超深豎井條件下施工的交通運輸研究

孟 凡 朋， 張 維

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

新疆KS9勘探試驗洞主洞控制段長度為4 km，以S2豎井為中心分別向上、下游進行各2 km的掘進，主洞隧洞縱坡為1/2 583。KS9勘探試驗洞工程剖面圖見圖1。根據設計下發的藍圖，主洞上游地層巖性為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖，巖質堅硬、穩定，以Ⅱ類圍巖為主；主洞下游地層巖性為泥盆系凝灰巖，結構致密，巖體整體性較好，部分巖體受斷層構造帶影響穩定性略差，以Ⅲ類圍巖為主。主洞施工洞段的巖體以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，斷面為頂拱圓心角為180°，底寬7.5 m，直墻高3.3 m的城門洞形，斷面積為46.84 m2，邊頂拱采用錨噴支護，底板澆筑混凝土鋪平。由于主洞平均埋深超過700 m，主洞施工期間僅能利用深度達687.613 m的S2豎井作為唯一的施工通道進行人員上下、物料運輸、洞渣外排。該豎井的凈直徑為7.2 m。KS9勘探試驗洞工程剖面圖見圖1。

在主洞開挖支護施工過程中，為減少物料運輸和人員上下對出渣效率的影響，現場單獨安裝了一套洞渣外排系統，即采用2個5 m3箕斗配合3.6 m提升絞車(雙滾筒)進行洞渣外排工作以滿足洞渣外排需要。在洞渣外排工作得到解決后，其人員上下和物料運輸方式的選擇工作就顯得尤為重要。闡述了對運輸方式選擇進行的研究。

2 運輸方案的確定

由于S2豎井作為主洞的唯一施工通道，且其深度達687.613 m，加之豎井內仍有流量為20 m3/h左右的滲水，且目前國內水利行業利用超深滲水豎井作為人員上下和物料運輸的唯一通道組織現場生產工作暫無可參照的成熟經驗，同時，考慮到該項目的實際情況，項目部結合工程特性，引入了煤礦運輸方式進行人員上下和物料運輸工作并取得了較好的效果。

圖1 KS9勘探試驗洞工程剖面圖

2.1 人員上下方式的確定

根據《煤礦安全規程》第三百九十三條規定，立井中升降人員應當使用罐籠[1]。因此，在主洞施工過程中最終采用罐籠作為人員上下的方式。

2.2 物料運輸方式的確定

在KS9主洞施工過程中，其物料運輸主要包括混凝土、鋼筋網片、錨桿、型鋼拱架等。鋼筋網片、錨桿、型鋼拱架的運輸可以與人員運輸方式相結合采用罐籠進行運輸。而在煤礦開采過程中，混凝土的運輸工作采用溜灰管直接運送和“提升絞車+底卸式吊桶”運送的方式。根據《煤礦安全規程》第五十五條規定，混凝土強度等級大于C40或輸送深度大于400 m時，嚴禁采用溜灰管輸送。由于該工程的施工通道S2豎井深度達687.613 m，遠超《煤礦安全規程》的要求，因此，混凝土運輸最終采用“提升絞車+底卸式吊桶”的方式。

對上述情況進行分析得知：豎井井筒內需要預留2個箕斗、1個罐籠、1個底卸式吊桶運輸通道，但該井筒直徑僅為7.2 m，其空間有限而無法布置?？紤]到箕斗作為獨立出渣通道不能再進行調整，因此，在現場實施過程中，從空間和經濟性角度進行考慮，將底卸式吊桶和罐籠運輸通道進行整合，即在底卸式吊桶下部加裝運料平板小車，用礦用調度小絞車牽引運料平板小車通過預先埋設的軌道進入罐籠后利用提升絞車運至井底。此外，由于罐籠頂部始終處于封閉狀態，通過罐籠運輸底卸式吊桶可以將井筒內的淋水有效隔開，從而使混凝土在運輸過程中不再受到外部來水的干擾，進而確保了混凝土的質量。

綜上所述，該工程主洞施工最終決定采用罐籠作為人員上下、物料運輸的設備，罐籠采用JK-3.2×3型提升絞車進行提升。

3 罐籠型式的確定

罐籠尺寸的選擇主要考慮人員上下所占空間大小、物料運輸問題以及主洞施工過程中設備大件下放等因素。

3.1 人員上下所占空間的大小

根據《煤礦安全規程》第三百九十四條要求，罐籠內每人占有的有效面積應當不小于0.18 m2。同時，考慮到該工程冬季施工時溫度長期處于零下25 ℃以下且持續時間長，施工人員身著服裝厚、重以及豎井滲水人員需身著雨衣下井等因素，罐籠內人均有效面積按0.5 m2計算。罐籠運送人員時，每次不超過9人，故將罐籠的有效面積考慮為4.5 m2。

3.2 物料運輸問題

KS9主洞的主要巖體以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主。根據設計支護要求，主要采用錨噴支護。施工期間，罐籠主要運輸錨桿、鋼筋網片、混凝土等物料。在罐籠尺寸大小選擇時，主要考慮物料運輸時固定設施的尺寸，即運料平板車及底卸式吊桶的最大尺寸。運料平板車的尺寸：長×寬×高為2.4 m×1.34 m×0.4 m，而底卸式吊桶最大直徑為1.65 m，最大高度為3.34 m，故罐籠的最小尺寸：長×寬×高為2.4 m×1.65 m×3.34 m。

3.3 設備大件的下放

該工程S2豎井施工完成后，需要進行豎井鑿井轉主洞水平施工井筒的改絞工作[2]。在進行設備改絞工作前，由于主洞內上下游的間距有限，無法將主洞施工所需的設備全部下放到主洞內，因此，主洞施工所需的部分設備需在主洞施工過程中分階段、分批次下放到主洞內。設備改絞工作完成后，豎井井筒內已布置了箕斗、罐籠、風筒等設施設備，空間被大面積占用，導致主洞施工過程使用的挖掘機、裝載機、自卸車、混凝土罐車等施工設備無法直接下放到井底，需經解體后運輸至井底再次進行組裝，施工設備拆解后其部件的最大尺寸為1.9 m×3.5 m×4.3 m。

通過對上述因素進行分析，該工程最終選擇了3.65 m(長)×2.05(寬)×4.5 m(高)的鋼質罐籠作為主洞施工過程中人員上下、物料運輸設備。

4 罐籠裝備的安裝

罐籠利用JK-3.2×3型提升絞車進行提升，罐籠裝備的安裝主要包括鋼絲繩安裝、液壓托罐裝置安裝、鋼套架安裝、過卷過放裝置安裝、安全柵門安裝等。提升機主要技術參數見表1。S2豎井井口平面布置圖見圖2。

表1 提升機主要技術參數表

4.1 鋼絲繩的安裝

罐籠安裝時共需安裝7根鋼絲繩，其中包含1根提升鋼絲繩、4根罐道鋼絲繩、2根制動繩。

采用1根18×7+FC-42-1870多層股不旋轉鋼絲繩作為提升罐籠的鋼絲繩。該不旋轉鋼絲繩受力均勻，運行平穩，使用時不易發生斷絲，安全，可靠。將提升鋼絲繩一端纏繞在直徑為3.2 m絞車的滾筒上，通過固定在天輪平臺上方的TXG3000/46型鑿井天輪進行轉向，另一端通過XS-150楔形繩環固定在罐籠上。采用2根6×19S+FC-32-1770型鋼絲繩作為制動繩、4根6×19S+FC-36-1770型(左右捻各2根)鋼絲繩作為罐道繩，將其上部固定在天輪平臺上，下部固定在井下口穩繩梁上。采用SGY-20型液壓張緊裝置對制動繩及罐道繩進行打壓，確保穩繩張緊力度適中，可保持罐籠運行平穩，進而有效杜絕提升過程因罐道繩松弛導致的罐籠出現擺動、卡繩現象，防止出現提升事故。同時，在制動繩上裝備BF-152型抓捕器[3]1套，防止罐籠運行時由于提升鋼絲繩、連接裝置斷裂出現罐籠墜落情況，以提高罐籠安全運行的保障程度。

4.2 液壓托罐裝置的安裝

平板材料車運輸材料進出罐籠時，由調度絞車通過軌道進行牽引。為保證罐籠內的軌道與井口軌道齊平以方便平板材料車自由、順利地進出罐籠，在上井口及下井口位置各安裝了兩套液壓托罐裝置(采用THT-I型托罐裝置[4])，托罐裝置每年至少進行一次檢查和保養。平板材料車進出罐籠前，首先將罐籠提升至井口平面以上30 cm，然后通過安裝在井口的液壓集中控制系統打開液壓托罐裝置，再將罐籠下放至托罐裝置上，使罐籠內的軌道與井口的軌道齊平，然后利用調度絞車牽引平板材料車進出罐籠。

4.3 鋼套架的安裝

由于上、下井口均為敞口式，若只采用鋼絲繩作為罐道繩，物料運輸過程中平板材料車進出罐籠時會導致鋼絲繩穩繩出現晃動，罐籠亦會同時晃動，進而直接影響到平板材料車正常進出罐籠。為方便罐籠正常運行，在上井口及下井口采用16號方鋼制作成金屬罐道作為罐籠上下井口的穩罐導向，防止鋼絲繩及罐籠出現晃動以確保平板材料車正常進出罐籠。

4.4 過卷過放裝置的安裝

為防止罐籠提升機司機操作時馬虎大意、深度指示器失效或自動控制裝置出現故障、提升容器到達減速位置而未減速、安全保護裝置失效、制動裝置失靈等原因在上井口及下井口出現過卷過放事故[5]影響罐籠的正常運行，在上井口及下井口位置各安裝了一套過放過卷裝置。

圖2 S2豎井井口平面布置圖

根據《煤礦安全規程》第四百零七條規定，罐籠和箕斗提升的過卷和過放距離不得小于表2所列數值。立井提升裝置過卷與過放距離表見表2。

表2 立井提升裝置過卷與過放距離表

提升速度為表2中所列速度的中間值時，采用插值法計算。

現場采用JKZ-3.2×3型鑿井提升機進行罐籠提升，最大提升速度為5.3 m/s。根據表2的計算，將過卷過放裝置安裝在上井口以上、下井口以下5.9 m位置。在上井口平臺位置以上5.89 m位置安裝一套過卷裝置，并與提升絞車控制系統形成聯動，當罐籠運行超過過卷裝置時提升絞車能自動斷電，罐籠立即停止運行，以防止提升絞車發生過卷現象而造成天輪、井架損壞，甚至拉斷鋼絲繩導致提升容器墜落、撞壞井筒設施甚至造成人員傷亡。在下井口平臺位置以下5.9 m位置安裝一套過放裝置，防止因過放造成蹲罐事故。

4.5 安全柵門的安裝

在上井口及下井口出車平臺位置分別安設信號連鎖液壓對開式安全柵門，即液壓安全柵門與信號房內的信號與操車電控裝置形成聯動。罐籠運行前安全柵門未關閉時，信號工不能發出開車信號，進而增加了罐籠安全運行保障。

4.6 罐門的安裝

根據《煤礦安全規程》第三百九十四條相關要求：罐籠進出口必須裝設罐門或罐簾。由于該罐籠的高度達到4.5 m，罐簾不便于在現場操作，因此采用罐門進行封閉。罐門采用自制鐵門進行安裝，高度為4.2 mm，罐門底部邊緣至罐底的距離為150 mm。為防止罐門未及時關閉而與井筒的裝備造成刮碰，將罐門向內安裝。

5 設備安全運行情況

現場上井口與下井口信號系統采用集中信號控制系統，通過安裝各種傳感器實現對絞車、操車系統、信號系統的連鎖控制，主要傳感器及閉鎖功能包括：

(1)傳感器：液壓托罐裝置、安全門開閉位置傳感器、井口減速點位置傳感器、罐籠井口過卷磁力接近開關、罐籠井架過卷開關。

(2)主要信號閉鎖功能：安全門未關閉、過卷未恢復、井上下信號未回點、井口把鉤工裝車完好情況未回點等均不能發出絞車運行信號；設置緊急情況下急停信號和檢修信號以及泄露通信信號功能。

6 結 語

針對新疆KS9勘探試驗洞工程主洞施工過程中利用豎井(深度達687.613 m )作為唯一施工通道進行人員上下、物料運輸工作暫無可以參照的成熟經驗的具體情況，項目部以該工程為依托，針對施工通道單一、深度大、滲水量大的特點，合理借鑒煤礦施工技術，采用“罐籠+提升絞車”的方式進行人員上下、物料運輸工作，運行工況良好，能夠滿足現場施工需要。通過該工程“罐籠+提升絞車”作為人員和物料運輸系統的成功應用，填補了水利工程超深豎井條件作為唯一施工通道進行人員和物料運輸系統的空白，為后續類似水利工程建設提供了技術支持和施工經驗。