馬坑礦業(yè)提升機(jī)尾繩斷裂因素分析及防范措施探討

王華民

（福建馬坑礦業(yè)股份有限公司）

礦井提升機(jī)在各類礦區(qū)中運(yùn)用十分廣泛，擔(dān)負(fù)著地面與井下人員和物料往來的重任，副井的提升系統(tǒng)是井下礦山的關(guān)鍵設(shè)備，普遍采用多繩摩擦式提升機(jī)。多繩摩擦式提升機(jī)由主軸、車槽、減速器、深度指示自動(dòng)調(diào)零裝置、尾繩懸掛裝置組成。多繩摩擦式提升機(jī)具有設(shè)備質(zhì)量輕、安全性較高、電耗較低、鋼絲繩松捻扭力小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)主要是防腐性能偏低和鋼絲繩不能調(diào)節(jié)。由于摩擦式提升是靠鋼絲繩與摩擦輪襯墊間的摩擦力傳遞摩擦輪作用力的，因此提升鋼絲繩外部不允許涂鋼絲繩潤滑脂，降低了鋼絲繩的防腐性能。此外，在生產(chǎn)運(yùn)行期間，除了鋼絲繩變形伸長需截?cái)嗤?，鋼絲繩的長度不能調(diào)整，因此，不適用于多水平提升。

由于提升機(jī)的頻繁使用，加上惡劣的工況環(huán)境，設(shè)備故障在所難免，為此，有許多關(guān)于提升機(jī)故障診斷技術(shù)的研究成果，對提升機(jī)的各部件開展診斷工作，如施耐德電氣（中國）有限公司為提升煤礦設(shè)備的智能化運(yùn)維能力、提高設(shè)備的故障診斷與檢修效率，在某煤礦中搭建了設(shè)備故障預(yù)警與診斷平臺(tái)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的振動(dòng)和工藝量信號參數(shù)，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估，對軸承等部件開展監(jiān)測、診斷［1］。晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦綜合區(qū)重點(diǎn)對礦用JKMD-3.5×4PI 型多繩摩擦式提升機(jī)減速器工作原理進(jìn)行分析，并提出了減速器常見故障類型、故障原因以及采取相應(yīng)的預(yù)防措施［2-3］。

本文以福建馬坑礦業(yè)股份有限公司副井提升系統(tǒng)尾繩斷裂事故為研究背景，以尾繩鋼絲繩為研究對象，從電機(jī)故障、外力作用、鋼絲繩及斷點(diǎn)分析、鋼絲繩強(qiáng)度等級分析以及鋼絲繩受力等方面進(jìn)行摸排，明確鋼絲繩斷裂的幾個(gè)主要因素，并針對主要斷裂因素提出防范措施。

1 問題概況

馬坑礦業(yè)其中一地下礦山副井于2007 年建成，當(dāng)年即投入使用，采用JKMD2.8×4 型號落地式多繩摩擦提升機(jī)。2021 年10 月，提升機(jī)平衡錘側(cè)的2 根尾繩中1根突然斷裂，提升機(jī)因尾繩斷裂失去平衡而緊急停機(jī)，并發(fā)出報(bào)警信號，其斷裂位置如圖1所示。

公司按照規(guī)程制定了事故搶修處理方案和安全措施，用事先備好的新尾繩將斷裂的舊尾繩整條更換，使副井罐籠提升系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行［4］。

尾繩通常需由高強(qiáng)度、耐疲勞的材料制成，以保證在高負(fù)荷環(huán)境下的正常工作。常見的材料包括優(yōu)質(zhì)的鋼絲繩或合成纖維繩。尾繩的直徑和結(jié)構(gòu)需要根據(jù)提升機(jī)的負(fù)載和運(yùn)行條件進(jìn)行精確計(jì)算。直徑增大，通常意味著更高的承載能力，但也會(huì)增加重量和阻力。尾繩必須具備足夠的強(qiáng)度，以承受提升機(jī)在運(yùn)行中的最大負(fù)擔(dān)。尾繩應(yīng)具有一定的彈性，以緩沖提升機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)的沖擊力，降低對提升機(jī)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響。由于礦山環(huán)境可能含有腐蝕物質(zhì)，尾繩通常需要具有防腐和防護(hù)性能，以延長其使用壽命。尾繩作為提升機(jī)的重要組成部分，需要定期進(jìn)行檢查和保養(yǎng)，包括檢查繩索的磨損情況、連接點(diǎn)情況以及是否存在其他可能的故障或問題等。

2 尾繩斷裂摸排與分析

2.1 電機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況

公司對提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行日常點(diǎn)檢，并形成相關(guān)記錄。尾繩斷裂前，提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況及參數(shù)沒有發(fā)生變化，也沒有出現(xiàn)異常情況，尾繩斷裂事故發(fā)生后，提升機(jī)緊急停車并報(bào)警，說明提升系統(tǒng)應(yīng)急保護(hù)設(shè)施能正常工作，對提升機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)的日常點(diǎn)檢效果明顯。

2.2 外力干擾情況

事故發(fā)生后，通過對井筒設(shè)施檢查，沒有發(fā)現(xiàn)井筒罐道梁上有構(gòu)件或其他物件對尾繩有接觸，因此，可排除本次事件中尾繩受外力拉斷的可能性。

2.3 鋼絲繩檢查

鋼絲繩有鋼芯和纖維芯2種，發(fā)生斷繩事件提升機(jī)的尾繩鋼絲繩采用的是纖維芯，是一種天然麻芯。對尾繩斷裂處取樣的鋼絲繩進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩天然麻芯已經(jīng)腐爛變黑，內(nèi)部繩芯油脂已變質(zhì)缺失，各股鋼絲已經(jīng)銹蝕、腐爛變質(zhì)，人工用手也可以輕易折斷，鋼絲已無強(qiáng)度可言；從使用時(shí)間上看，此尾繩使用時(shí)間已超過4 a。檢查其他位置各股鋼絲，情況較好，但同樣存在油脂嚴(yán)重缺失的問題。由此可見，對提升機(jī)系統(tǒng)缺乏定期的檢查，或檢查不到位；同時(shí)需意識(shí)到，鋼絲繩在不同工況環(huán)境下的使用壽命不同，且同一根鋼絲繩在不同位置的情況不盡相同，在日常點(diǎn)檢中需對鋼絲繩做全面、完整的檢查。

2.4 鋼絲繩斷點(diǎn)分析

從罐籠和平衡錘工作結(jié)束后停止的位置來看，副井提升罐籠工作完成后，罐籠一般停放在井口，平衡錘則停放在井底。罐籠與平衡錘之間的那段即為尾繩，呈自然下垂的狀態(tài)；平衡錘不工作時(shí)長期停放在井底，井底有積水，靠近平衡錘的那段尾繩的最低彎曲處長期浸泡在積水中，使該位置的尾繩比其他位置更容易產(chǎn)生銹蝕和變形。長期的銹蝕和變形，使該位置的尾繩鋼絲繩強(qiáng)度大大降低（圖2）。

2.5 尾繩強(qiáng)度等級分析

尾繩在提升系統(tǒng)中起平衡作用，一般不受外力作用，只受其自身重力及提升系統(tǒng)在加減速運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生附加慣性力的影響。尾繩在井底彎曲處，由于運(yùn)行方向的改變也會(huì)使尾繩產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)力，該扭轉(zhuǎn)力也會(huì)對尾繩的強(qiáng)度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。如果罐籠或平衡錘底部連接尾繩的懸掛裝置內(nèi)部的軸承潤滑不良或軸承出現(xiàn)損壞［5］，尾繩懸掛裝置便會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度變慢或發(fā)生卡堵的現(xiàn)象，這一情況使得尾繩在井底彎曲處容易產(chǎn)生扭接，或與其他尾繩纏繞，造成安全隱患。由于尾繩不受外力，根據(jù)尾繩在實(shí)際中的使用情況，礦井提升機(jī)一般所選用的鋼絲繩強(qiáng)度等級偏低。

2.6 受力分析

從提升系統(tǒng)的受力分析可知，副井提升系統(tǒng)在罐籠下放的過程中，平衡錘側(cè)向上運(yùn)行，當(dāng)接近到井口位置時(shí)，平衡錘至尾繩最低點(diǎn)的距離最大，尾繩垂懸長度最長，此時(shí)尾繩所受的自身重力也最大。從此次斷裂事故中可知，從斷裂點(diǎn)到尾繩井底最低處長度為655 m，由此可計(jì)算出尾繩自身重量產(chǎn)生的重力為40 kN。另外罐籠運(yùn)行快要到井底位置時(shí)，提升系統(tǒng)開始減速運(yùn)行，平衡錘側(cè)尾繩減速運(yùn)行產(chǎn)生的慣性力與尾繩自身重力疊加達(dá)到最大，提升系統(tǒng)運(yùn)行加減速度按0.7 m/s2計(jì)算，則慣性力為28 kN，尾繩自身重力和慣性力疊加可達(dá)68 kN。如此大的力加上提升系統(tǒng)長期運(yùn)行，直到尾繩彎曲銹蝕位置處的鋼絲繩強(qiáng)度不足以抵抗所疊加的最大力；尾繩斷裂事故都是發(fā)生在罐籠向下運(yùn)行快到井底附近，且在平衡錘上升運(yùn)行到井口位置，在減速狀態(tài)下，此時(shí)尾繩所受的內(nèi)力是最大的，因此導(dǎo)致尾繩發(fā)生斷裂事故。

3 防范尾繩斷裂措施

針對上述礦井提升系統(tǒng)尾繩發(fā)生斷裂事故的原因分析，采取如下措施。

（1）加強(qiáng)對尾繩重點(diǎn)位置的檢查。任何時(shí)間節(jié)點(diǎn)都有尾繩位于最低點(diǎn)，即彎曲處，該處尾繩受井底積水或井內(nèi)順著尾繩流下的淋水侵蝕的時(shí)間最長，尤其是對應(yīng)于罐籠或平衡錘經(jīng)常停止位置。在對尾繩進(jìn)行安裝時(shí)，對此特殊段尾繩做好標(biāo)記，作為重點(diǎn)檢查段，定期檢查，若發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行處理。

（2）采取有效的尾繩防銹蝕措施。由于豎井井筒十分潮濕，井筒內(nèi)壁有淋水，在井筒內(nèi)壁制作截水槽，最大限度減小井筒淋水對尾繩的不利影響。對尾繩及尾繩懸掛裝置定期涂油，防止銹蝕，應(yīng)選用具有良好抗水性的油脂，如鋰基潤滑脂、合成復(fù)合鋰基潤滑脂等，能有效延長尾繩及尾繩懸掛裝置內(nèi)軸承的使用壽命。隨著尾繩的頻繁使用，鋼絲繩被擠壓的次數(shù)越多，鋼絲繩中的油脂被擠出的量就越多，為了防止鋼絲繩銹蝕，需及時(shí)補(bǔ)充防銹油脂，最大程度保證鋼絲繩內(nèi)有足夠多的防銹油脂，使鋼絲繩具有較好的防銹效果。

（3）調(diào)低罐籠減速度。提升系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的沖擊載荷的性質(zhì)和強(qiáng)弱，會(huì)直接影響到礦井的安全。作為搭載作業(yè)人員的罐籠又是直接作用于人的設(shè)施，因此，有必要在罐籠向下運(yùn)行到井底過程中，將運(yùn)行的減速度調(diào)到最低，一方面是降低沖擊載荷對提升系統(tǒng)的影響，以提高搭載人員的舒適度，另一方面降低尾繩受力。

（4）適當(dāng)提升尾繩設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級。在使用條件差的環(huán)境中，設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)惡劣的工況環(huán)境，在提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)提高選用尾繩的強(qiáng)度等級，來彌補(bǔ)提升尾繩使用環(huán)境條件差的不足。需要注意的是，盡管采用的是纖維芯鋼絲繩，但也只能適當(dāng)調(diào)高強(qiáng)度等級，因?yàn)殡S著強(qiáng)度等級的提高，鋼絲繩的直徑會(huì)增大，導(dǎo)致鋼絲繩的自重增加，勢必也會(huì)增加鋼絲繩的受力，最終降低其使用壽命。

4 結(jié)語

（1）影響副井提升系統(tǒng)尾繩使用壽命、出現(xiàn)尾繩斷裂事件的原因是多方面的，在不同的礦山、不同的使用環(huán)境下尾繩斷裂的原因不盡相同。只有通過具體工況具體分析，才能找到該環(huán)境下導(dǎo)致尾繩斷裂的最敏感因素。

（2）尾繩的磨損、銹蝕、彎曲、斷絲等是提升系統(tǒng)尾繩鋼絲繩斷裂主要、直接的因素，對尾繩強(qiáng)度影響最大，提升尾繩使用壽命、降低尾繩斷裂概率的主要措施：①做好尾繩的定期檢查，除了對鋼絲繩作完整、全面的檢查外，尤其要重視長期處在環(huán)境相對惡劣位置的鋼絲繩的檢查；②做好尾繩的日常維護(hù)，如及時(shí)涂抹防銹油脂，以提高尾繩使用的可靠性、穩(wěn)定性，延長使用壽命；③適當(dāng)提高鋼絲繩的強(qiáng)度等級，采用更高等級的鋼絲繩；④進(jìn)一步優(yōu)化提升系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度控制方式，最大限度地降低因提升機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的突然變化造成對鋼絲繩的沖擊。