泥河鐵礦主井提升設(shè)備選型

孫奉祿 李秀臣

(安徽五鑫礦業(yè)開發(fā)有限公司)

泥河鐵礦主井提升設(shè)備選型

孫奉祿 李秀臣

(安徽五鑫礦業(yè)開發(fā)有限公司)

主井提升系統(tǒng)是泥河鐵礦主要運(yùn)輸系統(tǒng)，在主井提升系統(tǒng)的設(shè)備選型方面進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。根據(jù)泥河鐵礦工程概況以及主井提升系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，確定主井提升系統(tǒng)的提升方式和提升機(jī)型號(hào)。在確定提升系統(tǒng)首尾繩型號(hào)的基礎(chǔ)上，校驗(yàn)了鋼絲繩應(yīng)力波動(dòng)值，并對(duì)其相關(guān)設(shè)備選型進(jìn)行了分析。通過對(duì)安全防滑系數(shù)的驗(yàn)證確定提升系統(tǒng)的合理性,確定主井提升機(jī)的5階速度圖，計(jì)算得出提升系統(tǒng)的年工作能力，為泥河鐵礦安全、高效運(yùn)行提供了良好的支持。

主井提升系統(tǒng) 應(yīng)力波動(dòng) 雙箕斗 安全系數(shù)

泥河鐵礦位于安徽省廬江縣城南25 km，礦區(qū)面積為12.87 km2。根據(jù)前期規(guī)劃，一期開采南西區(qū)-830 m以上礦體，磁鐵礦規(guī)模為220萬t/a；二期開采南西區(qū)-830～-1 070 m的礦體和北東區(qū)礦體，其中南西區(qū)二期新增生產(chǎn)能力180萬t/a，北東區(qū)二期生產(chǎn)規(guī)模為200萬t/a硫鐵礦，礦山總規(guī)模為600萬t/a。根據(jù)泥河鐵礦礦體賦存條件，設(shè)計(jì)采用主、副豎井開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。

1 主井提升系統(tǒng)技術(shù)要求

泥河鐵礦一期1#主井為箕斗井，井口標(biāo)高為22.65 m，井底標(biāo)高為-990 m，井深1 012.65 m,最低運(yùn)輸中段為-850 m。1#主井負(fù)擔(dān)南西區(qū)-830 m以上礦體開采時(shí)，需要承擔(dān)220萬t/a礦石和10萬t/a巖石的提升任務(wù)。泥河鐵礦一期主井提升系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

孫奉祿(1976—)，男，科長(zhǎng)，工程師，231561 安徽省合肥市廬江縣。

表1 主井提升系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2 主井提升設(shè)備選型分析

2.1 鋼絲繩選型

鋼絲繩近似單位質(zhì)量的計(jì)算公式為

(1)

式中，Qd為提升鋼絲繩終端載荷質(zhì)量，kg；N1為提升主繩根數(shù)；σB為鋼絲繩工程抗拉強(qiáng)度，MPa；ma為鋼絲繩最低安全系數(shù)；H0為提升鋼絲繩的懸垂長(zhǎng)度，m。

計(jì)算得出鋼絲繩單位質(zhì)量ps=3.67 kg/m。

國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，采用摩擦式提升，在井深超過800 m時(shí)，鋼絲繩扭轉(zhuǎn)是鋼絲繩損壞的主要原因[1]。故首繩優(yōu)先選擇圓股交互捻鋼絲繩，采用6×36WS+FC-ZS/SZ(共6根),鋼絲繩單位質(zhì)量ps1=4.39 kg/m，鋼絲繩直徑ds1=34 mm；鋼絲繩最小破斷拉力總和Qz=713 kN;鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度σ=1 870 MPa。經(jīng)校檢，首繩安全系數(shù)m=9.12>7.5，故滿足安全規(guī)程要求。

2.2 提升尾繩選型

平衡尾繩的設(shè)置數(shù)量一般為提升鋼絲繩根數(shù)的一半，為了使平衡尾繩的單重和提升鋼絲繩的單重相等，采用等重尾繩計(jì)算[2]。選用3根34×7+FC多層不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，鋼絲繩單位質(zhì)量ps2=8.99 kg/m，尾繩鋼絲繩直徑ds2=48 mm，尾繩鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度σ=1 570 MPa。

多繩摩擦式提升機(jī)在提升過程中存在鋼絲繩應(yīng)力變化。為了保證鋼絲繩的使用壽命，在鋼絲繩任意斷面處的應(yīng)力波動(dòng)值不能大于提升鋼絲繩破斷力的11.5%[3]。對(duì)于雙容器提升，首繩和尾繩之中較重者決定SLR的最大值，由于采用等重尾繩，因此

(2)

式中，SLR為首繩應(yīng)力變化幅，%；Q為有效載重，kg；N2為尾繩根數(shù)；Ps2為尾繩質(zhì)量，kg/m；H為提升高度，m；N1為首繩根數(shù)；B為首繩破斷拉力，N。

計(jì)算得出首繩應(yīng)力變化幅SLR=10.15%，小于11.5%，故符合要求。

2.3 主井提升機(jī)選型

提升系統(tǒng)重載側(cè)最大靜拉力為

Sjmax1=(Q1+Q2+N1ps1H0)g，

(3)

式中，Q1為箕斗自重(含懸掛裝置)，kg；Q2為箕斗有效載重，kg；N1ps1H0為箕斗重載側(cè)鋼絲繩質(zhì)量，kg。

計(jì)算得出重載側(cè)最大靜拉力Sjmax1=693.798 kN。

提升系統(tǒng)空載側(cè)最大靜拉力

Sjmax2=(Q1+N2ps2H0)g，

(4)

式中，N2ps2H0為箕斗空載側(cè)鋼絲繩質(zhì)量，kg。

計(jì)算得出空載側(cè)最大靜拉力Sjmax2=502.127 kN。

鋼絲繩最大靜壓力差為Fc為191.671 kN。

根據(jù)多繩摩擦式提升機(jī)的技術(shù)參數(shù)，JKM-4X6(Ⅲ)E型多繩摩擦式提升機(jī)的最大靜張力為1 200 kN，最大靜張力差為340 kN，故能夠滿足實(shí)際提升負(fù)荷要求。

2.4 電動(dòng)機(jī)的確定

預(yù)選主井提升電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 主井提升電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)的等效力為

(5)

計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)等效力Fd=205 768 N。

電動(dòng)機(jī)的等效功率為

(6)

式中，v為最大提升速度，取12.04 m/s；η為傳動(dòng)效率，取0.93。

計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)等效功率Pd=2 664 kW。

電動(dòng)機(jī)功率為P=1.1Pd=2 930.4 kW,小于3 200 kW，故所選電機(jī)符合功率要求。

2.5 導(dǎo)向輪裝置

選用2組φ4 m的多繩導(dǎo)向輪，用于主井提升鋼絲繩的支撐和導(dǎo)向，每組導(dǎo)向輪有6個(gè)繩輪，繩輪間距為300 mm。導(dǎo)向輪裝置與井塔采用榫接結(jié)構(gòu)連接。導(dǎo)向輪采用SKF、FAG型滾動(dòng)軸承，設(shè)計(jì)壽命大于35×104h，軸承采用脂潤(rùn)滑。每個(gè)軸承上裝備PT100測(cè)溫鉑熱電阻，并接入電控系統(tǒng)，當(dāng)軸承溫度超過工作允用值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。導(dǎo)向輪采用D660型襯墊。

2.6 其他輔助設(shè)備

泥河鐵礦井下采用定量斗裝載方式，裝載系統(tǒng)由礦倉給礦機(jī)、帶式輸送機(jī)、定量斗和裝載溜槽等幾部分組成。主井井塔為鋼筋混凝土框筒結(jié)構(gòu)，井塔全高79 m，平面尺寸為20 m×18 m，提升機(jī)大廳標(biāo)高為66.5 m，安裝一臺(tái)JKM-4X6(Ⅲ)E型多繩摩擦式提升機(jī)及配套控制臺(tái)，大廳內(nèi)設(shè)置控制室。井塔內(nèi)設(shè)一臺(tái)50/10 t吊鉤式起重機(jī),1臺(tái)1 t的客貨電梯，供工作人員檢查巡視系統(tǒng)工作情況以及檢修使用。提升容器的安全保護(hù)采用BS型摩擦滾筒緩沖裝置、FHT型防撞裝置以及HZSH多功能過卷保護(hù)裝置。

3 安全防滑系數(shù)驗(yàn)證

3.1 靜安全防滑系數(shù)

根據(jù)《金屬和非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)規(guī)定，多繩摩擦式提升系統(tǒng)需要同時(shí)滿足重載側(cè)與空載側(cè)的靜張力之比小于1.5、靜安全防滑系數(shù)大于1.75兩個(gè)條件[4]。

重載側(cè)與空載側(cè)靜張力之比為

(7)

計(jì)算得出Kj=1.39,小于1.5，滿足要求。

多繩摩擦式提升系統(tǒng)靜安全系數(shù)為

(8)

式中，μ為鋼絲繩與摩擦輪襯墊間的摩擦系數(shù)，取0.2；α為鋼絲繩繞摩擦輪的圍包角，rad；其他符號(hào)意義同上。

計(jì)算得出δj=3.28，大于1.75，滿足要求。

3.2 動(dòng)安全防滑系數(shù)

由于泥河鐵礦主井采用雙箕斗提升方式，在提升的過程中只存在重載提升加速階段與重載提升減速階段。因此，在對(duì)鋼絲繩動(dòng)安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，只計(jì)算重載提升加速與減速階段即可。

重載提升加速階段首繩張力為

F1=Sjmax1+N1ps1H0a1，

(9)

式中，a1為重載提升階段的加速度，m/s2；其他符號(hào)意義同上。

計(jì)算得出F1=712.401 kN。

重載提升減速階段首繩張力為

(10)

式中,a2為重載提升階段的減速度，m/s2；其他符號(hào)意義同上。

重載提升加速階段尾繩張力為

F2=Sjmax2+N2ps2H0a1.

(11)

計(jì)算得出F2=521.176 kN。

重載提升減速階段尾繩張力為

(12)

重載提升加速階段動(dòng)防滑安全系數(shù)為

(13)

計(jì)算得出δj=2.47，大于1.25，滿足要求。

重載提升減速階段動(dòng)防滑安全系數(shù)為

(14)

3.3 安全制動(dòng)防滑計(jì)算

雙箕斗提升方式只存在重載提升時(shí)的安全制動(dòng)。因此，只驗(yàn)算重載提升安全制動(dòng)時(shí)的減速度是否符合安全規(guī)定[4]。即

(15)

計(jì)算得出重載提升安全制動(dòng)的減速度aj=4.14 m/s2，1.5 m/s2

4 主井提升系統(tǒng)預(yù)計(jì)效果

4.1 提升速度

按照《煤礦工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》，提升設(shè)備的運(yùn)行速度應(yīng)符合下列規(guī)定：

(16)

(17)

式中，a為加速度，取0.7 m/s2；H為提升高度，取988 m。

計(jì)算得出v=10.8～13.34 m/s,取最大提升速度vmax=12.04 m/s。

采用五階段速度圖計(jì)算，提升速度圖見圖1。

圖1 主井提升系統(tǒng)速度

4.2 提升能力

主井提升能力為

(18)

式中,N為每小時(shí)提升次數(shù)；Q為單次有效提升量，t；tn為年工作天數(shù)，d；th為天工作小時(shí),h；kb為不均衡系數(shù)，取0.9；kf為富裕系數(shù)，取1.15。

計(jì)算得出A=258.3萬t/a，能夠滿足礦石開采提升能力的要求，若后期開采提升量增加，可延長(zhǎng)工作時(shí)間th至19.5 h。

5 結(jié) 語

為保證泥河鐵礦一期主井提升系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行，從雙箕斗配置到鋼絲繩安全系數(shù)、提升機(jī)最大靜張力、電動(dòng)機(jī)容量、天輪裝置及材料等各方面嚴(yán)格把關(guān)，在保證提升裝備硬件的前提下對(duì)主井提升系統(tǒng)的安全防滑系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，最后計(jì)算出年提升能力，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為泥河鐵礦主井提升系統(tǒng)的建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為泥河鐵礦安全高效的運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

[1] 李玉瑾.多繩摩擦式提升系統(tǒng)動(dòng)力分析與工程設(shè)計(jì)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[2] 周廼生，嚴(yán)萬生.礦山固定機(jī)械手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1986.

[3] 洪曉華.礦井運(yùn)輸提升[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.GB 16423—2006 金屬與非金屬礦山安全規(guī)程[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

2014-08-08)