采用塔式摩擦提升機的罐籠井設計探討

〔摘 要〕為提高罐籠井設計水平、減少安全事故、提高系統運行效率，通過總結設計經驗和結合現行國家標準規范，針對采用塔式摩擦提升機的罐籠井提升系統、井塔和井筒提出了具體的設計建議。在提升系統設計中，建議采用永磁電機提高運行效率和平穩性，采用帶有托罐裝置的防過卷緩沖裝置提高安全性，增加首繩狀態在線檢測系統以實時檢測首繩狀態，并配備換繩裝置方便后續換繩作業；井塔設計方面，建議配備外掛式觀光電梯提升井塔形象，取消罐籠進出側的橫梁方便更換罐籠及材料進出，設置雙層進出罐平臺提高運行效率，并采用向外懸挑的結構形式以減少井塔占地面積；井筒設計方面，建議采用上部液壓拉緊的鋼絲繩罐道減少安裝和維護工作量，并采用小罐籠提升系統替代梯子間以增強逃生通道功能。研究結果表明，這些設計建議能夠有效提升罐籠井的安全性和運行效率，減少后續維護成本，對地下開采礦山的罐籠井設計具有重要的指導意義。

〔關鍵詞〕罐籠井；提升系統；井塔；井筒

中圖分類號：TD534" " " " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0006-05

A Discussion of the Design of Cage Shaft Using Tower Friction Hoists

WU Junhui

（CINF Engineering Corporation Limited， Changsha， Hunan 410011， China）

Abstract" In order to improve the design level of cage shaft， reduce safety accidents and improve the operation efficiency of the system， the paper puts forward some specific design recommendations for cage shaft hoisting system， shaft tower and shaft body using tower friction hoists by summarizing the design experience and combining with the current national standards and codes. In the design of hoisting system， it is recommended to use permanent magnet motor to improve the operation efficiency and stability， adopt over-wind buffer equipment with cage chair to improve safety， add the head-rope online detection system to detect the head-rope status in real time， and provide rope changing equipment to facilitate the subsequent rope changing operation. As for the design of the shaft tower， it is recommended to install an external sightseeing elevator to enhance the image of the shaft tower， remove the beams on the cage access to facilitate the replacement of cages and materials arrival/leaving， set up a double-layer platform for entering and exiting the cages to improve the operation efficiency， and adopt the overhanging structure to reduce the floor space of the shaft tower. In terms of shaft body design， it is recommended to use upper hydraulically tensioned wire rope cage passages to reduce installation and maintenance effort， and use a small cage hoisting system instead of ladder room to enhance the escape passage function. The results of the study show that these design recommendations can effectively improve the safety and operation efficiency of cage shaft， reduce the subsequent maintenance costs， and have important guiding significance for the design of cage shaft in underground mining.

Keywords" cage shaft; hoisting system; shaft tower; shaft body

罐籠井是地下開采礦山不可或缺的重要設施，主要由提升系統、井塔（或井架）、井筒及附屬設施等組成，擔負升降人員、設備、材料和提升礦廢石等任務[1]，安全責任重大。然而罐籠井安全事故時有發生，如2004年３月１８日東大煤礦罐籠井因發生提升容器過卷事故，造成7人死亡、1人重傷、3人輕傷，造成直接經濟損失55.33萬元。

影響罐籠井運行效果的因素眾多，設計不當可能導致系統運行效率低下，增加工人勞動強度和時間。如鶴煤三礦罐籠井設計時提升任務不明確，投產后的提升系統無法裝載對應的礦車，導致提升效率大幅降低，工人勞動強度和時間也相應地增加；冬瓜山銅礦豎井井塔設計時，提升機摩擦輪和導向輪的中心高差只有6 m，高差過小造成首繩使用壽命過短，僅有6個月左右。因此，在采用塔式摩擦提升機的罐籠井設計時，不僅需要考慮其提升任務、服務范圍、所穿巖層等基礎條件，還需要考慮現行國家標準規范的要求、裝備技術水平，以及當地政策。本文擬從采用塔式摩擦提升機的罐籠井提升系統、井塔和井筒的設計流程入手，結合實際工程案例提出設計建議，以期提高塔式摩擦提升機的罐籠井的設計水平。

1 提升系統

1.1" 提升系統設計及配置

采用塔式摩擦提升機的罐籠井提升系統如圖１所示。該系統主要由提升機、首繩、罐籠、平衡錘、尾繩等組成。設計前，需明確提升任務、井口標高和服務中段等基礎資料。設計時應根據提升任務和提升高度確定罐籠和平衡錘規格，再根據提升高度、罐籠和平衡錘規格確定首繩和尾繩規格，最后根據首繩規格及其受力情況確定提升機及其配套電機規格。

以阿舍勒銅礦、玉嶺多金屬礦、金廠河銅鐵鉛鋅礦3個礦山罐籠井提升系統為例，設計前明確礦山的基礎資料為：阿舍勒銅礦罐籠井擔負600 t/d廢石提升和全礦人員的升降任務，井口標高+910 m，服務井下+450 m、+300 m、+250 m、+200 m、+150 m、+100 m、+50 m、±0 m、-50 m、-100 m、-150 m、-200 m、-250 m、-280 m共14個中段；玉嶺鉛鋅錫多金屬礦罐籠井擔負1 kt/d的礦石提升和人員、材料、設備的升降任務，井口標高+710 m，服務井下-75 m、-135 m、-195 m、-255 mm共4個中段；金廠河銅鐵鉛鋅礦罐籠井主要擔負人員、材料、設備的升降任務，當能力富余時，將部分采掘廢石從下部中段提至上部中段充填采空區，井口標高+1 884 m，服務井下+1 810 m、+1 750 m、+1 660 m、+1 600 m、+1 540 m、+1 480 m、+1 420 m、+1 380 m、+1 350 m、+1 310 m共10個中段。按照前述流程計算確定的3個礦山罐籠井提升系統的配置見表1。

1.2" 設計建議

1）電機型號。阿舍勒銅礦提升機配套的是交流電機，玉嶺多金屬礦和金廠河銅鐵鉛鋅礦提升機配套的是直流電機。直流電機因結構復雜、維修費用高、能耗高等缺點，已被列入了《礦產資源節約與綜合利用鼓勵、限制和淘汰技術目錄》中的限制類技術，因此推薦交流變頻電機。但是，近年來，隨著永磁電機在電動汽車、工業機器人、航天航空等領域[2-4]的廣泛成功應用，為礦井提升機配套電機的選擇提供了新的方向。因為永磁電機具有效率高、體積小、重量輕、起動轉矩大、調速范圍寬等優點，尤其適用于礦山豎井提升系統。以盤龍鉛鋅礦為例，其罐籠井提升機采用的是永磁電機內裝的多繩摩擦提升機，規格型號為JKMDN-3.5×4 P，配套電機功率800 kW。該礦實際使用效果表明：礦井提升機配套電機采用永磁電機節省機房占地面積，且運行效率高、運行平穩、噪聲小。

2）防過卷裝置。根據《金屬非金屬安全規程》（2006版），金屬非金屬礦山豎井防過卷段均設置為楔形木罐道。然而楔形木罐道存在諸多劣勢，如緩沖阻力變化難以精確計算、制動性能易受多種因素干擾、容易損壞、受天然木材力學性能各向異性的影響，以及長期暴露于空氣中導致其性能逐漸衰退等。2020年10月11日由應急管理部和國家市場監督管理總局聯合發布的新版《金屬非金屬安全規程》增加了過卷緩沖裝置的選項。帶有托罐裝置的防過卷緩沖裝置和楔形木罐道的目的一致，即發生過卷時使容器平穩地停在過卷段內，且該裝置在制動的穩定性、耐用性、可維護性、安全性、適應性和靈活性上更具優勢。該裝置已廣泛應用于煤礦中。此外，還需配置自動化監控設備實時在線檢測鋼絲繩狀態，以替代傳統的停機人工檢查，從而節約時間、提高經濟性和可靠性。

3）換繩裝置。金屬非金屬礦山的首繩達到報廢標準后必須換繩。傳統的換繩工藝不僅時間長，而且需要大量的換繩工作人員。以金川50行主立井為例[5]，該井深超千米，采用傳統舊繩帶新繩的方法換6根首繩，需要60多人，換繩時間約120 h。而采用了換繩裝置后，換繩操作僅需12人，換繩時間也縮短至17 h，換繩過程也更加安全和高效。因此，建議新設計的罐籠井均預留或是直接安裝好換繩裝置，以提高后續換繩作業的安全性和效率。

4）鋼絲繩檢測自動化。提升系統內的首繩狀態直接關系到人員生命安全，《金屬非金屬礦山安全規程》第6.4.7.4條明確要求對首繩既要有日常檢查，也要定期安排專業機構檢查。以金川二礦為例，原有的鋼絲繩日常檢查以目測為主。人工檢查的方法不可靠、效率低、不經濟。主要表現為：（1）受環境、光線、視線局限等限制，能夠檢測到的損傷類型只占實際損傷的20％左右，檢查結果不可靠，且存在嚴重的安全隱患。（2）人工檢查鋼絲繩的速度一般為每班0.3～0.5 m/s，全年日常檢查需耗費300 h的生產時間，效率低。（3）提升機電機功率主副井合計5 500 kW，檢查1次鋼絲繩耗電約6 000 kWh，成本較高。而目前已有部分礦山開始采用儀器對鋼絲繩狀態進行不停機的實時在線檢測，并以此替代了傳統的人工停機檢查[6]。實踐表明，對鋼絲繩狀態進行實時在線檢測經濟、可靠，能節約檢測時間，是未來提升系統的設計趨勢。

2" "井塔

2.1" 井塔的設計及配置

井塔是地下開采礦山項目的關鍵性地表建筑物，用于保護提升系統免受惡劣天氣影響[7]，并支撐整個提升系統。井塔內安裝有提升機、導向輪等提升設施，過卷擋梁、過卷緩沖裝置等保護設施，起重機、起重梁等安裝和檢修設施，電機的通風冷卻設備等輔助設施。

井塔自下而上一般設有井口平臺、防撞梁平臺、導向輪平臺、提升機平臺等如圖２所示。井塔設計需綜合考慮提升機及其配套設備的尺寸和質量，以確定井塔各平臺的平面尺寸和高度。通常井塔的平面尺寸取決于提升機平臺，提升機平臺平面尺寸取決于其上安裝的提升機的數量和規格，提升機的最大件尺寸和質量又決定了井塔內吊裝孔的尺寸和需要安裝的起重機型號。井塔的高度包括罐籠高度、過卷高度、導向輪和提升機摩擦輪的配置高度、提升機大廳高度等。罐籠高度是指上部車場至罐籠頂蓋的高度；過卷高度根據提升速度按照《金屬非金屬礦山安全規程》等規程規范選取；導向輪的配置高度需保證罐籠的連接裝置上緣不與導向輪干涉；提升機摩擦輪的配置高度需滿足摩擦輪至導向輪之間的首繩長度大于1個提升速度的距離并且大于200倍首繩直徑、首繩在摩擦輪上的圍包角小于200°等條件；提升機大廳高度由提升機基礎臺高度、起重機起吊高度、摩擦輪閘盤直徑、起重機取物裝置高度、起重機高度和起重機頂至屋面構件底面間的凈空等組成。

根據上述原則配置的阿舍勒銅礦、玉嶺多金屬礦、金廠河銅鐵鉛鋅礦3個礦山罐籠井井塔尺寸見表2。

2.2" 設計建議

1）觀光電梯的設置。井塔是礦山地表最高的建筑物，通常被視為礦山的標志性建筑，因此其設計關乎整個礦山的形象。以玉嶺多金屬礦為例，其地表采礦工業場地內有井塔、空壓機房、值班室及配電室、機修車間、排班室、礦山材料庫、破碎站等建筑物，其中高度居首位的井塔高46.6 m；其次為空壓機房，高9.0 m。為了提高礦山的形象，節約井塔的建筑面積和投資，玉嶺多金屬礦在井塔上設置了外掛式的觀光電梯，如圖3所示。

2） 進出罐平臺的設置。井塔內井架作為支撐結構，其主要功能是安裝和固定罐道、防過卷裝置等。段村雷溝鋁土礦和阿舍勒銅礦采用了傳統圈梁結構的內井架，其實際使用效果表明該內井架會影響罐籠的安裝和更換，不便于長材料及大型設備進出罐籠。而玉嶺多金屬礦為了提高設備、長材料等進出罐籠的便捷性，取消了罐籠進出側的橫梁（見圖4），同時在井口設置了雙層進出罐平臺，單次提升節約進出罐籠時間約120 s。

3）提升機平臺結構形式。為便于提升機、導向輪等設備的安裝和檢修，提升機平臺上部均需設置起重機。以提升機平臺平面尺寸為18 m×16 m、配套起重機額定起質量為50 t、跨度為16.5 m的吊鉤橋式起重機為例，其主鉤至兩側軌道中心線的極限距離分別為2 367 mm和1 703 mm，起重機寬度為7 010 mm，橋架中心至緩沖器的距離分別為3 880 mm和3 130 mm，則主鉤服務范圍為115.7 m2，占總面積的54%。因此，為了減少井塔占地面積，可以采用提升機平臺向外懸挑的結構形式。目前，張莊鐵礦和玉溪礦業大紅山銅礦的井塔均采用了該種結構形式。

3 井筒

3.1" 井筒設計

井筒直徑取決于井筒內設施，如罐籠、平衡錘、供水管、排水管、壓氣管、電纜等如圖5所示。在上述設施確定后，設計人員需根據《金屬非金屬安全規程》中對提升容器之間，以及提升容器最突出部分和井壁、罐道梁、井梁之間的最小間隙值要求，采用圖解法或解析法計算出井筒的近似直徑，再按規定的井筒直徑進級模數得到最終的井筒直徑。若罐籠井兼作進風井，還需用允許風速校核井筒斷面是否滿足通風要求。

3.2" 設計建議

1）井壁結構。罐籠井壁結構設計需考慮井筒直徑、所穿巖層地質條件、地應力分布特征等。我國井壁厚度通常在300～600 mm之間。罐籠井井頸有4種常用類型，可根據表土層厚度、地耐力以及是否有井塔或井架落于上方等情況進行選擇，選用不同類型的井頸。然后再根據載荷情況計算井頸參數。

2）馬頭門高度。井筒與各中段聯通的馬頭門高度根據需要通過馬頭門的長材料、設備的尺寸和通過方式確定。馬頭門分單面馬頭門、雙面斜頂馬頭門和雙面平頂馬頭門3種，單面馬頭門適用于盡頭式車場；雙面斜頂馬頭門適用于罐籠單層進出車和上下人員；雙面平頂馬頭門適用于雙層罐籠同時進出車和上下人員。

3） 罐籠井井底標高的確定。罐籠井井底標高需綜合考慮礦體賦存條件、采礦證標高范圍和當地政策進行確定。如河北省發文明確豎井井底可布置在采礦證范圍之外。通常罐籠井井底要比最低服務中段低數十米才可以滿足井底擋罐梁、尾繩隔離裝置、井底水窩排水設施等的安裝要求。

阿舍勒銅礦、玉嶺多金屬礦、金廠河銅鐵鉛鋅礦3個礦山的罐籠井部分井筒參數見表3。

4）罐道形式。目前，國內豎井罐道形式有剛性罐道和鋼絲繩罐道兩種。采用剛性罐道的罐籠井需沿整個井筒鋪設方鋼或型鋼罐道，且每隔幾米需有一層固定罐道的罐道安裝梁，安裝工程量非常大且施工周期很長，如果井筒因地應力發生變形，剛性罐道會隨井筒內罐道安裝梁的變形而變得不平整，從而影響罐籠的平穩運行。采用鋼絲繩罐道的罐籠井在各中段安裝穩托罐裝置即可實現罐籠在各中段平穩進出物料或設備。鋼絲繩罐道有液壓拉緊和重錘拉緊兩種方式，相較于重錘拉緊，液壓拉緊[8]在維護、調節、安裝等方面都具有明顯的優勢，且采用上部液壓拉緊的罐籠井，其井底深度可減少約10 m，故而可以減少井筒投資并縮短井筒的施工工期。阿舍勒銅礦實際使用效果表明，相較于剛性罐道，罐籠井采用鋼絲繩罐道具有結構簡單、材料消耗少、安裝工作量小、施工期短、井筒內通風阻力小、井壁負荷小、提升容器運行平穩等優勢。

5）小罐籠提升系統的應用。豎井梯子間內的梯子傾角一般大于70 °，事故發生時，井下人員通過梯子間逃生需要的時間長、體力消耗大，深井尤甚。此外，梯子間會因井筒漏水導致梯子濕滑，增加人員跌落的風險。因此，建議采用1套小罐籠提升系統替代梯子間。如阿舍勒銅礦和金廠河銅鐵鉛鋅礦的罐籠井內配了2套提升系統，大罐籠提升系統擔負主要的提升任務，小罐籠提升系統一方面替代梯子間，另一方面可作為大罐籠提升系統的輔助，擔負少量人員的升降任務。

4 結論

罐籠井作為地下礦山的咽喉工程，投資高、安全責任大，設計復雜。基于多個礦山罐籠井的設計經驗，筆者認為采用塔式摩擦提升機的罐籠井提升系統在完成初步設計后，應注意以下問題：1）提升系統。建議提升機配套電機可考慮永磁電機，以減小井塔尺寸、提高系統運行效率和平穩性；配備帶有托罐裝置的防過卷過放緩沖裝置，以提高系統的安全性；增加首繩狀態在線檢測系統，實時檢測首繩狀態；配備換繩裝置，方便后續的換繩作業。2）井塔。井塔配備外掛式的觀光電梯，以節約井塔面積和提升井塔形象；取消罐籠進出側的橫梁，以方便更換罐籠以及設備、長材料等進出罐籠；配備雙層進出罐平臺，以減少對罐時間，提高運行效率；提升機摩擦輪至導向輪之間的首繩長度需大于1個提升速度的距離且大于200倍鋼絲繩直徑，首繩在摩擦輪上的圍包角小于200 °，以保障首繩的使用壽命；提升機平臺采用向外懸挑的結構形式，以減少井塔占地面積。3）井筒。采用上部液壓拉緊的鋼絲繩罐道，以減少井筒裝備的安裝和維護工作量和減少井底的深度；采用小罐籠提升系統替代梯子間，以更好發揮罐籠井逃生通道的功能。

參考文獻

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