案如图1所示。
1.提升：布置了三套提升设备，其中8m3吊桶两套，作为主提升，主要用来提升矸石和下放混凝土；3m3吊桶一套，作为辅助提升，主要用来上下人员、下放小型工具和材料，必要时也可用来提升矸石。
2.安全梯：一套。
3.风筒：胶质风筒两路。正常施工时，可用一路风筒通风，吹排炮烟时两路风筒同时使用。
4.压气管路：Φ219压气管一路。考虑两台伞钻或三台抓岩机同时工作，压气管路直径较大。
5.排水管：Φ108排水管一路。井筒主排水泵为卧泵。
7.供水管：Φ89排水管一路。
8.抓岩机：考虑井筒断面大，一次排矸量大，故布置三台全液压中心回转抓岩机。
9.其他：井筒布置中，除图1中所示的设施外，还布置有各种电缆、吊盘悬吊绳、模板及其悬吊绳、伞钻套钩绳等。
二、机械化配置
1.机械化配置原则：立井机械化配置原则是：安全高效、配套合理、节能环保。
机械化配置中，系统较多，这里只介绍几个主要方面。
1.提升与悬吊系统：提升与悬吊，包括提升机、稳车、吊桶、提升天轮等，其选型如表1所示。其他机械设备选型如表2。
提升：井筒提升采用三套提升设备。
主提：主提为两台2JKZ-5.0/20型提升机配8m3吊桶。主提专门用来提升矸石和下放混凝土。
由于主提升吊桶容积比较大，摘挂钩头较困难，故主提不使用座底罐。
下放混凝土采用4m3底卸式吊桶。
这里两台主提升机均选用2JKZ-5.0/20型双滚筒提升机的目的，是考虑二期工程混合改绞的需要。单井混合改绞时，一台提升机提升双罐，一台提升机提升双箕斗。如井筒施工完毕后不进行临时改绞，则主提升机可选用JKZ-5/20型单滚筒提升机；单改绞时，则2JKZ-5/20型提升机和JKZ-5/20型提升机各选一台。
經计算，主提升的提升能力如表3所示。
副提：副提为JK-3/20型提升机，吊桶选用3m3吊桶。副提主要用来升降人员和下放小型工具、材料，也可用于提升矸石。
钩头装置：根据主提升系统的选型计算，当用8m3吊桶提升矸石时并带水提升时，在装满系数为0.9的情况下，除钩头、滑架以外的最大荷载为17.93t，很接近18t，故选用21t钩头装置。
悬吊：模板选用四台JZ-25/1300稳车悬吊，吊盘为双层吊盘，并选用八台JZ-25/1300稳车悬吊，其余悬吊设备见表1所示。
为使吊盘及其他悬吊设施起落快速高效、平稳可靠，所有稳车均采用PLC可编程集中控制系统。该控制系统，可对各稳车的运行起到监控作用，可有效防止断绳、倾盘等事故的发生。
2.井架：在立井施工中，目前所使用的井架多为ⅣG型或Ⅴ型。而随着井筒直径的不断加大，ⅣG型或Ⅴ型井架已不能满足大直径井筒布置的要求。因此，中煤五公司和中煤矿山建设集团分别与不同的科研院所合作，研制的了不同的新型井架，即Ⅵ井架。
从两个公司Ⅵ井架天轮平台的平面尺寸看，中煤矿山建设集团的Ⅵ井架，较适合本方案。该Ⅵ井架主要技术参数为：二平台高度12m，天轮平台高度29m，天轮平台跨距9.5m，井架腿跨距18.85m，可承受8700kN的总荷载。
3.凿岩钻孔：目前，伞钻主要分为气动、全液压、气—液动几种。考虑气动伞钻噪音大、不经济，全液压钻机软岩容易卡钎，加以考虑井筒的最大钻孔荒径等因素，本方案中，选用XFJD8.12型伞形钻架。根据产品使用说明书的说明，该伞钻适合井筒直径Φ10m～Φ12m，单钻动臂范围为Φ1.7m～Φ13.5m，动力形式为风马达油泵，功率为8.8kw，工作压力为12MPa～14MPa，工作气压为0.5MPa～0.7MPa，耗风量为100m3/min，工作水压为0.3MPa～0.75MPa，适应钻杆长度为5.7m，推进行程为5.3m。
由于该井筒基岩段荒径比较大，单台伞钻不满足钻孔要求，故本方案使用两台独立伞钻进行双联连接（6）。
采用双联连接时，两台伞钻之间间距为3.4m，其布置如图2所示。
该双联系统中，每台钻架分别由导轨式独立回转凿岩机、推进器、动臂、调高器、立柱、安装架、摆动架、支撑臂、液压水气系统等部分组成。
伞钻双联连接时，通过安装在其中一台钻架上的连接机构与另一台钻架刚性连接，并保证工作过程中连接稳固，同时每台伞钻另外两个支撑臂分别支撑在井壁上，其夹角为120度。钻孔工作结束后，断开两钻架之间的连接，并顺序吊离工作面。
两台伞钻的双联连接时，不得防碍各吊桶的正常运行。
图2中，两个阴影部分每侧面积约为1.07m2，是用伞钻钻孔不能覆盖的部位，实施钻孔作业时，该部分需采用人工手抱锤进行钻孔。 4.装载：装载分为两个阶段，即风化带以上阶段和风化带及以下阶段。
风化带以上阶段，也即表土段：主要采用挖掘机和抓岩机装载，人工配合。由于表土段是直接出岩，且提升距离较短，装载的快慢是提高进度的关键，因此，机械化配置合理与否十分重要。考虑井筒空间，本方案选用小松PC130-7型挖掘机装载，其斗容为0.53m3。
风化带及以下阶段：采用抓岩机装载，挖掘机配合清底。
抓岩机：井筒中布置本套HZY-10型液压中心回转抓岩机（7）。该抓岩机的提升、变幅、回转等机构、抓斗为全液压驱动，各运动机构可通过操纵液控阀控制，并具有操作轻便灵活、工作平稳、抓岩能力强、抓取效率高的特点，达到安全、高效、节能、无噪的要求，即节约耗能，又改善作了业环境，是立井施工抓岩设备的更新换代产品。
根据HZY-10型液压中心回转抓岩机使用说明书的说明，该抓岩机的抓斗容积为1m3，生产能力为60m3/h，配套电动机功率为75kw，工作压力12MPa。三台抓岩机同时工作，完全满足提升量85.47m3/h的要求。
5.砌壁设备：砌壁模板采用下移式整体金属液压模板。模板高度与伞钻相配套，取为4.8m。
施工基岩时，模板由四大块组成，施工基岩段以上部分时，对模板进行对称加块。
由于井筒直径较大，为减少模板在施工过程中的变形、保证井筒规格尺寸，模板设计时应经过强度验算。
6.混凝土攪拌系统：井筒下放混凝土采用4m3底卸式吊桶。为使搅拌机的生产能力与底式吊桶容积相匹配，搅拌系统中，配置两台出料容量为4m3的JS4000型搅拌机，与搅拌机配套的配料机选用PLD4800型，数量一台。
7.压气系统：压气系统包括空气压缩设备和管网。
空气压缩机：根据计算，两台伞钻同时工作时，总耗风量为160m3/min，需四台40m3/min空气压缩机同时运行，考虑设备的通用性，并考虑备用及检修，系统中配置40m3/min螺杆式空气压缩机六台，并设置20m3/min螺杆式空气压缩机两台作配风用。
空气管网：立井施工压气管网比较简单，应就是从空气压缩机房到井筒工作面。根据计算，所需压气管路的内径为161mm，实际配用管路为Φ219无无缝钢管。
8.通风系统：根据井筒布置图，施工期间井筒内布置Φ1.2m胶质风筒两路。正常施工时，采用单路通风，吹排炮烟时，为缩短吹排炮烟时间，可采用双路通风。配套风机选用2×55kw对旋风机，采用压入式通风。
三、供电配套方案
目前，煤矿基本建设单位的高压设备有80%以上是6kV供电，在一次电源为10kV的情况下，必须增设10/6kV供电变压器和相应控制开关，结果使变电所占地面积增大，也增加了资金投入，而且还提高了事故率。
在本井筒的施工配置中，由于各系统选型较大，其所需动力也较大，因此，为提高供电的可靠性，减少中间环节和节约投资，供电系统中，高压设备（如提升机、空气压缩机、排水等），一律采用10kV供电，井筒低压和局部通风选用0.66kV电压等级，地面供电则选用0.38kV电压等级。
据统计，系统的总装机容量达7520kw，使用容量为6670kw，是目前为止单井装机容量最大的项目之一。
供电设备选用开闭所和箱式变电站。
四、特大井筒布置及机械化配套特点
从井筒布置及机械化配套方案上看，该立井井筒的布置及机械化配套，与一般立井施工井的筒布置大同小异，区别不大，但细致看来，有些方面有着实质上的不同。根据以上叙述，这里有两个方面的体现：
第一个体现是大：井架大、主提升机大、吊桶大、钩头大、风筒大、搅拌站容量大、单井供电要求能力大。
第二个体现是多。提升、悬吊设备多、伞钻多、抓岩机多、吊盘悬吊绳多。
大与多的特点，正体现了现代立井施工配置的发展趋势。
五、结束语
立井施工中，无论井筒直径的大小，也不论其深与浅，设备配置原则是一样的。在该井筒施工中，虽然设备配置较多，生产能力也较大，但合理的施工组织及科学的管理，才是提高进度、保障安全和质量最关键的方面。
注释：1.（1）、（4）：2JKZ-5/20型提升机和TZG3500型提升天轮，由中煤矿山建设集团有限责任公司与洛阳中信重工机械股份有限公司联合研制，并由洛阳中信重工机械股份有限公司生产。
2. （2）、（3）、（5）：由中煤矿山建设集团机电安装处机厂研制和生产。
3.（6）、（7）：到目前为止，在一个井筒内同时布置两台伞形钻架和布置三台中心回转抓岩机，只中煤五公司三处和中煤矿山建设集团七十一处在极少数立井井筒施工中应用过。
[关键词]特大 布置 机械化
中图分类号：F407.42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0001-02
作为目前国内设计井筒净直径最大的立井井筒，新疆某地特长调水涵洞深部措施井，设计井筒深度650m，井筒净直径12m，最大荒径16.4m。
由于该立井井筒净直径大，井筒的合理布置及其机械化配套，不仅体现施工单位的装备水平和综合实力，也是实施快速施工的重要保障。
一、井筒布置方案
井筒布置中，考虑井筒净直径为12m，空间上为布置大型设备提供了方便。具体方案如图1所示。
1.提升：布置了三套提升设备，其中8m3吊桶两套，作为主提升，主要用来提升矸石和下放混凝土；3m3吊桶一套，作为辅助提升，主要用来上下人员、下放小型工具和材料，必要时也可用来提升矸石。
2.安全梯：一套。
3.风筒：胶质风筒两路。正常施工时，可用一路风筒通风，吹排炮烟时两路风筒同时使用。
4.压气管路：Φ219压气管一路。考虑两台伞钻或三台抓岩机同时工作，压气管路直径较大。
5.排水管：Φ108排水管一路。井筒主排水泵为卧泵。
7.供水管：Φ89排水管一路。
8.抓岩机：考虑井筒断面大，一次排矸量大，故布置三台全液压中心回转抓岩机。
9.其他：井筒布置中，除图1中所示的设施外，还布置有各种电缆、吊盘悬吊绳、模板及其悬吊绳、伞钻套钩绳等。
二、机械化配置
1.机械化配置原则：立井机械化配置原则是：安全高效、配套合理、节能环保。
机械化配置中，系统较多，这里只介绍几个主要方面。
1.提升与悬吊系统：提升与悬吊，包括提升机、稳车、吊桶、提升天轮等，其选型如表1所示。其他机械设备选型如表2。
提升：井筒提升采用三套提升设备。
主提：主提为两台2JKZ-5.0/20型提升机配8m3吊桶。主提专门用来提升矸石和下放混凝土。
由于主提升吊桶容积比较大，摘挂钩头较困难，故主提不使用座底罐。
下放混凝土采用4m3底卸式吊桶。
这里两台主提升机均选用2JKZ-5.0/20型双滚筒提升机的目的，是考虑二期工程混合改绞的需要。单井混合改绞时，一台提升机提升双罐，一台提升机提升双箕斗。如井筒施工完毕后不进行临时改绞，则主提升机可选用JKZ-5/20型单滚筒提升机；单改绞时，则2JKZ-5/20型提升机和JKZ-5/20型提升机各选一台。
經计算，主提升的提升能力如表3所示。
副提：副提为JK-3/20型提升机，吊桶选用3m3吊桶。副提主要用来升降人员和下放小型工具、材料，也可用于提升矸石。
钩头装置：根据主提升系统的选型计算，当用8m3吊桶提升矸石时并带水提升时，在装满系数为0.9的情况下，除钩头、滑架以外的最大荷载为17.93t，很接近18t，故选用21t钩头装置。
悬吊：模板选用四台JZ-25/1300稳车悬吊，吊盘为双层吊盘，并选用八台JZ-25/1300稳车悬吊，其余悬吊设备见表1所示。
为使吊盘及其他悬吊设施起落快速高效、平稳可靠，所有稳车均采用PLC可编程集中控制系统。该控制系统，可对各稳车的运行起到监控作用，可有效防止断绳、倾盘等事故的发生。
2.井架：在立井施工中，目前所使用的井架多为ⅣG型或Ⅴ型。而随着井筒直径的不断加大，ⅣG型或Ⅴ型井架已不能满足大直径井筒布置的要求。因此，中煤五公司和中煤矿山建设集团分别与不同的科研院所合作，研制的了不同的新型井架，即Ⅵ井架。
从两个公司Ⅵ井架天轮平台的平面尺寸看，中煤矿山建设集团的Ⅵ井架，较适合本方案。该Ⅵ井架主要技术参数为：二平台高度12m，天轮平台高度29m，天轮平台跨距9.5m，井架腿跨距18.85m，可承受8700kN的总荷载。
3.凿岩钻孔：目前，伞钻主要分为气动、全液压、气—液动几种。考虑气动伞钻噪音大、不经济，全液压钻机软岩容易卡钎，加以考虑井筒的最大钻孔荒径等因素，本方案中，选用XFJD8.12型伞形钻架。根据产品使用说明书的说明，该伞钻适合井筒直径Φ10m～Φ12m，单钻动臂范围为Φ1.7m～Φ13.5m，动力形式为风马达油泵，功率为8.8kw，工作压力为12MPa～14MPa，工作气压为0.5MPa～0.7MPa，耗风量为100m3/min，工作水压为0.3MPa～0.75MPa，适应钻杆长度为5.7m，推进行程为5.3m。
由于该井筒基岩段荒径比较大，单台伞钻不满足钻孔要求，故本方案使用两台独立伞钻进行双联连接（6）。
采用双联连接时，两台伞钻之间间距为3.4m，其布置如图2所示。
该双联系统中，每台钻架分别由导轨式独立回转凿岩机、推进器、动臂、调高器、立柱、安装架、摆动架、支撑臂、液压水气系统等部分组成。
伞钻双联连接时，通过安装在其中一台钻架上的连接机构与另一台钻架刚性连接，并保证工作过程中连接稳固，同时每台伞钻另外两个支撑臂分别支撑在井壁上，其夹角为120度。钻孔工作结束后，断开两钻架之间的连接，并顺序吊离工作面。
两台伞钻的双联连接时，不得防碍各吊桶的正常运行。
图2中，两个阴影部分每侧面积约为1.07m2，是用伞钻钻孔不能覆盖的部位，实施钻孔作业时，该部分需采用人工手抱锤进行钻孔。 4.装载：装载分为两个阶段，即风化带以上阶段和风化带及以下阶段。
风化带以上阶段，也即表土段：主要采用挖掘机和抓岩机装载，人工配合。由于表土段是直接出岩，且提升距离较短，装载的快慢是提高进度的关键，因此，机械化配置合理与否十分重要。考虑井筒空间，本方案选用小松PC130-7型挖掘机装载，其斗容为0.53m3。
风化带及以下阶段：采用抓岩机装载，挖掘机配合清底。
抓岩机：井筒中布置本套HZY-10型液压中心回转抓岩机（7）。该抓岩机的提升、变幅、回转等机构、抓斗为全液压驱动，各运动机构可通过操纵液控阀控制，并具有操作轻便灵活、工作平稳、抓岩能力强、抓取效率高的特点，达到安全、高效、节能、无噪的要求，即节约耗能，又改善作了业环境，是立井施工抓岩设备的更新换代产品。
根据HZY-10型液压中心回转抓岩机使用说明书的说明，该抓岩机的抓斗容积为1m3，生产能力为60m3/h，配套电动机功率为75kw，工作压力12MPa。三台抓岩机同时工作，完全满足提升量85.47m3/h的要求。
5.砌壁设备：砌壁模板采用下移式整体金属液压模板。模板高度与伞钻相配套，取为4.8m。
施工基岩时，模板由四大块组成，施工基岩段以上部分时，对模板进行对称加块。
由于井筒直径较大，为减少模板在施工过程中的变形、保证井筒规格尺寸，模板设计时应经过强度验算。
6.混凝土攪拌系统：井筒下放混凝土采用4m3底卸式吊桶。为使搅拌机的生产能力与底式吊桶容积相匹配，搅拌系统中，配置两台出料容量为4m3的JS4000型搅拌机，与搅拌机配套的配料机选用PLD4800型，数量一台。
7.压气系统：压气系统包括空气压缩设备和管网。
空气压缩机：根据计算，两台伞钻同时工作时，总耗风量为160m3/min，需四台40m3/min空气压缩机同时运行，考虑设备的通用性，并考虑备用及检修，系统中配置40m3/min螺杆式空气压缩机六台，并设置20m3/min螺杆式空气压缩机两台作配风用。
空气管网：立井施工压气管网比较简单，应就是从空气压缩机房到井筒工作面。根据计算，所需压气管路的内径为161mm，实际配用管路为Φ219无无缝钢管。
8.通风系统：根据井筒布置图，施工期间井筒内布置Φ1.2m胶质风筒两路。正常施工时，采用单路通风，吹排炮烟时，为缩短吹排炮烟时间，可采用双路通风。配套风机选用2×55kw对旋风机，采用压入式通风。
三、供电配套方案
目前，煤矿基本建设单位的高压设备有80%以上是6kV供电，在一次电源为10kV的情况下，必须增设10/6kV供电变压器和相应控制开关，结果使变电所占地面积增大，也增加了资金投入，而且还提高了事故率。
在本井筒的施工配置中，由于各系统选型较大，其所需动力也较大，因此，为提高供电的可靠性，减少中间环节和节约投资，供电系统中，高压设备（如提升机、空气压缩机、排水等），一律采用10kV供电，井筒低压和局部通风选用0.66kV电压等级，地面供电则选用0.38kV电压等级。
据统计，系统的总装机容量达7520kw，使用容量为6670kw，是目前为止单井装机容量最大的项目之一。
供电设备选用开闭所和箱式变电站。
四、特大井筒布置及机械化配套特点
从井筒布置及机械化配套方案上看，该立井井筒的布置及机械化配套，与一般立井施工井的筒布置大同小异，区别不大，但细致看来，有些方面有着实质上的不同。根据以上叙述，这里有两个方面的体现：
第一个体现是大：井架大、主提升机大、吊桶大、钩头大、风筒大、搅拌站容量大、单井供电要求能力大。
第二个体现是多。提升、悬吊设备多、伞钻多、抓岩机多、吊盘悬吊绳多。
大与多的特点，正体现了现代立井施工配置的发展趋势。
五、结束语
立井施工中，无论井筒直径的大小，也不论其深与浅，设备配置原则是一样的。在该井筒施工中，虽然设备配置较多，生产能力也较大，但合理的施工组织及科学的管理，才是提高进度、保障安全和质量最关键的方面。
注释：1.（1）、（4）：2JKZ-5/20型提升机和TZG3500型提升天轮，由中煤矿山建设集团有限责任公司与洛阳中信重工机械股份有限公司联合研制，并由洛阳中信重工机械股份有限公司生产。
2. （2）、（3）、（5）：由中煤矿山建设集团机电安装处机厂研制和生产。
3.（6）、（7）：到目前为止，在一个井筒内同时布置两台伞形钻架和布置三台中心回转抓岩机，只中煤五公司三处和中煤矿山建设集团七十一处在极少数立井井筒施工中应用过。