千万吨级主井高速大载重提升技术研究与应用.pdf

摇2024 年 2 月第 53 卷摇 第 1 期中国矿山工程China Mine Engineering摇 摇提升运输千万吨级主井高速大载重提升技术研究与应用Research and Application of High Speed and Large Load HoistingTechnology for Ten Million Tons Main Shaft李浩宇,徐长磊,韩瑞军,施士虎,杜贵文,徐广译(中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038)摘摇 要:以千万吨级冶双超冶矿山 思山岭铁矿主井提升系统建设为背景,从主井提升系统方案、竖井提升运行安全间隙研究、大型化提升技术装备应用、大型主井井塔布置等方面综合论述了主井提升系统参数确定所开展的研究工作以及设计建设采用的新技术、新装备。思山岭铁矿主井提升系统的建设将对我国类似矿山竖井高速大载重提升系统的建设实施具有较强的标杆示范意义。关键词:千万吨级;高速;大载重;安全间隙;主井提升中图分类号:TD532摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:1672鄄鄄609X(2024)01鄄鄄0053鄄鄄07作者简介 李浩宇(1979),男,辽宁北票人,正高级工程师,主要从事矿山工程咨询设计与研究工作。引用格式 李浩宇,徐长磊,韩瑞军,等.千万吨级主井高速大载重提升技术研究与应用J.中国矿山工程,2024,53(1):53-59.Abstract:Based on the construction of main shaft hoisting system in Sishanling Iron Mine,a ten鄄million鄄ton“double super冶 mine,thispaper comprehensively discusses the research work carried out in determining the parameters of main shaft hoisting system and the newtechnology and equipment adopted in design and construction from the aspects of main shaft hoisting system scheme,shaft hoistingoperation safety clearance research,large鄄scale hoisting technical equipment application and large鄄scale main shaft tower layout.Theconstruction of main shaft hoisting system in Sishanling Iron Mine will have a strong benchmark demonstration significance for theconstruction and implementation of high speed and heavy load hoisting system in similar mines in China.Key words:ten million tons;high speed;large load;safety clearance;main shaft hoisting1摇 前言伴随经济高速发展对矿产资源,尤其是铁矿石资源的需求迅猛增长,浅部、易采、易选的矿产资源已大幅减少,开采深地资源向更深部的难开采矿床进军变得迫切和重要。随着矿山开采深度逐渐加深,开采规模不断加大,对竖井高速、大载重提升技术与装备开展研究与应用落地迫在眉睫。思山岭铁矿作为目前国内探明登记的最大单体铁矿,是亚洲第一深井超大型铁矿,同时也是国家“基石计划冶的重要支撑项目和“超大规模、超深井冶(双超)课题研究的依托矿山。作为近年来国内最具代表性的第一批“双超冶矿山,其主井高速、大载重提升系统建设实施对行业发展起到引领作用。2摇 矿山概况思山岭铁矿位于辽宁省本溪市东南郊南芬区思山岭乡,交通十分便利。思山岭铁矿床规模大,品位中等,埋藏深,更加适合于地下开采。矿山一期生产规模为 1 500 万 t/a,二期远景规模达到3 000 万 t/a。矿山采用主副井开拓,一期工程一次规划,分步实施。前期建设 1 号主井和副井,形成 750 万 t/a生产规模。前期投产后,后期建设 2 号主井增加750 万 t/a 生产规模,最终形成 1 500 万 t/a 的生产规模。目前,1 号主井井塔已经安装调试完成,并投35中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)入了生产使用;2 号主井井塔也已经完成建设。矿山也已经全面进入试生产阶段。3摇 主井提升系统方案提升系统是矿井生产系统中的重要环节,是联系地面和井下的“咽喉冶,主井提升系统更是保障矿井生产能力的关键所在。对于提升系统的建设方案,思山岭铁矿在可研、初步设计阶段进行了大量、详实的开拓提升方案比选工作,研究了三条主井提升方案、两条主井提升方案、混合竖井提升方案、胶带斜井提升方案等。结合矿山一期工程生产规模以及一期工程分期建设实施思路,并考虑到项目早投产、首采中段开采深度、提升装备技术水平等方面的因素,综合比较确定矿山一期工程建 设 两 条 主 井 提 升 方 案,即 每 条 主 井 担 负750 万 t/a 矿石提升任务。前期建设 1 号主井井筒直径 6郾 3 m。主井井口标高+228 m,井底标高-1 277 m,井筒深度达到了1 505 m。主井提升高度为 1 47 8m。在井筒内配置30 m3双箕斗,采用钢丝绳柔性罐道,6 根首绳5 根尾绳。主井提升采用塔式布置,地表井塔内设置罐道绳固定装置,井底设置罐道绳重锤拉紧装置。井塔大厅层设置规格为 准6郾 75 m 伊6 塔式多绳摩擦提升机,交流同步大功率双电机低速直联驱动,电机功率为 6 500 kW 伊2,采用交直交变频调速。1 号主井提升系统选型参数见表 1。思山岭铁矿作为目前国内最具代表性的深井大规模矿山,主井提升系统设计、建设在很多方面已然达到了国际领先水平,具有以下几大特点。(1)竖井深。主井井筒深度达到 1 505 m,提升高度达到 1 478 m。(2)规模大。年提升任务 750 万 t/a,日提升任务 22 728 t/d。(3)高速度。最大提升速度超过 18 m/s。(4)大载重。箕斗有效载重可达 55 t。(5)大型化提升机。塔式多绳摩擦提升机规格准6郾 75 m 伊6。(6)大功率双电机。交流同步双电机低速直联传动,功率 6 500 kW 伊2。4摇 提升安全间隙研究4郾 1摇 提升容器侧向气动压力模拟侧向空气动力是引起钢丝绳罐道提升容器摆动的主要因素之一。为研究计算井筒内提升容器的侧表 1摇 主井提升系统参数表内容单位数值矿石提升任务t/d22 728井口标高m228装矿胶带道标高m-1 202最大提升高度m1478矿石松散密度t/m32郾 357提升方式双箕斗提升箕斗容积m330箕斗质量kg55 000箕斗载量kg55 000型式多层股抗旋转数量根6首绳直径mm准56每米质量kg/m15郾 26抗拉强度N/mm21 960型式多层股抗旋转数量根5尾绳直径mm66每米质量kg/m18郾 32抗拉强度N/mm21 570提升系统最大静张力kN2 482提升系统最大静张力差kN540型号6郾 75 m 伊6 m提升机卷筒直径mm6 750导向轮直径mm6 000型式交流同步电动机功率kW6 500 伊2电压V3 150最大提升速度m/s18郾 025向气动压力,需要考虑井筒中提升容器的活塞效应。竖井井筒是一有限空间,在提升容器运动过程中,提升容器前方的空气被推动向前,产生活塞作用效应;提升容器后方由于提升容器运行的诱导作用,产生诱导风流跟随向前;井筒中提升容器周围的空气被推动和诱导而随提升容器前进方向相对流动,这种气流的动力学现象可称之为井筒提升容器的活塞效应。提升容器升降运动产生的活塞效应,会造成井筒内气流和气压的动态变化,气流和气压的变化在提升容器不同侧面产生动态变化的压力。在各侧面气动压力的作用下,提升设备会朝向压力较小的一45摇第 1 期李浩宇等:千万吨级主井高速大载重提升技术研究与应用侧摆动。采用流体分析软件模拟提升容器沿钢丝绳罐道在井筒中的运行过程,模拟井筒内空气流场变化,并对侧向气动压力进行监控和分析。计算选取有限范围井筒 200 m 段作为计算模型如图 1 所示,箕斗 1 上行,箕斗 2 下行,井筒内回风速度 2 m/s,风流方向从井筒底部至井筒顶部。对计算模型进行解算分析如图 2 所示。图 1摇 计算模型摇对 2 s 时井筒内的流场变化进行分析,此时两箕斗相距离 94 m。箕斗相会前,井筒内箕斗 1 的顶端区域压强为正值,箕斗 1 的侧面区域和底端区域压强均为负值;箕斗 2 的底端区域压强为正值,箕斗2 的侧面区域和顶端区域压强均为负值;且井筒内压强分布是关于 y 轴大致是对称的。4 s 时井筒内的流场变化进行分析,此时两箕斗已相会。箕斗相会时,箕斗 1 和 2 不同截面上压强变化较大,且井筒内压强分布是关于 y 轴大致是对称的。以上对压强云图分析表明:X 方向的压强分布近似对称分布,Y方向的压强分布随着箕斗运行而剧烈变化。空气动力对井筒内提升容器的作用根据方向的不同可分为竖向力和侧向力;竖向力与提升钢丝绳的拉力相比差距巨大,且不影响容器的水平偏移,可不考虑。空气动力对容器的侧向力按作用状态分为容器正常运行时的稳态空气动力和空气冲击动力。在箕斗运行过程中,箕斗相会前和相会后箕斗运行时所受的侧向空气动力即属于稳态空气动力,箕斗相会过程中所受的空气动力即属于空气冲击动力。空气冲击动力较稳态空气动力大,但由于其作用时间很短,两容器相会过程中,还会出现空气冲击动力的反向作用,根据模拟分析对容器偏移影响较小,有研究资料表明此偏移量仅为 2 5 mm。14郾 2摇 提升容器水平偏移安全间隙钢丝绳柔性罐道在矿山竖井提升中应用广泛,具有高速运行平稳、可靠、通风阻力小等优点。但对于深井提升,较长的钢丝绳罐道系统的横向刚度较弱,使得提升容器易发生横向偏移。如果提升容器与井壁、井梁及容器之间的间隙过小,就会增加提升容器与之相撞的风险,危及提升安全。但随着提升规模及井筒深度的增加,提升终端荷载及提升速度都较过去有较大提高,钢丝绳罐道提升容器的摆动幅度增大,钢丝绳罐道安全间隙的规定用于超深竖井提升时应进行调整。有色金属矿山井巷工程设计规范(GB 509152013)中4郾 2郾 4 内容如下:“竖井深度、提升终端荷载、提升速度大的井筒,采用钢丝绳罐道的安全间隙应适当加大冶。但是,目前定量确定超深井钢丝绳罐道提升容器摆动和确定安全间隙缺乏必要的理论支撑和工程实践依据。为确定思山岭铁矿主井提升钢丝绳罐道提升容器安全间隙,结合中国恩菲在超深井提升领域相关研究结论和国内外研究成果,双箕斗提升运行过程中对于提升容器水平偏移影响因素主要包括稳态空气动力引起的容器横向位移、科氏力引起的容器横向位移、提升钢丝绳扭转力矩引起的容器横向位移。计算影响提升容器摆动的主要因素水平摆动位移,各影响因素对提升容器水平偏移影响见表 2。容器偏向井壁的横向总计算位移见式(1)。DP=DA+DC+DY+其他位移=46+92+208=346 mm(1)容器之间的横向总计算位移见式(2)。DP=容器 1骔DA+DC+DY+其他位移夜-容器 2骔DA+DC+DY+其他位移夜(2)容器之间的横向总计算位移考虑容器运行最不利情况时的位移组合,由于容器 A、B 空气动力引起横向位移均偏向井壁,计算位移时只取两容器由科氏力和钢丝绳扭转引起的位移计算见式(3)。DP=(92+46)-(-92-46)=276 mm(3)55中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)图 2摇 井筒中 2 s(未相遇)和 4 s(相遇)横截面压强解算云图摇表 2摇 提升容器水平偏移影响因素空气动力 DA科氏力 DC钢丝绳扭转 DY位移/mm208依9246(1郾 7毅)摇 摇 设计提升容器安全间隙见式(4)。DN=DP酌R+DX(4)式中:酌R为安全间隙系数,箕斗提升正向碰撞取2郾 0,侧向碰撞取 1郾 5;DX为安全间隙允许误差,取50 mm。故提 升 容 器 与 井 壁 设 计 安 全 距 离 计 算 见式(5),提升容器与容器之间的设计安全距离计算见式(6)。DN=DP酌R+DX=1郾 5 伊346+50=569 mm(5)DN=DP酌R+DX=2郾 0 伊276+50=602 mm(6)提升容器实设计安全间隙取值和井筒断面如图3 所示。设计井筒断面时,除了考虑以上计算得出的容器与井壁设计安全距离以及容器与容器之间的设计安全距离外,还需考虑提升设备合理布置、尾绳环弯曲的需要等。综合考虑以上因素,井筒实际断面中容器与井壁的安全距离为 583 mm;容器与容器突出部分之间的距离为 850 mm2。5摇 高速大载重提升技术装备5郾 1摇 大载重提升容器双箕斗提升是目前国内外大规模深井矿山主提升系统普遍采用的提升方式。大规模提升需要大载65摇第 1 期李浩宇等:千万吨级主井高速大载重提升技术研究与应用图 3摇 主井井筒断面图摇重的箕斗,而提升容器箱体是装载矿石的箱型结构,箱体一般安装在框架之内,分为固定安装与转轴安装两种形式。固定安装箱体多为大型煤矿采用,转轴安装箱体多用于冶金矿山。思山岭铁矿提升物料为铁矿石,松散密度为2郾 357 t/m3,破碎后物料块度小于 300 mm,铁矿石平均硬度约为 145 MPa。为适应矿山物料比重大,硬度高,且具有相当磨蚀性等方面的特性,采用了冶金矿山常规使用转轴安装箱体形式,液压驱动直轨外动力底侧卸式卸载方式。主井箕斗技术参数见表3,箕斗外形图和断面图如图 4 所示。表 3摇 箕斗技术数表摇 摇 摇 项目数值单位箕斗断面2 600 伊1 810mm 伊 mm框架高度15郾 86m总容积30m3自重55t有效载重55t卸载方式外动力直轨卸载首绳悬挂YXZ4500尾绳悬挂WY-30摇 摇 无论是在提升箕斗总容积还是矿石提升载重方面,思山岭铁矿所采用的提升箕斗均是非煤矿山领域特大型箕斗,其载重 55 t 为目前已知国际上千米深井最大载重量之一,大载重提升箕斗的应用将为矿山达到生产规模的矿石提升能力提供基本保障。图 4摇 箕斗外形图摇5郾 2摇 提升机和电机多绳摩擦提升系统由电机驱动提升机的摩擦滚筒转动,带动提升钢丝绳牵引箕斗完成矿石提升作业。提升机和电机是提升动力的源泉,是矿山生产最重要的咽喉设备。现代矿井提升机提升载量大,速度高,安全性高,已发展成为高度集成自动化控制的机电液大型矿山设备。思山岭铁矿主井提升机采用塔式多绳摩擦提升机,规格为 准6郾 75 m 伊 6 m,摩擦滚筒名义直径为6 750 mm,摩擦盘外直径达到了7 600 mm,是已知国际上规格最大多绳摩擦提升机之一。提升机配套交流 同 步 双 电 机 低 速 直 联 传 动,电 机 功 率 为6 500 kW 伊2,双电机双端悬挂联结,这也是世界上装机总功率最大竖井提升机。电动机采用技术先进、成熟可靠的交一直一交变频控制系统,配置了SM150 变频器,具有谐波低,无需滤波装置等优势,控制上更为精准。提升机闸控系统采用恒减速制动,闸控系统由2 台独立的液压站构成,一台工作一台备用。闸控的制动单元由 12 对 BE250 型闸头组成。思山岭铁矿主井提升机配置型式如图 5 所示。5郾 3摇 提升钢丝绳提升钢丝绳是联接两个互为平衡提升容器之间的纽带,钢丝绳通过与提升机滚筒绳槽衬垫的接触产生摩擦力从而带动提升容器上下运行。思山岭铁75中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)图 5摇 主井提升机配置型式摇矿作为超大规模超深井冶双超冶矿山,主井提升钢丝绳安全高效的运行对于保障深井提升系统的安全、可靠运行至关重要。图 6摇 主井井塔大厅层平面布置图由于竖井深、规模大,提升系统设计参数相应增大,形成提升系统的基本特点为提升高度大,提升载重大,提升速度高,钢丝绳直径大、单位质量大、抗拉强度高,钢丝绳最小破断拉力大,钢丝绳终端载荷大。钢丝绳在深井提升系统中的表现有以下几个方面。1)提升钢丝绳承载能力降低。2)提升容器载重占提升钢丝绳终端负荷比例减小。3)提升钢丝绳负载变化率(SLR)增大。在深井多绳摩擦提升系统中,提升容器自重、载重、提升钢丝绳自重、平衡尾绳重量均需要提升钢丝绳来承担,提升钢丝绳作为提升过程中载荷变化承载体,其运行安全性对提升系统影响也最大3。针对思山岭铁矿主井提升的特点,选用进口抗旋转注塑钢丝绳,钢丝绳参数见表 4。表 4摇 主井提升钢丝绳技术参数表摇 摇 摇 内容数值单位首绳型号多层抗旋转注塑钢丝绳钢丝绳直径56mm钢丝绳公称抗拉强度1 960N/mm2钢丝绳单位质量15郾 26kg/m钢丝绳最小破断拉力2 585kN钢丝绳破断拉力总和3 398郾 8kN摇 摇 钢丝绳采用了注塑工艺,有效减小因钢丝绳内部以及外部磨损造成的断丝,同时采用了股压实工艺,具备更高的破断力,钢丝绳韧性及耐磨性更好,对于深井高速大载重提升矿山具有更好的适应性。6摇 主井井塔布置思山岭铁矿 1 号主井虽然只有一套双箕斗提升系统,但是由于提升载荷大,提升速度高,提升机规格大且配置了双电机驱动,所需井塔大厅层空间要求高。服务于提升机和电机的通风机、导向轮、变频器及电控设施分别位于井塔提升机大厅层以下;箕斗卸载设施和矿仓布置在箕斗正常停止位置以下。井塔大厅层两侧外悬挑 3 m,轴线面积为 33 m 伊24 m,井塔大厅层平面布置如图 6 所示。井塔正常段平面尺寸为 27 m 伊24 m。井塔的结构形式采用框架剪力墙结构。根据提升工艺布置要求,主井井塔立面布置 8 层,井塔立面布置如图 7 所示。井塔结构顶部高度为 99郾 8 m,为国内目前设计建设的最大规格井塔之一4-5。85摇第 1 期李浩宇等:千万吨级主井高速大载重提升技术研究与应用图 7摇 主井井塔立面布置图摇7摇 结论思山岭铁矿主井提升系统作为千万吨级高速大摇 摇 摇载重提升技术研究与应用代表,从方案确定之初就本着创新性、先进性、可靠性、安全性的原则,以成熟工艺、大型设备、安全保护为支撑,将提升安全间隙研究作为确定井筒断面和提升安全运行基础,在此基础上将 55 t 大载重箕斗、准6郾 75 m 伊6 大型塔式多绳摩擦提升机、6 500 kW 伊2 交流同步电机、大直径高强度注塑提升钢丝绳等一系列先进技术、装备应用到主井提升项目设计与建设中。参考文献1摇 徐长磊.钢丝绳罐道提升容器侧向气动压力模拟计算J.现代矿业,2019,35(01):138-142.2摇 徐长磊,杜贵文,孙杨,等.深井钢丝绳罐道提升容器水平偏移和安全间隙计算 J.建井技术,2018,39(1):35-39.3摇 李浩宇,施士虎.深井多绳摩擦提升系统探讨J.中国矿山工程,2016,45(1):71-74.4摇 仲松.红庆河煤矿主立井提升系统创新设计与实践J.煤炭工程,2019,51(6):39-42.5摇 刘显旺,郭智杰,王程.葫芦素矿主井井塔建筑结构设计J.煤炭工程,2016,48(5):31-33,詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬36.(上接第 35 页)3摇 刘杰,黄克磊.基于数码电子雷管的非煤矿山爆破技术推广J.矿业工程,2023,21(5):29-32.4摇 刘翔宇.电子雷管起爆体系下城市隧道爆破参数确定方法研究D.北京:北京科技大学,2022.5摇 马连成,陆占国,杨光月,等.基于有限元的 MEMS 惯性传感器保护装置研究J.中国矿山工程,2022,51(6):24-29.6摇 吴礼军,王鑫尧.城区基坑开挖爆破振动预测及控制研究J.爆破,2023,40(3):206-211+235.7摇 丁伟捷,刘殿书.露天矿数码电子雷管逐孔起爆条件下质点峰值振速预测J.地球科学,2023,48(5):2000-2010.8摇 Pak T U,Jo G R,Han U C.Prediction of characteristicblast鄄induced vibrationfrequencyduringundergroundexcavation by using wavelet transformJ.Frontiers ofStructural and Civil 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