礦井提升機在隧道長大坡度斜井中的應用

陳新穎

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北唐山064000)

一、工程概況

遼寧省某輸水隧洞工程第四標段，主洞長29365m，沿線布置5條施工支洞，分別為10#、11#、12#、13#和14#施工支洞。其中，10#支洞長度為1160.86m，坡度24.22%(13.6°)，成洞斷面為圓拱直墻型，尺寸為5.5m×5.5m（寬×高）；主洞斷面為馬蹄形，尺寸為6.5m×8.2m（寬×高），支洞和主洞均采用鉆爆法施工。10#支洞控制段主洞長度為3259m，洞砟總量181986m3，噴射混凝土6351m3，襯砌混凝土 26811m3，鋼材 131.21t，物料運輸量巨大。根據施工進度安排，每日最大洞砟運輸量314.3m3，折合 502.8t。

二、運輸方案研究及選定

支洞內的物料運輸效率是決定施工速度快慢的關鍵，該支洞坡度為24.22%，大大超出了一般運輸車輛的正常運行坡度范圍，嚴重影響了運輸安全和效率。為解決支洞和主洞開挖、襯砌過程中的洞砟、原材料運輸問題，最大限度發揮支洞作用，項目部通過對圖紙的研究和運輸設備的調查，對物料運輸進行了多種方案的研究。

（一）裝載機運輸

裝載機主要用于鏟裝作業，在實際使用中也常用于短距離運輸，具有作業速度快、機動性好、操作輕便等優點，但不宜用于長距離運輸。本工程在前期的500m探洞施工中，使用了裝載機進行出渣和物料運輸作業。但是,后期隨著支洞的延長，運輸距離逐漸增加，運輸效率逐漸降低，加上裝載機單純使用制動器進行降速，在長距離下坡時，嚴重損害制動器的制動盤和摩擦片，一旦制動器失效，裝載機失速溜車，會造成嚴重的安全生產事故。該方案安全風險大，后期運輸效率低。

（二）裝載機配合自卸車運輸

自卸車具有裝載能力大、適于長距離運輸的特點。但在本工程中，由于坡度大、距離長的原因，查閱了北方奔馳、紅巖汽車、陜汽、中國重汽等多個品牌的自卸車，均不能滿足24.22%的長坡運輸，且在這樣的坡度上長距離行駛，自卸車的操控性能和制動性能大打折扣，運行速度嚴重降低，難以滿足安全和效率要求，運輸風險過大。同時，支洞寬度僅為5.5m，自卸車在洞內的調頭問題也制約著自卸車的使用。

（三）扒渣機配合皮帶機運輸

隨著技術的不斷進步和創新，皮帶機的應用領域越來越廣闊，在隧道施工的渣石輸送環節，配合電動扒渣機裝載洞砟，具有高效、輸送能力大、爬坡能力強、可靠度高、運行成本低等優勢。缺點是不能裝載大塊物料、一次性投入高、需要的安裝空間較大，后期維護成本高。

根據皮帶機的優缺點考慮，隧洞內爆破的渣石塊度需＜250mm才適合皮帶運輸，因此需要改進爆破工藝，提高炸藥用量，或在前端增加破碎設備，將爆破的渣石二次加工，才能滿足皮帶機的運輸要求。無論改進爆破工藝還是增加碎石設備，都將影響施工進度。另外，由于該支洞的物料運輸不僅是洞砟外運，后期還需要將混凝土、建筑材料運輸到洞內使用，皮帶機不適宜進行混凝土、鋼材、模板等建筑材料的向下運輸作業。

（四）裝載機配合礦井提升機運輸

礦井提升機技術成熟，安全可靠，在礦山生產中運用廣泛。對物料塊度要求低，經過改造礦車或使用不同的礦車，可運輸多種物料，還能掛載人車運輸人員上下班通行。隨著工程進展、支洞的延長，僅需鋪設軌道就能延長運輸距離，運行、維護簡單，操作方便。支洞完成后，軌道即可定型，主洞物料的運輸方便快捷。缺點是需要購買專用設備，一次性投入大，成本高。

（五）方案選定

通過對以上四種物料運輸方案的研究并結合施工現狀，從安全性、經濟性和滿足工期要求等方面考慮，使用裝載機配合礦井提升機運輸的方案最為合理，能最大限度保證隧洞內各種物料的運輸，保證施工進度和安全生產。雖然該方案存在購買專用設備，一次性投入大，成本高的缺點，但該方案安全可靠，安全性遠高于其他方案，而且后期維護成本低于其他方案。

三、礦井提升機的選型及復核

（一）礦井提升機的選型

10#支洞長度為1160.86m，坡度24.22%，根據節點工期計算，每天出渣方量為314.3m3。每天按12h出渣時間計算，每小時出渣量為26.2m3，鋼絲繩安全系數取6.5。

根據以上參數，經計算，擬配置2臺JK-2.5×2.2型單繩纏繞式礦井提升機，電機功率400kW，最大提升速度3.2m/s。礦車選用曲軌自卸礦車，容量8m3，軌距900mm。

（二）礦井提升機主要性能參數

滾筒直徑：Φ2.5m；寬度：2.2m；鋼絲繩直徑：d=32mm；

鋼絲繩最小破斷拉力：578KN鋼絲繩最大靜張力：88.9kN；

減速器名義速比：i=30；最大運行速度：3.2m/s；

高壓電機功率：400kW/10kV；電機最大轉速：740r/min。

表1 礦車特性表

（三）設備參數復核

1.容繩率復核

根據廠家提供的技術參數，該型礦井提升機的容繩率計算如下：

（1）平均纏繞直徑：

在式（1）中：D為滾筒直徑，為2.5m；nz為纏繞層數，取值為3；d為鋼絲繩直徑，為32mm；ε為繩圈之間的間隙，取值為3。

將上述數值代入公式:Dp=2.554m。

（2）3層纏繞繩長:

式（2）中：B為滾筒寬度，取值為2.2m；b為穿繩孔直徑，為d+5；nm為摩擦圈，取值為3；ng為多層纏繞時供移動用的繩圈，取值為4；Ls為試驗繩長度，取值為30m。

其他符號含義同上。

將上述參數代入公式中:H3=1440m

本工程10`#支洞施工長度為1160.86m，洞外長度按100m計。根據相關要求，卷揚機上要留不少于三圈的鋼絲繩，同時應有提升鋼絲繩試驗長度，規定每半年剁繩頭一次，每次剁掉5m，按提升鋼絲繩的使用壽命為3年計，則試驗長度為30m。

經復核：容繩率滿足要求。

2.運行速度復核

繩速=（電機轉數÷速比÷60）×3.14×卷筒直徑=（740÷30÷60）×3.14×2.5=3.2m/s

經復核：提升速度滿足設計要求。

3.鋼絲繩最大靜張力復核

荷載計算如下：

（1）礦車

根據現場情況，采用8m?側卸式礦車進行出渣，礦車特性見表1。

（2）鋼絲繩

鋼絲繩型號為 6×37+IWSФ32mm，公稱直徑32mm，公稱抗拉強度為1770MPa，參考重量為4.1kg/m，最小破斷拉力為578kN。

（3）提升機最大靜張力復核

受力分析如圖1所示：

礦車出渣狀態情況：

8m3礦斗提升機受力最大狀態為礦車在滿載同時在鋼絲繩最長情況：

式（3）中:Q為提升一次重量，200kN；Qm為礦車的總重50.9kN；α為井筒傾角，13.6°；f1為礦車運動時的阻力系數，取0.015；P為鋼絲繩每米重量，查表為4.1kg/m（0.041KN/m）；L 為提升斜長，為 1300m；f2為鋼絲繩運動阻力系數，鋼絲繩全部支承在地滑輪上，取f2=0.15～0.20；鋼絲繩局部支承在地滑輪上，取f2=0.25～0.40；根據本工程實際情況取值為0.25。

代入上式計算得：F=88.14kN＜88.9kN，滿足要求。

圖1 受力分析圖

4.電動機功率復核

式（4）中：F為最大靜張力；V為繩速，取值3.2m/s；η為功率因數，取值為0.9。

代入上式計算得：N=344.7KW＜400KW。

經計算，選配的電動機功率滿足要求。

5.鋼絲繩安全系數復核

8m3礦車滿載載渣料時：

安全系數=578/88.14=6.56＞6.5。

安全系數滿足規程要求。

6.工作量核算

斜井長1160.86m，鋼絲繩速度取平均V=2.8m/s，礦車取容量的0.8=6.4m3，則每小時運載方量為：

經復核，滿足工程需要。

四、運輸方案的實施

（一）卷揚機房選址和修建

兩臺提升機安裝位正對10#支洞出口，外罩彩鋼活動房。由于洞口場地限制，兩臺提升機分別距洞口100m和120m，不能滿足鋼絲繩與滾筒中心夾角的最小距離要求，在曲軌盡頭設置2m游動天輪，游距900mm，1#機軌道靠支洞的一側鋪設。卸料位采用混凝土墻結構，高度10m，長度20m，厚度70cm，為了節省場地，1#機、2#機分別向兩側卸料。根據支洞出口段坡度和卸料位與洞口的距離計算曲軌安裝高度，采用鋼結構支架連接洞口與卸料位之間的路段，鋪設軌道。曲軌安裝在卸料位混凝土墻上，端部設減速行程開關和停車限位開關，避免礦車到位后拉出軌道造成安全事故。

（二）軌道鋪設

根據計算選型，礦車軌道選用P38型鋼軌、木枕。支洞開挖期間鋪設1#機軌道，支洞底板不能硬化處理，軌枕直接鋪設在支洞底板巖石上，錨栓固定，每隔5m設地滑輪1處，減少地面對鋼絲繩的摩擦。支洞開挖完成后，暫時拆除1#機軌道，對支洞底板進行混凝土硬化處理，軌枕及地滑輪采用預埋錨栓固定，硬化完成后，鋪設1#機和2#機軌道。

（三）安全措施

在使用礦井提升機時，安全管理至關重要，各種安全措施必須完善，主要包括礦井提升機各種限位、保護措施（如井口2m/s限速保護、錯向保護、溜車保護、減速段超速保護、松繩保護或滑動保護等）、礦車的防斷繩裝置、軌道盡頭設擋車器等。

五、結束語

設備選型安裝完成后，在實際使用過程中，支洞開挖階段，由于受巖石上固定軌枕較困難、裝載機等設備經常在軌道旁邊行駛等影響，軌道容易受到擠壓，線型容易出現彎曲。因此，要加強對軌道的巡視檢查，適當降低礦井提升機的運行速度。在本工程中，支洞底板硬化處理后，軌道線型穩定，運行良好，順利完成了各項運輸任務。

[1]國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

[2]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]李玉霞.單線鐵路長大隧道斜井有軌運輸施工技術[J].西部探礦工程，2004，16（8）：95-98.