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导语 

      在矿业领域，最具挑战的难题非深部采矿莫属。500米、800米、1000米、1500米、2000米……向下的每一百米乃至更短的距离，都有新的问题：高地应力、高地温、高渗透水压以及开采强扰动，对安全和高效开采提出挑战；向下的每一百米乃至每一米，都少有可复制的经验：不同矿山的不同地层、工程和水文地质条件，让标准的模型无法套用；向下的每一百米乃至更短的距离，都是一个全新的系统创新工程，需要全新的设计、技术和模型来支撑。

       中国恩菲以70多年矿业实践为依托，集成技术成果、工程经验、数据积累，努力“透视”向下的每一米，竭力守护“每一米”的资源，以宝贵的理论和实践助力矿山向深部探索。《中国矿山工程》汇总恩菲工程师围绕深部岩石力学和开采、深部通风和热害防治、大流量高浓度充填、大规模提升运输等关键领域的创新与应用成果，形成“深部规模化开采”专刊（2024年第1期）。

“深部规模化开采”专刊第九篇

       《千万吨级主井高速大载重提升技术研究与应用》，研究成果可为深井矿山竖井高速大载量提升系统建设提供借鉴。

       [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.

千万吨级主井高速大载重提升技术研究与应用

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)

       [摘要]以千万吨级“双超”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

       1  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”的重要支撑项目和“超大规模、超深井”(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”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 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1500万t/a，二期远景规模达到3000万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1500万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 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”，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6.3m。主井井口标高+228m，井底标高-1277m，井筒深度达到了1505m。主井提升高度为1478m。在井筒内配置30m3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φ6.75m×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6500kW×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1505m，提升高度达到1478m。

       (2)规模大。年提升任务750万t/a，日提升任务22728t/d。

       (3)高速度。最大提升速度超过18m/s。

       (4)大载重。箕斗有效载重可达55t。

       (5)大型化提升机。塔式多绳摩擦提升机规格φ6.75m×6。

       (6)大功率双电机。交流同步双电机低速直联传动，功率6500kW×2。

       4 提升安全间隙研究

       4.1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200m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2m/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。

       对2s时井筒内的流场变化进行分析，此时两箕斗相距离94m。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。4s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2~5mm。

       4.2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》(GB50915—2013)中4.2.4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”。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。

       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583mm；容器与容器突出部分之间的距离为850mm。

       5 高速大载重提升技术装备

       5.1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2.357t/m3，破碎后物料块度小于300mm，铁矿石平均硬度约为145MPa。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。

       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55t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。

       5.2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φ6.75m×6m，摩擦滚筒名义直径为6750mm，摩擦盘外直径达到了7600mm，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6500kW×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。

       5.3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。思山岭铁矿作为超大规模超深井“双超”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。

       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。

       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。

       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 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3m，轴线面积为33m×24m，井塔大厅层平面布置如图6所示。井塔正常段平面尺寸为27m×24m。

       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99.8m，为国内目前设计建设的最大规格井塔之一。

       7 结论

       思山岭铁矿主井提升系统作为千万吨级高速大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55t大载重箕斗、φ6.75m×6大型塔式多绳摩擦提升机、6500kW×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。

       作者介绍

       李浩宇，男，正高级工程师，全国非煤矿山安全生产专家。长期致力于矿山领域提升、运输、排水、充填等方面咨询设计和研究工作。为主承担、参与了大量工程项目咨询设计工作，承担的冬瓜山铜矿床开采续建工程、思山岭铁矿采选工程等获得省部级咨询、设计成果奖项10余项。深度结合工作领域参与完成了国家“十五”国家科技攻关计划子课题“高浓度全尾矿充填无废开采技术研究”，参与完成了原国家安监总局“四个一批”项目课题“超深井大载重高速提升关键技术研究”，参加“十三五”、“十四五”国家重点研发计划提升和充填领域子课题科研工作，参编的《深井硬岩大规模开采理论与技术》、《金属矿胶结充填理论与工程实践》、《<金属非金属矿山安全规程>解读》等付梓出版，发表论文10余篇，获得授权专利30余项。