常村煤礦主井提升系統(tǒng)技術(shù)改造設(shè)計(jì)

元江博，李雪方

（1.山西潞安化工集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100；2.晉能控股電力集團(tuán)太陽能科技有限公司，山西 長(zhǎng)治 046011）

1 改造原則

常村煤礦為生產(chǎn)礦井，基于現(xiàn)有主井井筒裝備、提升容器外形尺寸、主井井架、提升機(jī)基礎(chǔ)等設(shè)施維持不變的前提下，對(duì)現(xiàn)有提升設(shè)備進(jìn)行更換，使其影響主井提升系統(tǒng)正常生產(chǎn)的時(shí)間最短，并滿足礦井年提升能力8.00 Mt/年的生產(chǎn)要求。

2 主井提升系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

主井提升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)礦井原煤提升任務(wù)，裝備一對(duì)30 t 箕斗。提升系統(tǒng)的提升高度為483.0 m，提升速度為13 m/s。裝備德國(guó)SIEMAG 公司的5 繩摩擦式提升機(jī)，滾筒直徑5 000 mm，箕斗提升量30 t。電控系統(tǒng)采用德國(guó)西門子公司交-交變頻同步電機(jī)系統(tǒng)，詳見表1。

表1 主井提升系統(tǒng)參數(shù)

3 技術(shù)改造方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有主井井筒裝備、提升容器外形尺寸、主井井架、提升機(jī)基礎(chǔ)等主要設(shè)施維持不變的前提，擬通過增加單次提升量的方式對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行改造，以下描述為詳細(xì)的改造方案設(shè)計(jì)。

3.1 改造可行性分析

現(xiàn)箕斗總重61.7 t，有效載重30 t，本體外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）=3 370 mm×1 870 mm×16 000 mm。據(jù)實(shí)際測(cè)算，當(dāng)箕斗裝滿30 t 原煤時(shí)，箕斗內(nèi)的有效裝煤高度仍剩余1.9 m，其有效容積約9 m3，可增加提升原煤約10 t，由此可見，主井箕斗在不改造外形尺寸的前提下，可裝載40 t 原煤。在現(xiàn)有電機(jī)基礎(chǔ)不變的情況下，確定提升系統(tǒng)改造后箕斗自重Qc=56.1 t，有效載重Qz=38 t。

3.2 提升能力計(jì)算

3.2.1 一次循環(huán)主井年提升能力

按主井實(shí)際提升一次循環(huán)時(shí)間Tq=83.29 s，箕斗單次提升量Q=38 t 時(shí)，主井的年提升能力為：An=不能滿足礦井8.0 Mt/年的生產(chǎn)要求。其中br為年工作日，取330 d；t 為日工作時(shí)長(zhǎng)，取16 h；C 為不平衡系數(shù)；af為裕量。

3.2.2 滿足年提升能力8.0 Mt/年途徑

提高年提升能力主要是減小提升一次循環(huán)時(shí)間Tq，其計(jì)算如下減小Tq途徑為提高最大提升速度，加大主加、減速度，縮短休止時(shí)間θ。

1）提高最大提升速度：根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，立井提升容器提升物料的最大提升速度為[1]：（H 為提升高度），現(xiàn)最大提升速度為13 m/s，基本接近最大提升速度的臨界值，故此方案不可取。

2）加大主加、減速度：現(xiàn)主加、減速度均為0.75 m/s2，提高主加速度為0.8 m/s2、主減速度為1 m/s2，主加、減時(shí)間分別為17.85 s、15 s。按照三階段速度圖計(jì)算，等速時(shí)間為20.73 s。改變主加、減速度后一次循環(huán)時(shí)間減少了0.91 s。

3）縮短休止時(shí)間：提升休止時(shí)間主要是指裝卸載時(shí)間，現(xiàn)采用定量板式輸送機(jī)裝載、風(fēng)動(dòng)外動(dòng)力卸載，休止時(shí)間為28.8 s。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)裝卸載時(shí)間來看，休止時(shí)間主要是受裝載時(shí)間制約。需對(duì)井下裝載定量板式輸送機(jī)進(jìn)行更換，休止時(shí)間可調(diào)整為28.4 s，可縮短0.4 s。因?yàn)榇蠓瓤s短休止時(shí)間對(duì)提升電動(dòng)機(jī)散熱冷卻不利，所以僅對(duì)休止時(shí)間進(jìn)行小范圍調(diào)整。

根據(jù)以上對(duì)主加、減速度和休止時(shí)間的調(diào)整，整個(gè)提升循環(huán)時(shí)間為：Tq=17.85+15+20.73+28.4=81.98 s。

3.2.3 擬改造后主井的年提升能力

本次按提高主加速度為0.8 m/s2、主減速度為1 m/s2、一次提升循環(huán)時(shí)間Tq=81.98 s 考慮，重新計(jì)算主井年提升能力8.01 Mt/年，滿足礦井8.0 Mt/年的生產(chǎn)要求。

3.3 主要提升設(shè)備的改造及驗(yàn)算

3.3.1 鋼絲繩

首繩的選擇：提高首繩的抗拉強(qiáng)度，維持原繩徑不變，技術(shù)參數(shù)詳見表2。

表2 提升主鋼絲繩參數(shù)

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定值：M物=7.2-0.000 5H=6.93，其中M物為提物質(zhì)量。

平衡扁尾繩共3 根，技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 提升尾繩參數(shù)

3.3.2 提升機(jī)

主井提升系統(tǒng)主要受力有鋼絲繩最大靜張力和鋼絲繩最大靜張力差，鋼絲繩最大靜張力Fz=（Q+Qc+5Pk1H）g=（38 000+56 100+5×9.29×483）×9.8/1 000=1 142.0 kN；鋼絲繩最大靜張力差Fc=（Q+5Pk1Hc）g=（38000+5×9.29×8）×9.8/1000=376.0kN。

現(xiàn)有提升機(jī)最大靜張力（1 078 kN）和最大靜張力差（294 kN）不滿足要求，需要更換主軸裝置、滾筒、軸承和軸承座及潤(rùn)滑油站，以滿足要求。

3.3.3 制動(dòng)系統(tǒng)

隨著提升有效載荷由30 t 增加至38 t，提升系統(tǒng)最大靜張力差隨之增大，原有的制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力矩及提升系統(tǒng)防滑已不能滿足改造后新系統(tǒng)的要求，本次設(shè)計(jì)新選用一套進(jìn)口閘控系統(tǒng)（主要包括液壓站、閘控柜等），采用雙恒減速電液制動(dòng)控制裝置，它與盤形制動(dòng)器共同組成提升機(jī)電液制動(dòng)系統(tǒng)[2]。更換時(shí)可以在保持原閘座不變的前提下，僅更換閘頭，即可滿足驗(yàn)算要求，各種載荷工況下的驗(yàn)算情況見表4、下頁表5。

表4 有效載荷上升驗(yàn)算

表5 有效載荷下降驗(yàn)算

3.3.4 天輪

按照改造后的工況經(jīng)過驗(yàn)算，需要更換天輪（包括天輪主軸、軸承及軸承座），適當(dāng)進(jìn)行部分加粗即可滿足使用要求，天輪強(qiáng)度和疲勞計(jì)算如下頁圖1 所示。

圖1 天輪強(qiáng)度計(jì)算受力分布圖

載荷按照最大提升載荷38 t 計(jì)算，即T=1 142.0 kN，當(dāng)最大靜張力差為376 kN，按照提升重物的加速階段計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)論見表6。

表6 計(jì)算結(jié)論統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《化工手冊(cè)第四版》第2 卷表6-1-26 規(guī)定，許用安全系數(shù)Sp：對(duì)載荷確定準(zhǔn)確、應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確的可取Sp=1.5。按以上計(jì)算可知，采用較好的35CrMo 鍛件，從截面2 疲勞安全系數(shù)Sσ2=1.448 來看偏小，應(yīng)將其軸徑適當(dāng)加粗，其余截面的安全系數(shù)均可使用。

3.3.5 提升主電動(dòng)機(jī)

將提升有效載荷增至38 t 時(shí)，原來的2×2 000 kW已不能滿足要求，電動(dòng)機(jī)容量擬增加至2×2 700 kW。

按照主加速度為0.8 m/s2、主減速度為1.0 m/s2，休止時(shí)間為28.4 s，提升循環(huán)時(shí)間81.98 s 計(jì)算，電動(dòng)機(jī)等效功率[3]電機(jī)功率選擇滿足要求。

電機(jī)作用于滾筒上的額定力[4]提升大件時(shí)在主加速段起始產(chǎn)生最大力Fmax=638.03 kN。電動(dòng)機(jī)的過載倍 數(shù)過載倍數(shù)滿足要求。

3.3.6 主井提升機(jī)房提升機(jī)基礎(chǔ)

委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)該基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)。提升機(jī)基礎(chǔ)平面圖，如圖2 所示。

圖2 提升機(jī)基礎(chǔ)平面示意圖

檢測(cè)結(jié)論如下：

1）基礎(chǔ)鋼筋銹蝕情況。結(jié)構(gòu)判別為：無銹蝕活動(dòng)性或銹蝕活動(dòng)性不確定，銹蝕概率5%。

2）基礎(chǔ)混凝土裂縫情況。結(jié)果顯示，在基礎(chǔ)側(cè)壁2b 西側(cè)、側(cè)壁1a 南側(cè)、側(cè)壁2a 西側(cè)、基礎(chǔ)4.150 平面及剎車底座混凝土部位均發(fā)現(xiàn)不同程度的開裂情況，其余位置并未發(fā)現(xiàn)明顯的開裂情況?；A(chǔ)表面所發(fā)現(xiàn)裂縫僅為基礎(chǔ)混凝土表面抹灰層開裂，基礎(chǔ)混凝土并未發(fā)生開裂。

3）結(jié)合基礎(chǔ)混凝土鋼筋銹蝕情況調(diào)查結(jié)果，該基礎(chǔ)混凝土腐蝕情況評(píng)定等級(jí)評(píng)為a 級(jí)。

4）根據(jù)本系統(tǒng)改造后滾筒側(cè)鋼絲繩最大靜張力Fz=1 142.0 kN，滾筒側(cè)鋼絲繩最大靜張力差Fc=376.0 kN。主井絞車房提升機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算校核后，提升機(jī)基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

5）基礎(chǔ)混凝土的裂縫采用裂縫修補(bǔ)技術(shù)灌漿法修補(bǔ)，并外貼纖維復(fù)合材料再抹保護(hù)層。

4 建設(shè)工期

常村煤礦本次系統(tǒng)技術(shù)改造涉及范圍廣，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施宜采用分階段停產(chǎn)進(jìn)行，盡量每月完成一項(xiàng)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)的影響降到最小，影響時(shí)間見下頁表7。

表7 改造影響時(shí)間

常村煤礦主提升系統(tǒng)改造項(xiàng)目影響正常生產(chǎn)時(shí)間概算為58 d。根據(jù)提升系統(tǒng)施工進(jìn)度，設(shè)備招投標(biāo)、訂貨和設(shè)計(jì)周期為15 個(gè)月，預(yù)計(jì)17 個(gè)月完成主井提升系統(tǒng)技術(shù)改造項(xiàng)目。