超深井鑿井用鋼絲繩的選擇與正確使用

胡欽剛

(寧夏新日恒力鋼絲繩股份有限公司， 寧夏 石嘴山市 753202)

國內(nèi)某計(jì)劃建設(shè)的鐵礦，采用豎井提升，提升高度1500 m，為國內(nèi)第一深井，由于該井筒較深，對設(shè)計(jì)和施工都是一個新的課題，特別是對設(shè)計(jì)單位來說，無論是施工方案，還是設(shè)備的選擇，都沒有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，故設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)過程中和施工單位和設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了充分的交流，以確保該項(xiàng)目能夠順利完工，本文主要對主提升鋼絲繩的選擇與正確使用進(jìn)行了闡述。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)單位的經(jīng)驗(yàn)和《重要用途鋼絲繩》(GB 8919-2006)，對開鑿立井提升(建井用)推薦選擇18×7+FC類鋼絲繩，即鋼絲繩結(jié)構(gòu)為12+6+FC，股繩結(jié)構(gòu)為1×7，鋼絲繩截面見圖1。

圖1 18×7+FC鋼絲繩斷面

該礦井的具體參數(shù)為：提升機(jī)型號2JK-4.5×2.4/20；最大靜張力280 kN；最大靜張力差180 kN；提升高度1530 m,提升天輪到井口高度30 m；最大繩端荷載13.362 t(傘鉆：12.8 t，連接和附屬裝置：0.562 t)。

設(shè)計(jì)要求鋼絲繩的安全系數(shù)選擇6.5倍，為確保安全生產(chǎn)，鋼絲繩必須符合以下規(guī)定：

F總和/m≥(M×L+Q荷載) ×g

(1)

式中：F總和—最小鋼絲破斷拉力總和;

m—安全系數(shù);

M—鋼絲繩長度參考重量,kg/100 m;

L—鋼絲繩的懸掛長度，100 m。

Q荷載=q傘鉆+q附屬；

(2)

式中：g—重加速度,m/s2。

F總和=F0×Kh

(3)

F0=K′×D2×R0

(4)

式中：Kh—最小鋼絲破斷拉力總和與鋼絲繩最小破斷拉力的換算系數(shù)，查GB 8919-2006中Kh為1.283；

F0—鋼絲繩最小破斷拉力，N；

D—鋼絲繩的公稱直徑，mm；

K′—指定某一結(jié)構(gòu)鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)，查GB 8919-2006中K′為0.310；

R0—鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，MPa，本事例R0選擇1960 MPa。

M=KD2

(5)

式中，K—鋼絲繩的長度重量系數(shù)，kg/100 m·mm2;

D—鋼絲繩的公稱直徑,mm,查GB 8919-2006中K為0.39。

對不等式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得鋼絲繩的公稱直徑應(yīng)大于：

(6)

經(jīng)計(jì)算，鋼絲繩的公稱直徑D應(yīng)大于47.67 mm，根據(jù)GB 8919-2006中關(guān)于鋼絲繩直徑的標(biāo)準(zhǔn)序列，選擇公稱直徑為48 mm的鋼絲繩，但是根據(jù)以往的使用經(jīng)驗(yàn)，鋼絲繩直徑44 mm較大，超過該直徑后，提升機(jī)的卷筒直徑與鋼絲繩直徑的比值就會降低，這樣勢必會降低鋼絲繩的使用壽命。再有18×7+FC類鋼絲繩屬于微旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，鋼絲繩的抗旋轉(zhuǎn)性不是很好，特別是在超深井的提升時。

2 改進(jìn)方案

在ASTMA 1023/A 1023M-07[2]中，根據(jù)鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能高低將鋼絲繩細(xì)分為3類:抗旋轉(zhuǎn)性能最好的鋼絲繩，該類鋼絲繩由3層股構(gòu)成，最外層至少有15根股，通過2次合繩將組繩不同位置股捻制在中心結(jié)構(gòu)外，鋼絲繩旋轉(zhuǎn)性很小(有的資料稱為抗旋轉(zhuǎn)或低旋轉(zhuǎn)鋼絲繩)；抗旋轉(zhuǎn)性能較好鋼絲繩，該類鋼絲繩由2層以上股構(gòu)成，最外層至少有10根股，通過2次或3次合繩將組繩不同位置股捻制在中心結(jié)構(gòu)外，鋼絲繩具有明顯的抗旋轉(zhuǎn)性(這類鋼絲繩繩股層數(shù)與成繩次數(shù)一致，但旋向相反)；抗旋轉(zhuǎn)性能最差的鋼絲繩，繩由2層股組成，最外層不超過9根股，通過2次合繩將組繩位置股捻制在中心結(jié)構(gòu)外，鋼絲繩兩層旋向可以相同，鋼絲繩具有有限的抗旋轉(zhuǎn)性。

可以看出18×7+FC類鋼絲繩屬于抗旋轉(zhuǎn)性能較好的鋼絲繩，但不是抗旋轉(zhuǎn)最好的鋼絲繩，為了保證安全生產(chǎn)，決定選擇抗旋轉(zhuǎn)性最好的鋼絲繩。根據(jù)該礦井的實(shí)際特點(diǎn)，推薦使用《壓實(shí)股鋼絲繩》YB/T5395-2010中35W×K7類鋼絲繩，鋼絲繩截面見圖2，即鋼絲繩結(jié)構(gòu)為16∶6/6+6+1，股繩結(jié)構(gòu)1×K7。

圖2 35W×K7鋼絲繩斷面

該鋼絲繩分兩次捻制，先生產(chǎn)繩芯，結(jié)構(gòu)為6/6+6+1，第二次再在外層包覆16根外層股，并且兩次的捻制的方向相反，這樣可平衡內(nèi)外層鋼絲繩的扭距，并且對鋼絲繩的股繩采用壓實(shí)處理。

該鋼絲繩的特點(diǎn)是：比同規(guī)格同強(qiáng)度的18×7+FC 鋼絲繩的破斷拉力提高32%;良好的抗旋轉(zhuǎn)性;柔軟性更強(qiáng);耐磨性更好;抗變形能力強(qiáng)，更適合多層卷繩。

根據(jù)不等式(6)計(jì)算鋼絲繩公稱直徑，其中：查YB/T5395-2010Kh為1.287；查YB/T5395-2010K′為0.410；本事例R0選擇1960 MPa；查YB/T5395-2010K為0.510。計(jì)算鋼絲繩的直徑D應(yīng)大于39.89 mm，根據(jù)YB/T5395-2010中關(guān)于鋼絲繩直徑的標(biāo)準(zhǔn)序列，選擇公稱直徑為40 mm的鋼絲繩。

根據(jù)計(jì)算，35 W×K7-40 mm的鋼絲繩比18×7+FC-48 mm鋼絲繩面積減少30.5%，并且35 W×K7鋼絲繩在超深提升中的抗旋轉(zhuǎn)性大大優(yōu)于18×7+FC鋼絲繩，經(jīng)過與設(shè)計(jì)單位和施工單位的充分溝通，選用35 W×K7-40 mm的鋼絲繩做為主提升鋼絲繩。

3 鋼絲繩的正確使用

3.1 纏繞方向

安裝新鋼絲繩之前，應(yīng)當(dāng)檢查與鋼絲繩相關(guān)的部件，如卷筒、天輪、導(dǎo)向輪的條件和尺寸，以確認(rèn)相關(guān)部件的條件和尺寸是否符合原設(shè)備制造商或有關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[3]。

鋼絲繩在滾筒上的纏繞方向：左右捻向的鋼絲繩在滾筒上纏繞的方向，必須根據(jù)使鋼絲繩捻緊而不是捻松的方向纏繞。右捻(Z捻)的鋼絲繩，如滾筒自上向下旋轉(zhuǎn)，則鋼絲繩應(yīng)自左向右排列(如圖3(a)所示)，如滾筒自下向上旋轉(zhuǎn)，則鋼絲繩應(yīng)自右向左排列(如圖3(b)所示)；相反如果是左捻(S捻)的鋼絲繩，則其滾筒上的鋼絲繩的排列方向應(yīng)按圖4(a)或圖4(b)進(jìn)行排列。

圖3 右捻鋼絲繩在滾筒上的排列方向

3.2 繩輪和卷筒的繩槽

繩槽的半徑應(yīng)當(dāng)比鋼絲繩公稱半徑大7.5%左右，而且絕不能小于鋼絲繩半徑的105%。如果繩槽過小，鋼絲繩使用早期就可能出現(xiàn)問題；繩槽與鋼絲繩必須有間隙，且對鋼絲繩具有足夠的環(huán)形支撐，以保證股的正常運(yùn)行并允許彎曲。當(dāng)繩槽磨損后，鋼絲繩被卡緊，股和絲的運(yùn)動受阻，鋼絲繩彎曲能力降低。當(dāng)新繩換上時，與舊繩直徑有很明顯的稍小差異，新繩可能無法適合舊繩的磨痕，因而產(chǎn)生不必要的磨損，如果認(rèn)為新繩換上后磨損過大時，可以采用機(jī)加工的方法來校正。

圖4 左捻鋼絲繩在滾筒上的排列方向

3.3 傾斜角

傾斜角是由繩輪中心引出的卷筒軸線的垂直線與由繩輪中心引出到卷筒內(nèi)沿邊緣線之間的夾角，見圖5。天輪到滾筒的鋼絲繩的最大內(nèi)、外偏角不得超過1°30′。單層纏繞時，內(nèi)偏角應(yīng)保證不咬繩[4]以保證鋼絲繩在平面卷筒上與相鄰一圈以及在有繩槽卷筒與繩槽兩側(cè)的磨損為最小，在摩擦式提升中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)傾斜角。

圖5 鋼絲繩傾斜角

4 鋼絲繩的檢測

4.1 新鋼絲繩的檢測

鋼絲繩在使用前，檢查鋼絲繩有無“安全標(biāo)志”，并識別“安全標(biāo)志”的真?zhèn)蝃5]，同時檢查是否有合格的出廠質(zhì)量保證書。

驗(yàn)收檢驗(yàn)的依據(jù)是根據(jù)MT716—2005《煤礦重要用途鋼絲繩驗(yàn)收技術(shù)條件》和GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》和訂貨合同。

對鋼絲繩進(jìn)行捻制質(zhì)量、表面質(zhì)量(用手感和目測方法)進(jìn)行檢查。還要進(jìn)行直徑、不圓度、長度等的測量。直徑的測量應(yīng)使用寬口游標(biāo)卡尺，其鉗口的最小寬度應(yīng)足以跨越兩個相鄰的股。

4.2 在用鋼絲繩的檢測

(1) 銹蝕。銹蝕對鋼絲繩的強(qiáng)度和耐沖擊性能影響很大。從某種意義(如韌性和強(qiáng)度的變化率)上講，它要比斷絲和磨損更加嚴(yán)重。因此，檢查時如發(fā)現(xiàn)銹蝕嚴(yán)重，點(diǎn)蝕麻坑已形成溝紋，不論斷絲或繩徑是否變化，必須立即更換。如檢查時發(fā)現(xiàn)鋼絲繩出“紅油”，說明繩芯無油，內(nèi)部生銹，應(yīng)引起注意，必要時可切開繩頭檢查鋼絲繩內(nèi)部銹蝕情況。

(2) 磨損。通常以鋼絲繩標(biāo)稱直徑為準(zhǔn)計(jì)算直徑減小量作為更換的標(biāo)準(zhǔn)，鋼絲繩直徑的測量必須選用鉗口寬度跨越兩個相鄰股寬的游標(biāo)卡尺測量，根據(jù)不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到磨損規(guī)定值時必須進(jìn)行更換。

(3) 斷絲。按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，各種股捻鋼絲繩在一個捻距內(nèi)斷絲面積與鋼絲總面積之比，達(dá)到規(guī)定數(shù)值時，必須更換。

5 鋼絲繩的維護(hù)

鋼絲繩再涂油。應(yīng)當(dāng)在鋼絲繩出現(xiàn)銹蝕或干的跡象之前，有規(guī)律的定期涂油，涂油的主要目的是保護(hù)外層鋼絲不受銹蝕，減少股間鋼絲和絲間鋼絲磨損，阻止?jié)駳夂退莸冉肜K內(nèi)。

鋼絲繩出現(xiàn)斷絲后，必須用克絲鉗沿鋼絲根部將鋼絲搖斷，避免斷絲將其它鋼絲鉻傷。

6 結(jié) 語

通過設(shè)計(jì)單位、施工單位和鋼絲繩生產(chǎn)單位的共同努力，該礦井已如期開工，為我國超深井鑿井用鋼絲繩的選擇，開辟了一條新的思路，同時，本文對鋼絲繩正確使用、檢查、維護(hù)的闡述，必將對礦山的安全生產(chǎn)起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 8919-2006.重要用途鋼絲繩[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2]ASTM ASTM. A 1023/A 1023M-07 Standard Specification for Standed Carbon Steel Wire Ropes for General Puroses [S],USA:ASTM,2007.

[3]張 鈁.EN12385-3：2004 鋼絲繩—安全第三部分：使用和維護(hù)信息[S]//戴寶昌.國外鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)譯文集.鄭州：中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院，2007：475￣486.

[4]安全生產(chǎn)、勞動保護(hù)政策法規(guī)系列專輯編委會.煤礦安全規(guī)程[J].北京：中國勞動社會保障出版社.

[5]湯思忠.鋼絲繩用油脂的選擇與使用[M].金屬制品,2008(1).