深井用多绳摩擦式提升机钢丝绳安全系数修正_刘劲军.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050460引言近年来我国地下矿产资源的开采不断向深层扩展，深井开采及运输问题已经受到不少学者的关注。随着我国对能源需求的日益增加，煤炭资源的深层勘探迅速提上日程。深部资源的开发利用是一个系统工程，其中包括采矿方法、支护、地温控制、地震控制、钢丝绳使用、提升机、掘进等各方面内容，适合千米深井及超深井开发使用的提升设备是其中必不可少的内容。多绳摩擦式提升机具有提升能力大、效率高等优点，但在应用于超千米深井提升时会出现钢丝绳寿命急剧缩短的现象，制约了多绳摩擦式提升机在超千米深井中的应用。研究表明，多绳摩擦式提升机的首绳寿命不仅仅取决于安全系数，也取决于一些其他的因素，如各首绳之间的载荷分配、摩擦轮和钢丝绳以及导向轮或者天轮与钢丝绳的直径比（D/d）、钢丝绳结构以及公称抗拉强度、钢丝绳的破断力、在装载和卸载以及运动中钢丝绳的纵向和横向振动、载荷以及提升过程中的加减速度、钢丝绳张力变化范围等。以上诸多因素共同作用，但是当提升深度超过1 400 m时，首绳的张力变化范围就将成为决定首绳寿命的关键性因素。因此，如何控制钢丝绳的张力变化范围就成为多绳摩擦式提升机在超深井应用的关键。1张力变化范围的计算方法所谓张力变化范围，国外通常称之为静载荷变化范围，实际上是考虑了钢丝绳上不同的点从提升机装载、提升到卸载的张力变化，其具体的计算过程：取钢丝绳上A、B、C、D四个固定点，在容器空载在井底、容器装载、容器在井口满载、容器在井口卸载等工况下，比较钢丝绳上各点张力的变化，并将张力的最大值与提升首绳的破断力进行比较。提升机4种工况如图1所示，具体的计算方法如表1所示。*国家重点基础研究发展计划（973计划）项目(2014CB 049400)；河南省重点研发专项(221111220500)；郑洛新国家自主创新示范区创新引领型产业集群专项（201200210400）深井用多绳摩擦式提升机钢丝绳安全系数修正*刘劲军1，2，瞿铁2，3，刘同欣1，2，闫玲娣2，4（1.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 提升机械研究所，河南 洛阳471039；2.矿山重型装备国家重点实验室，河南 洛阳471039；3.中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳471039；4.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 建材装备研究所，河南 洛阳471039)摘要：多绳摩擦式提升机在深井中的应用越来越多，钢丝绳的张力变化影响系统安全及钢丝绳寿命。对钢丝绳张力变化范围的定义、计算方法和控制方法进行了介绍，并提出修正钢丝绳安全系数来控制张力变化范围。关键词：多绳摩擦式提升机；深井；钢丝绳寿命；张力变化范围；安全系数修正中图分类号：TD534文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0146 03Wire Rope Safety Factor Modification of Multi-rope Friction Hoist forDeep ShaftLiu Jinjun1，2，Qu Tie2，3，Liu Tongxin1，2，Yan Lingdi2，4(1.Lifting Machinery Department,Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute,Luoyang 471039,China；2.State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment,Luoyang 471039,China；3.CITIC Heavy Industry Co.,Ltd.,Luoyang 471039,China；4.Building Materials and Equipment Department,Luoyang Mining Machinery EngineeringDesign Institute,Luoyang 471039,China)Abstract:As more and more friction hoists are used in deep shaft,the tension variation of the wirerope have an influence on the system safety and the life of wire rope.The definition,the calculationmethod and the control method of the range of tension variation were introduced,and proposedmodifying the safety factor of wire rope to control the range of tension variation.Key words:multi-rope friction hoist；deep shaft；wire rope life；range of tension variation；safetyfactor modification146（a）工况1（b）工况2（c）工况3（d）工况4图1提升机4种工况示意图表1钢丝绳张力计算表注：Qz.容器的重量Q.提升载荷mw.尾绳的单位长度质量ms.首绳的单位长度质量h.提升高度n1.首绳根数n2.尾绳根数显然，钢丝绳的张力变化最大的是A点与C点，张力值分别为：FA=Q+n2mwgnh（1）FC=Q+n1msgnh（2）一般此类提升系统采用平衡尾绳，n1msn2mw，如果忽略C、D和A、B之间相对很小的钢丝绳质量，可以认为A点和C点张力相等。因此在A点和C点的钢丝绳张力变化范围即为整个提升过程中的钢丝绳最大张力变化范围。需要注意的是，下个提升循环中应力最大的点会变成B点和D点，但是张力变化范围不变，因此张力变化范围S=Q+mgnhFb（3）式中m钢丝绳单位长度质量，m=n1ms=n2mw，kg/m；Fb钢丝绳破断力，N。资料显示，张力变化范围应不超过钢丝绳破断力的11.5，否则将严重影响钢丝绳寿命。在1960年早期，南非西深水平矿井安装的2台提升高度为1 948 m的摩擦式提升机，其钢丝绳的寿命非常短，根据资料计算其张力变化范围为13.4%。而我国某矿提升高度为1 100 m，其配备的多绳摩擦式提升机钢丝绳寿命仅为90 d左右。根据钢丝绳检测结果，其钢丝绳报废形式以内部断丝为主。2钢丝绳张力变化范围的控制及安全系数的修正控制钢丝绳的张力变化范围是多绳摩擦式提升机应用于超深井提升的关键。下面将对张力变化范围的影响因素和控制方法进行探讨。根据钢丝绳国家标准，钢丝绳的破断力Fb=KD2R0（4）钢丝绳单位长度质量m=KD2100（5）钢丝绳破断拉力总和F0=FbK（6）式中K钢丝绳最小破断拉力系数；K钢丝绳重量系数；D钢丝绳直径，mm；R0钢丝绳公称抗拉强度，MPa；K破断力与破断力总和换算系数。根据煤矿安全规程，安全系数n=F0（Q+Qz+mgnh）=KD2R0KQ（1+a）+0.01KD2gnh（7）有效载荷Q=KD2R0K-0.01nKD2gnhn（1+a）（8）容器系数aQz/Q（9）将式（4）、式（5）、式（8）代入式（3），可得S=KKR0+0.01angnKhKR0n（1+a）（10）整理可得安全系数n在超深井提升过程中的修正公式nKKR0SKR0（1+a）-0.01agnhK（11）需要说明的是，不同国家和地区的安全系数计算方法并不相同，南非等国计算钢丝绳安全系数是基于钢丝绳的破断力Fb而非钢丝绳破断力总和F0，因此对于这些国家，安全系数修正公式nKR0SKR0（1+a）-0.01agnhK（12）3修正后的安全系数与规程规定的安全系数的比较在多绳摩擦式提升机设计时，首先考虑的是钢丝绳安全系数，然后根据井深和提升载荷选择合适的钢丝绳，并根据标准选用对应规格的提升机械。煤矿安全规程规定的多绳摩擦式提升机的钢丝绳安全系数如表2所示，主要是考虑了钢丝绳制造完成后的状态、提升过程中的加减速、现场容器装载时的精确性、钢丝绳在天轮及卷筒等处经过时受到的弯曲，以及紧急制动卡罐等特殊情况下钢丝绳的受力。表2煤矿安全规程中的多绳摩擦提升钢丝绳安全系数注：H.总提升高度（m）第44卷第5期Vol.44 No.5深井用多绳摩擦式提升机钢丝绳安全系数修正刘劲军，等点工况1工况2工况3工况4最大变化AQzQz+QQz+Q+n2mwgnhQz+n2mwgnhQ+n2mwgnhBQzQz+QQz+n1msgnhQz+n1msgnhn1msgnh与Q中大者Cn1msgnh+Qzn1msgnh+Qz+QQzQzQ+n1msgnhDn2mwgnh+Qzn2mwgnh+QzQzQzn2mwgnh与Q中大者ABABDCDCABABDCDC提升方向提升方向井口水平井口水平井口水平井口水平升降人员时混合提升时升降物料时升降人员和物料安全系数的最小值9.20.0005H9.20.0005H9.20.0005H8.20.0005H7.20.0005H用途分类专为升降人员专为升降物料147金属非金属矿山安全规程规定的多绳摩擦式提升机的钢丝绳安全系数如表3所示。表3金属非金属矿山安全规程中的多绳摩擦提升钢丝绳安全系数规定以公称抗拉强度为1 770 MPa的636WS天然纤维芯钢丝绳和6V34天然纤维芯钢丝绳为例，进行安全系数修正计算，钢丝绳参数及其余参数如表4所示。表4安全系数修正计算参数表由式（11）可得安全系数修正曲线如图2所示。提升高度/m图2安全系数修正曲线1.金属非金属矿山安全规程规定的安全系数2.煤矿安全规程规定的安全系数3.636WS钢丝绳的安全系数修正曲线4.6 V34钢丝绳的安全系数修正曲线由图2可知，当采用公称抗拉强度为1 770 MPa、636WS天然纤维芯钢丝绳时，对于参照煤矿安全规程设计的提升机，在提升高度超过780 m后需要考虑对钢丝绳进行安全系数修正。当参照金属非金属矿山安全规程设计提升机时，在提升高度超过860 m后需要考虑对钢丝绳进行安全系数修正。采用公称抗拉强度为1 770 MPa、6V34天然纤维芯钢丝绳时，对于参照煤矿安全规程设计的提升机，在提升高度超过890 m后需要考虑对钢丝绳进行安全系数修正。当参照金属非金属矿山安全规程设计提升机时，在提升高度超过1 000 m后需要考虑对钢丝绳进行安全系数修正。需要说明的是，因为钢丝绳的参数以及容器系数a等对修正安全系数都有影响，因此在具体应用时还应根据项目的情况进行具体计算。4算例以南非某矿为例，计算超深井提升时多绳摩擦式提升机钢丝绳的安全系数修正值。该矿提升机系统参数：提升高度/m1 279钢丝绳单位长度质量/kgm-113钢丝绳直径/mm48钢丝绳破断力/kN2 170钢丝绳根数4最大静张力/kN1 300有效载荷/kN313.6容器重/kN310经计算可得，钢丝绳重量系数K=0.564 236，钢丝绳最小破断力系数K=0.532 113，钢丝绳公称抗拉强度R0=1 770 MPa，张力变化范围S=11.5%，容器系数a=0.988 52。根据式（12）计算修正后的钢丝绳安全系数n6.474。该提升机实际运行的安全系数n=6.677，钢丝绳张力变化范围S=11.1%。由此可见，将安全系数修正后，可将钢丝绳的张力变化范围限制在11.5%以内。5结语多绳摩擦式提升机在应用于超深井时，会受到钢丝绳张力变化范围的限制。因此，在超深井多绳摩擦式提升系统的设计过程中，建议对安全系数进行修正，以提高钢丝绳的使用寿命，减少提升机的运行和维护成本。参考文献：1李德忠深部矿井开采技术M.徐州：中国矿业大学出版社,2005.2滕吉文，张雪梅，杨辉中国主体能源煤炭的第二深度空间勘探、开发和高效利用J.地球物理学进展,2008(4):972-992.3晋民杰，李自贵矿井提升