摘 要 济宁3号井为特大型现代化矿井，其副井利用永久井架凿井中，针对井筒断面大、机械化配套齐全、吊盘荷载大、永久井架平台可利用面积小、地面布置空间狭窄等条件限制，采取了一整套合理优化布置设计，取得了较好效果。
关键词 永久井架 凿井设施 优化布置
济宁3号井副井合理利用永久井架，进一步优化井筒悬吊布置，妥善解决了井架和井筒布置及凿井设施设置之间的关系，减少了临时设施的安装拆除工作，取得了较好地效果，为大型矿井的开发和建设提供了经验。其凿井示意图见图1。
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图1 济宁3号井副井凿井示意
1—永久井架；2—翻矸平台；3—吊盘；4—主提绞车；5—副提绞车；6-滑轮
1 井筒施工方案
济宁3号井是一座特大型现代化矿井，设计年产量5Mt。副井井筒净直径8m，总深613m，为缩短建井工期，减少副井永久改装时间，利用永久井架凿井。井筒表土及基岩含水段采用冻结法施工。整个井筒按垂深分为三大段，即冻结表土段、冻结基岩段、基岩段。冻结表土段设计为双层井壁，采用短段掘砌外壁施工，使用金属刃脚模板，管子下料；冻结基岩段外壁网喷支护。冻结段内壁采用液压滑模，底卸式吊桶下料。基岩段短段掘砌，采用YJM型液压整体下滑模板砌壁。井筒排水采用80DGL-75×10型吊泵两台。井筒表土段出矸采用人工挖掘装卸，基岩段采用中心回转抓岩机。井筒提升采用主、副提3m3吊桶各1套。
2 永久井架的合理利用
利用永久井架凿井已成为一项推广应用的新技术。在3号井副井施工中利用永久井架凿井，较好地解决了天轮平台、倒矸台的设置问题，通过近10余个月的使用表明，其各项技术指标均达到了大型凿井井架的技术水平。
济宁3号井副井永久井架设计为L-A型箱式结构，空间框架体系，总质量305.65t，底跨距为24m×18m，共设4层永久提升平台，其标高分别为+25.45m，+31.95m，+38.95m和+44.95m。利用+25.45m平台作为凿井天轮平台，在架腿底部+12m处设置倒矸台。设计要求各凿井平台布置时不得损坏井架外观和结构。
2.1 凿井天轮平台设置
井架+25.45m平台为“日”字型结构，南北钢梁中心距10.08m，东西钢梁中心距7.927m，永久出绳方向布置在平台南侧。顾及地面永久工程的施工，将所有天轮布置于平台东西两侧。天轮的出绳均以加高轴承座为主，尽量减少使用导向轮。对于大直径风筒悬吊设施，其双绳悬吊中心线与井筒平面中心线倾斜，由常规悬吊中心尺寸的1 060mm缩小为270mm，主悬吊轮前后错开，减少了空间占用位置。在6.5m×6.7m范围实现了单层平台布置天轮。平台钢梁布置借助井架东西两边梁、中间轴承座(永久)位置，分别设置L-1，L-2，L-3和L-4四根平台主梁。主梁用80号组合工字钢，副梁根据天轮布置依次生根于4根主梁上面。平台主梁与永久井架边梁、主梁与副梁间均采用U型卡联接，使井架外型不受影响。
2.2 倒矸台设置
2.2.1 倒矸台设置型式优选
倒矸台的设置方式目前有两种：一种为利用内套架法，另一种为临时井架套装法。前者施工工序复杂，平台可利用面积太小，技术要求高，安全隐患较多，往往需改变原设计，井筒施工筹备时间延长，使用中的维护和使用后的恢复量大，占用井口空间，降低使用率，不可避免地影响井筒作业机械化设施效率；后者则增加临时井架的安装及拆除量，延长井筒施工筹备时间和永久安装准备时间，占用工期较长。两种型式的共同优点是倒矸台的设置与永久井架联接较少，架腿受力小，可较好地满足设计要求。经过研究与核算，副井倒矸台设置采用架腿临时卡固、天轮平台吊拉方式，合理地解决了平台与井架、井口的关系。倒矸溜槽的固定方式打破了传统的四柱式框架支承方式，采用伞型桁架式架腿支承、平台边梁斜拉方式固定，最大限度地扩大了井口使用面积，达到了四柱式框架的支承效果，见图2。
2.2.2 倒矸台结构设计优化
在井架+12m处设置倒矸台，其架腿跨距为17.705m×13.468m，设置结构为首先在每个架腿+12m处用4条M48螺栓分别固定4个牛腿，在沿17.705m跨距方向设置型钢钢梁两根。此钢梁选型打破了常规结构设计，以钢梁截面为目标函数，钢梁受力按承受水平荷载为主，垂直荷载只考虑吊杆设立前平台初期的平面荷载，由此选型为56号工字钢。以井筒中心线为基准，在工字钢梁上南北对称5m处插接两根40号槽钢组合梁，形成13.468m×10m的平台框架，然后根据井筒平面悬吊布置辅以一定数量的小梁，形成倒矸台。平台吊点尽量靠近受力集中点。在倒矸门两侧离提升中心3.5m处分别设φ108mm吊杆1根，吊杆两端用M16螺栓固定在倒矸台溜槽主横梁及天轮平台副梁上，完善了正常倒矸使用的力系约束，保证了平台的安全使用。
倒矸溜槽的固定采用支承与吊拉相结合的方式，在溜槽两主梁上用25号工字钢作拉杆，固定于平台边梁相应位置。 |
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图2 济宁3号井二层平台示意
1—吊杆，φ108mm钢管；2—牛腿；
3—拉杆；4—伞形桁架
3 凿井设施的优化布置
3.1 井筒作业吊盘设置
3.1.1 吊盘悬吊型式优选
为满足施工方案要求，吊盘设计为3层盘：上层为保护盘，中层为混凝土浇筑用盘，下层为中心回转抓岩机、水箱安装用盘。吊盘悬吊方式有两种，一为双绳悬吊，另一为多绳悬吊。吊盘终端荷载达619.45kN，若采用普通双绳悬吊，考虑1.15的不平衡系数，单绳受力达356.18kN，所需钢丝绳规格为16.01kg/m，悬吊用稳车至少应满足454.95kN的能力；而现有6×37型钢绳使用规格一般不超过6×37-52型，最大规格为6×37-65型，其质量为14.74kg/m，稳车悬吊能力最大为400kN(JZM-40型)，所用稳车及钢丝绳已超出现有规格，双绳悬吊无法实现。采用多绳悬吊需选用JZM-25型稳车4台，盘面主悬吊绳4根，悬吊钢丝绳选用6×37-52型，按常规设计满足施工方案的地面稳车悬吊台数至少18台，平台天轮数量至少增加8套，因此造成天轮平台单层布置困难，实行双层或多层布置，增加钢材使用量和安装工程量，地面提绞布置至少三面完成，占用永久绞车房位置，增加大临工程量，延长建井工期，且吊盘悬吊稳车多，升降吊盘困难，操作繁琐，影响井筒施工速度。经研究，吊盘悬吊方式采用动滑轮悬吊、吊盘绳兼稳绳的方式，见图3。悬吊稳车采用JZM-25/800型两台，钢绳选用6×37-52-155型。 |
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图3 济宁3号井副井吊盘布置
1—盘体；2—动滑轮；3—缓冲立柱；4—缓冲垫
3.1.2 吊盘结构型式设计
吊盘在井筒施工中不仅作为作业盘，还起到保护作业人员安全的作用。其悬吊装置及本身结构必须满足安全规程的要求。吊盘悬吊荷载619.45kN、悬吊钢绳为6×37-52型的情况下，一般动滑轮在设计制造加工上已难于实现，故选用了φ1 040mm悬吊天轮，保证了安全。动滑轮的安装有两种方式，一种安装于吊盘上面，安装简单方便，操作维修容易，但在盘面上难于得到保护，且钢绳裸露于盘面，容易损伤；另一种则安装于吊盘上层盘面之下，安装困难，操作维护不便，但在盘面下安装可利用吊盘上层盘铺板作保护板，钢绳不致于损伤。因此，选用动滑轮安装于盘面下方的方式。
动滑轮的使用，决定了吊盘的特殊结构，即吊盘主梁设计为双梁结构，经选型为36号工字钢。立柱设计为型钢桁架结构，骨架选用18号槽钢外加10mm厚的缀板组合，骨架跨度与主梁对应，以实现U型板卡和夹板联接，增加吊盘的整体联接强度。
3.1.3 滑架支承立柱设计
动滑轮悬吊吊盘、吊盘绳兼稳绳的实施，导致滑架在吊桶穿越吊盘时，传统的稳绳缓冲器已不能使用，需在稳绳穿越吊盘位置制做特殊结构以支承滑架。在此设计中，缓冲结构由16号槽钢对口卡固底脚，用4条M12螺栓生根于吊盘钢梁上，高度设计为3 500mm，立柱上端增设20mm厚橡胶垫4层，以作缓冲。
3.1.4 吊盘绳固定端在天轮平台的设置
吊盘绳的固定端采用弧形块过度，板卡卡固。固定端与提升端交叉设置，提升侧与固定侧力差在提升中形成力偶矩只能使吊盘轻微晃动，因此，可保证安全提升。
3.2 稳车集中控制
根据矿车初步设计安排，为缩短建井时间，在副井井筒施工的同时，安排井筒周围地面生产、生活系统的施工。按此安排，地面凿井布置必须避开永久位置。井口以南为永久绞车房，井口以北为联合福利建筑，地面提绞只能沿东西方向布置。根据井筒施工方案，东西面需布置主副提绞车各1台、悬吊稳车12台，由于东西方向均有综合管沟限制，按常规的方式难以布置。因此，采用稳车集中控制，最大限度地缩小稳车布置间距，在规程允许的情况下联合悬吊以缩小占用面积，较好地解决了场地狭小的矛盾。
4 经济效果
动滑轮悬吊吊盘和吊盘绳兼稳绳、架腿临时卡固和天轮平台吊拉倒矸台、稳车集中控制的实施，均不同程度地减少了大临工程，共计节省资金85.5万元，详见附表。
附表 3号井优化凿井设施布置的经济效益 |
| 方案名称 |
减少工程项目 |
节约费用 |
备 注 |
| 费用名称 |
金额/万元 |
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(1)JZ2-16/800型稳车安装4台
(2)JZM-25/800型稳车安装2台 |
安装费 |
19.1 |
动滑轮
悬吊吊盘 |
(3)吊盘悬吊天轮φ1 040mm 4套
(4)稳绳悬吊天轮φ1 000mm 4套
(5)钢梁安装约计4.3t |
租赁费
拆除费
设备基础 |
15.4
8.7
8.3 |
租赁费按设备
开始安装算起
计15个月 |
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(6)6×37-32-155型稳绳钢绳12.342t，
6×37-52-155型吊盘绳1.9t |
材料费 |
17.4 |
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架腿临时
固定， 天
轮平台吊
拉倒矸台 |
(1)V型内装井架1座(下部)
(2)节省钢材1.2t |
安装费
租赁费
拆除费
设备基础
材料费 |
1.4
2.3
0.7
2.2
0.6 |
与井架套装法
比较 |
| 稳车集控 |
(1)稳车棚建筑面积180m2
(2)减少运行人员每班按4人计 |
工程费
人工费 |
1.8
7.6 |
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动滑轮悬吊吊盘、吊盘绳兼作稳绳能保证稳绳张力，运行安全可靠，稳车集中控制操作简单，升降容易，打破先下稳绳、再松吊盘、最后调整稳绳的3步操作顺序，节省升降吊盘时间，加快井筒施工速度；倒矸台的设置，减少大临工程安装工期和副井装备准备时间。
本项目的实施预计可提前工期2～3个月，若按早投产计算，此效益更为可观。
5 结 语
从3号井的实施效果看，本项目达到了国内先进水平，特别是动滑轮悬吊吊盘、吊盘绳兼稳绳方案，简化了凿井悬吊布置，有效地降低了悬吊稳车、钢绳规格，可广泛应用于大中型矿井建设和生产矿井改扩建之中。
架腿临时固定、天轮平台吊拉方式设置倒矸台，在利用永久井架凿井中可作为优选方案
作者单位：山东济宁市任城区石桥乡3号矿井，272169 |
