多繩摩擦輪無平衡錘深井提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 興 黃智群

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2. 金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.江西漂塘鎢業(yè)有限公司)

·材料·裝備·

多繩摩擦輪無平衡錘深井提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 興1,2,3黃智群4

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2. 金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.江西漂塘鎢業(yè)有限公司)

隨著淺層礦產(chǎn)資源的消耗，礦山未來開采深度必然會逐漸增加。目前我國地下礦山的平均開采深度已達(dá)到500 m，當(dāng)開采深度超過1 200 m后，多繩摩擦輪提升機(jī)鋼絲繩存在應(yīng)力波動及尾繩纏繞、井筒氣流擾動等安全問題。設(shè)計(jì)一種多繩摩擦輪無平衡錘深井提升系統(tǒng)，在提升高度小于2 600 m的情況下，該單套提升系統(tǒng)提升能力能達(dá)到百萬噸以上，解決了我國今后相當(dāng)長的時間內(nèi)深井礦山開采面臨的提升難題。

深井開采 多繩摩擦輪提升機(jī) 鋼絲繩 應(yīng)力波動 配重

人類對地球淺表礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)至今已超過100 a歷史,地球淺表礦產(chǎn)資源已近枯渴，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前，我國礦山的平均開采深度為500 m，未來開采深度必然會達(dá)到1 000～ 2 000 m。以目前本溪大臺溝鐵礦為例，其最終計(jì)劃深度達(dá) 2 000 m[1]。而國外一些礦業(yè)大國的礦山開采深度已經(jīng)達(dá)到2 500～4 000 m，其中AngloGold Ashanti公司下屬的Tautona礦山，井深已達(dá)3 900 m，是目前世界范圍內(nèi)最深的礦井。

與淺表資源開發(fā)相比，深部資源開發(fā)面臨一系列技術(shù)、安全、環(huán)境等問題。我國有關(guān)部門根據(jù)深部資源開發(fā)超過一定深度之后所存在的一些共性問題，非正式地將超過1 200 mm定義為深井開采。礦井在超過這一深度之后，將面臨著巖爆、高溫、提升等技術(shù)問題。研究、設(shè)計(jì)出一種新的提升系統(tǒng)，對解決深井開采的提升問題具有十分重要的意義。

1 提升系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦山現(xiàn)有提升設(shè)備有單繩纏繞式提升、多繩摩擦式提升、多繩纏繞式(布雷爾式)提升等。其中單繩纏繞式提升一般用于深度小于300 m的礦井，深度在300～1 400 m的礦井多采用多繩摩擦式提升，超過這一深度的都用多繩纏繞式(布雷爾式)提升[2]。

有關(guān)礦井提升文獻(xiàn)認(rèn)為,多繩摩擦提升高度應(yīng)按防滑條件確定其最小高度、按鋼絲繩強(qiáng)度確定其最大高度。因此, 理論上多繩摩擦提升應(yīng)可用于深井提升。但是在南非深井(超過1 353 m,最深達(dá) 1 952 m )的使用過程中遇到了如提升鋼絲繩的壽命、尾繩過長產(chǎn)生扭結(jié)呈8字形等問題。在南非認(rèn)為多繩摩擦提升高度不應(yīng)超過1 525 m，最好不超過 1 220 m。原西德根據(jù)鋼絲繩合理的經(jīng)濟(jì)使用壽命,提出鋼絲繩中的應(yīng)力波動值不應(yīng)超過 16.5 kg/mm2,當(dāng)鋼絲繩抗拉應(yīng)力為176.5 kg/mm2時,提升高度不應(yīng)超過1 700 m[3]。另有研究，為了保證必要的鋼絲繩使用壽命，在鋼絲繩任意斷面處的應(yīng)力波動值不應(yīng)大于鋼絲繩破斷力的11.5%[4]。

以上一些研究及實(shí)際使用表明，多繩摩擦輪提升并不適用于超過1 700 m(最好不能超過1 200 m)，如果超過這一高度，即存在以下問題：

(2)提升需尾繩配重，井深時尾繩過長，容易產(chǎn)生扭結(jié)呈8字，存在提升安全隱患。

(3)提升容器和平衡錘同時在井筒中運(yùn)動時壓縮井筒空氣，在兩者交叉時，兩股壓縮氣流相遇，容易形成較大阻力。在深井提升速度過快時，特別是使用鋼絲繩罐道，強(qiáng)氣流不但導(dǎo)致提升阻力增大，而且還容易導(dǎo)致提升容器運(yùn)行不穩(wěn)或尾繩纏繞。

2 新型多繩摩擦輪無平衡錘提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)簡介

新型多繩摩擦輪無平衡錘提升系統(tǒng)，取消了原提升中的配重平衡錘及尾繩，改為在井筒上部提升容器相對于主導(dǎo)輪另一側(cè)增加一個自動配重輪代替平衡錘配重。該提升系統(tǒng)布置示意如圖1所示。

圖1 多繩摩擦輪無平衡提升系統(tǒng)

提升容器1懸掛鋼絲繩繞過提升機(jī)主導(dǎo)輪2后，連接到自動配重輪3，再繞到上部轉(zhuǎn)向輪4，轉(zhuǎn)向后，鋼絲繩通過井筒，經(jīng)井底導(dǎo)向輪5和轉(zhuǎn)向輪6與提升容器1底板連接。整個系統(tǒng)中，主導(dǎo)輪，上、下轉(zhuǎn)向輪，導(dǎo)向輪均采用固定布置，而自動配重輪則通過軸承活動安放于支架上。

圖2為自動配重輪結(jié)構(gòu)，其軸承1安放在調(diào)節(jié)裝置2(即安裝支架)上，同時在自動配重輪中心軸兩側(cè)各懸吊一組鋼絲繩拉緊塊3(鋼絲繩拉緊塊3的總重量以始終能把鋼絲繩拉緊為原則)。為防止自動配重輪軸承1在意外受力的情況下向上運(yùn)動，在調(diào)節(jié)裝置2兩側(cè)每隔一定距離配以逆止銷4。當(dāng)提升系統(tǒng)第一次安裝時，將自動配重輪軸承1安放于調(diào)節(jié)裝置2上部第一和第二個逆止銷之間，而后隨著提升鋼絲繩被拉長，鋼絲繩產(chǎn)生松弛，配重輪在自身重力及配重塊拉緊作用下，自動向下運(yùn)動，越過第二個逆止銷，進(jìn)入第二與第三個逆止銷之間并順序向下運(yùn)動，直至最終鋼絲繩穩(wěn)定不再被拉長。當(dāng)需更換鋼絲繩時，只需將安裝調(diào)節(jié)裝置2兩側(cè)兩根立柱中的活動立柱5松脫移位，再將自動配重輪吊升到第一和第二個逆止銷位置，將活動立柱5重新安裝固定既可，而固定立柱6不動。

為了保證鋼絲繩在使用過程中只要被拉長即能被配重輪自動拉緊，配重塊和配重輪的總重量應(yīng)等于或稍大于容器最大裝載量時容器與鋼絲繩的重量總和，即配重塊重量應(yīng)按照容器最大裝載量時進(jìn)行配置。

2.2 傳動原理分析

如圖3所示，多繩摩擦提升動力是依靠摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力來傳遞的，其工作的可靠性取決于提升鋼絲繩與摩擦襯墊之間是否有足夠的摩擦力。

圖2 配重輪示意

圖3 摩擦提升傳動原理

根據(jù)柔索傳動的歐拉公式可知，在極限狀態(tài)下，摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩張力的比值為：

F1=F2eμa，

(1)

式中,F1,F2分別為重、輕載側(cè)鋼絲繩張力,N；μ為鋼絲繩與襯墊之間的摩擦系數(shù)；α為鋼絲繩在摩擦輪上的圍抱角,rad。

在式(1)兩邊各減去F2，則有：

F1-F2=F2(eμa-1) .

(2)

式(2)的左邊為摩擦輪兩側(cè)的張力差，是產(chǎn)生滑動的力;右邊是整個圍抱弧上產(chǎn)生的極限摩擦力，是阻止滑動的力，即摩擦提升的牽引力。

當(dāng)式(2)左邊的值大于右邊的值時，鋼絲繩與摩擦輪將產(chǎn)生相對滑動，提升安全性是不可靠的,也是不允許的。為了提升工作的安全可靠性，在極限狀態(tài)下，必須有F1-F2

應(yīng)用本系統(tǒng)后，由于鋼絲繩始終被拉緊，很明顯F1=F2，說明摩擦輪兩側(cè)的張力差始終為0，即系統(tǒng)產(chǎn)生的滑動力始終為0，不會產(chǎn)生滑動。而系統(tǒng)提升的牽引力(即靜張力)為：

Fq=F2(eμa-1)=(Fk+FL)(eμa-1)g

=(Qr+Q+pH)(eμa-1)g ，

(3)

式中,Fq為系統(tǒng)牽引力；Fk為配重塊質(zhì)量，kg；FL為配重輪自重，kg；Qr為容器質(zhì)量，kg；Q為容器最大載重量，kg；p為鋼絲繩單位重量，kg/m；H為鋼絲繩懸垂長度，m。

當(dāng)μ=0.25，α=180°時，

Fq=1.19(Qr+Q+pH)g .

(4)

2.3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

(1)由于采用自動配重輪，鋼絲繩始終受同一個力(即配重塊和配重輪重力)拉緊狀態(tài)，因而(容器與提升鋼絲繩連接處的)鋼絲繩斷面上應(yīng)力始終不變。也即提升鋼絲繩任意斷面處的應(yīng)力波動值理論上為零，因而井筒再深，對其均沒有影響。

(2)整個提升系統(tǒng)鋼絲繩均被拉緊，容器下部鋼絲繩有轉(zhuǎn)向輪拉緊轉(zhuǎn)向，消除了多繩提升平衡尾繩自動松弛，容易產(chǎn)生8字扭結(jié)纏繞的危險。

(3)取消了平衡錘。在井筒斷面不變的情況下，容器運(yùn)行時，其壓縮的井筒空氣，可從原來布置平衡錘的一側(cè)分散，有效減小了井筒阻力，避免有平衡錘提升時，容器與平衡錘交叉時壓縮氣流相遇形成的氣流突然擾動變化，給提升容器運(yùn)行帶來的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

(4)減掉了平衡錘占用的井筒空間，可縮小井筒斷面，節(jié)省井筒投資。

(5)容器首尾均被鋼絲繩拉緊，此時的提升鋼絲繩相當(dāng)于一組鋼絲繩罐道，在一定的條件下，容器運(yùn)行罐道可以取消，進(jìn)而也可以取消罐道梁，可節(jié)省大量井筒裝備材料及費(fèi)用。

3 預(yù)測應(yīng)用效果分析

使用本系統(tǒng)后，由于提升鋼絲繩沒有了應(yīng)力波動，也不會產(chǎn)生尾繩纏繞，因此，影響其提升高度的因素只有鋼絲繩的安全系數(shù)及提升機(jī)最大張力。根據(jù)《多繩摩擦式提升機(jī)》(GBT 10599—2010)及中信重工提升機(jī)樣本，目前，國內(nèi)靜張力最大的提升機(jī)為JKM5.5×6型塔式提升機(jī)，其最大靜張力為2 000 kN，允許的最大提升速度為16m/s。此外，根據(jù)《重要用途鋼絲繩》(GB 8918—2006)，適合多繩提升的鋼絲繩中，“鋼絲繩破斷拉力/鋼絲繩重量”比值最大為6Q×19+6V×21+7FC和6Q×33t6V×21+7FC型鋼絲繩。如果采用以上提升機(jī)及鋼絲繩配合，鋼絲繩安全系數(shù)大于6.5，計(jì)算最大靜張力不大于2 000 kN的情況下，其鋼絲繩直徑最大可配φ48 mm規(guī)格(該鋼絲繩重量為9.26 kg/m，在1 960 MPa抗拉強(qiáng)度下，其最小破斷力為1 910 kN)。據(jù)此計(jì)算出各規(guī)格提升容器可實(shí)現(xiàn)的最大提升高度及能力，見表1。

從表1可以看出，在提升高度小于2 600 m時，單套提升系統(tǒng)的年提升能力可過百萬噸，完全能解決今后很長時間內(nèi)我國深井礦山開采面臨的提升難題。

表1 各提升容器提升能力

4 結(jié)論與建議

多繩摩擦輪提升，如果僅僅局限于現(xiàn)有技術(shù)，很難適用于提升高度超過1 200 m的井筒。本文設(shè)計(jì)的多繩摩擦輪無平衡錘提升系統(tǒng)，在地表井筒外設(shè)置配重輪代替平衡錘，提升鋼絲繩和提升容器首尾相連，鋼絲繩在提升過程中受力始終不變,解決了深井提升中多繩摩擦輪提升鋼絲繩應(yīng)力波動問題、深井提升尾繩纏繞、井筒氣流擾動等帶來的安全問題。在現(xiàn)有裝備及規(guī)程要求下，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)提升高度小于2 600 m時，單套提升系統(tǒng)的年提升能力可過百萬噸，完全能解決今后很長時間內(nèi)我國深井礦山開采面臨的提升難題。

當(dāng)然，本系統(tǒng)雖然解決了目前深井多繩摩擦輪提升中存在的一些主要問題，但如果要經(jīng)濟(jì)、合理地應(yīng)用到實(shí)際，還需繼續(xù)優(yōu)化、完善。

(1)在本提升系統(tǒng)中，一個提升周期內(nèi)，鋼絲繩需經(jīng)過主導(dǎo)輪、配重輪、導(dǎo)向輪、轉(zhuǎn)向輪等，鋼絲繩在短時間內(nèi)要經(jīng)過反復(fù)彎曲變形。因此，要盡可能地延長鋼絲繩的使用壽命，最好還要研制出柔韌性更高、抗彎曲變形能力更強(qiáng)的鋼絲繩。

(2)本提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，仍未解決深井提升中鋼絲繩自重占提升系統(tǒng)終端載荷比例過大的問題。因此，下一步還需研制出強(qiáng)度更大、重量更輕的鋼絲繩。

[1] 劉勁軍,鄒聲勇,張步斌,等.我國大型千米深井提升機(jī)械的發(fā)展趨勢[J].礦山機(jī)械，2012,40(7):1-5.

[2] 戴紫孔.深井提升技術(shù)初探[J].中國礦山工程,2012,41(3):59-62.

[3] 謝意龍.多繩摩擦提升高度的適用范圍[J].煤礦設(shè)備,1983(11):31-41.

[4] 劉勁軍,張步斌,杜 波,等.國內(nèi)提升機(jī)在深井提升中的應(yīng)用前景淺析[J].礦山機(jī)械，2011,39(10):38-41.

Design of Multi-rope Friction Hoisting System Without Balance Weight in Deep Mine

Chen Xing1,2,3Huang Zhiqun4

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine;3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.;4.Jiangxi Piaotang Tungsten Industry,Co.,Ltd.)

With the shallow consumption of mineral resources,the mining depth will be increased gradually in the future.At present, the average mining depth has reached to 500 m in underground mine, when the mining depth over 1 200 m, the safety questions of the multi-rope friction hoisting machine are stress fluctuation, tail rope winding and wellbore flow disturbance. The multi-rope friction hoisting system without balance weight in deep mine is designed, under the condition of the hoisting height is less than 2 600 m, the hoisting capacity of the hoisting system can be more than one million tons, therefore, the hoisting questions occurred in underground mining in quite a long time in the future in our country.

Underground mining, Muti-rope friction hoisting machine, Steel wire rope, Stress fluctuation,Balance weight

2015-05-18)

陳 興(1974—),男，副主任，工程師，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。