千米深井提升機鋼絲繩提高使用壽命的探討

文/張曉

一、項目概述

冀中能源峰峰集團磁西一號礦井位于河北省邯鄲市磁縣境內(nèi)， 峰峰礦區(qū)九龍礦東北側(cè)，井田煤層埋藏深度為1000～1500m，設計產(chǎn)能180 萬噸/年。 磁西一號礦井是峰峰礦區(qū)向深部開發(fā)的第一個井田， 其成功開發(fā)將為礦區(qū)其他深部區(qū)域的開發(fā)提供技術儲備，從而解放深部呆滯煤量，延長礦區(qū)服務年限，對峰峰集團的可持續(xù)發(fā)展意義十分重大， 為我國深部找礦工程的持續(xù)推進提供可靠的裝備保障。

磁西一號礦井是目前國內(nèi)最深的井工礦井，副井井筒深度達到1340m。 近年來，峰峰集團磁西籌建處與中煤邯鄲設計工程公司組成專題考察組， 對國內(nèi)外較典型的千米深井提升系統(tǒng)進行了現(xiàn)場考察， 在實際考察中發(fā)現(xiàn)千米深井提升機主提升鋼絲繩使用壽命短這一問題。 在《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，摩擦輪式提升鋼絲繩使用時間不超過兩年， 在我國淺部礦井全部適用， 甚至可以根據(jù)實際使用情況延期一年。 而在實際使用中，有的千米深井鋼絲繩使用時間只有4～5 個月，換繩頻繁，嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)。

二、鋼絲繩使用情況及分析

考察組先后對國內(nèi)已經(jīng)運行的超千米井工礦井唐口礦、孫村礦、龐莊礦張小樓井、冬瓜山銅礦， 國外的南非KAREE 4 號鉑金礦、PALABORA MINING 銅礦等， 進行了實地考察。例如唐口礦提升高度為1050m 左右，孫村礦提升高度近1000m。 國外千米深井提升實例較多，技術也比較成熟，如南非KAREE4 號鉑金礦井筒垂深1365m， 裝備一對22.5t 箕斗，提升速度18m/s；主井提升高度1279m，裝備一對32t 箕斗，提升速度18m/s。 經(jīng)過實地考察和數(shù)據(jù)研究，考察組掌握了大量一手資料，認為千米深井提升系統(tǒng)設備技術已經(jīng)成熟、運行可靠，但是一些關鍵環(huán)節(jié)需要進一步完善。

目前， 在多繩摩擦提升機上使用最多的為三角股同向捻鋼絲繩， 在實際使用中對比發(fā)現(xiàn)，唐口、張小樓井和冬瓜山銅礦的三個礦井井深均在1000m 以上， 但提升鋼絲繩使用情況卻大為不同： 唐口煤礦鋼絲繩使用壽命滿足兩年以上的要求； 而張小樓井和冬瓜山銅礦鋼絲繩使用壽命僅有4～6 個月。 頻繁的換繩不僅增加了費用， 而且嚴重影響了礦井正常生產(chǎn)。

張小樓井和冬瓜山銅礦鋼絲繩主要失效形式是斷絲， 產(chǎn)生斷絲的位置主要在鋼絲繩經(jīng)過摩擦輪和導向輪的主加速段。 考察組經(jīng)過縝密研究分析認為： 發(fā)生斷絲情況的原因不是鋼絲繩的制造質(zhì)量有問題， 因為冬瓜山銅礦各種鋼絲繩均使用過， 有英國繩， 德國繩，還有多個廠家的國產(chǎn)繩，但換繩后繩的壽命沒有明顯提高。 考察組進一步分析認為：此斷絲原因在于提升系統(tǒng)的設計不合理， 也就是提升機摩擦輪和導向輪之間的距離設置不合理，由于這一間距太短，容易造成鋼絲繩在短時間內(nèi)的反復彎曲變形， 從而產(chǎn)生斷絲破壞。 相反的，落地式提升系統(tǒng)摩擦輪和天輪之間的距離較長， 不會造成鋼絲繩在短時間內(nèi)反復彎曲變形從而產(chǎn)生斷絲破壞。 這一分析結論從實際考察的三個礦井鋼絲繩使用情況和數(shù)據(jù)得到證實， 唐口煤礦是落地式提升系統(tǒng)，因此其鋼絲繩使用壽命較長，而張小樓井主井和冬瓜山銅礦主井都是塔式提升系統(tǒng)，其摩擦輪和導向輪之間的距離太短，只有6m左右，鋼絲繩使用壽命僅有4～6 個月。

以往在設計塔式提升系統(tǒng)時， 對于摩擦輪和導向輪之間的距離只考慮摩擦輪上鋼絲繩圍包角要求，沒有考慮提升速度因素，因而這一間距設計都較短，這對于井深較淺、速度較低的塔式提升系統(tǒng)影響尚不明顯； 但對于井深很深、速度很高的塔式提升系統(tǒng)，影響就會很大。

除了裝備的設計對鋼絲繩使用壽命有影響外， 鋼絲繩自身結構對使用壽命也有較大影響： 三角股和圓股同向捻鋼絲繩自身抗扭轉(zhuǎn)能力差，隨著提升高度的延長，自身扭轉(zhuǎn)力越來越大， 當達到極限時， 就會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞，造成斷絲。

另外， 深井提升系統(tǒng)調(diào)繩問題也影響鋼絲繩的使用壽命。 考察組考察發(fā)現(xiàn)，張小樓井主井和冬瓜山銅礦主井調(diào)繩、 修正摩擦襯墊繩槽頻繁，平均每周一次以上，主要原因是：

1.由于提升高度大、繩距長，新繩掛繩后，彈性伸長量大， 而自動平衡裝置的調(diào)節(jié)行程有限，導致頻繁調(diào)繩。

2. 新繩掛繩后， 初始階段彈性伸長量較大， 調(diào)繩時間間隔較短， 經(jīng)過一段時間的使用，彈性伸長逐漸減少，不需要再頻繁調(diào)繩。但由于張小樓井和冬瓜山銅礦這兩個礦鋼絲繩使用壽命太短，所以鋼絲繩彈性伸長還達不到穩(wěn)定階段就必須換繩， 使得鋼絲繩總是處于彈性伸長量最大狀況， 從而導致頻繁調(diào)繩。

3.由于不能及時調(diào)繩，導致自動平衡裝置失效和各鋼絲繩張力不平衡增大， 使得各繩槽產(chǎn)生不均勻磨損，需要經(jīng)常性車繩槽，縮短了摩擦襯墊使用壽命。

三、提高鋼絲繩使用壽命的措施探討

在建礦井磁西一號副井設計為塔式提升系統(tǒng)， 提升高度達到1305m， 提升速度達到11m/s。 根據(jù)以上分析，在設計時應采取以下措施：

1.適當加大摩擦輪和導向輪之間的距離，或改為落地式布置；

2.在滿足提升能力要求的前提下，適當降低提升速度；

3.適當降低主加速度值，以改善鋼絲繩在加速段的受力情況；

4.在鋼絲繩選型時，對千米以上深井建議使用進口圓股交互捻不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩；

5.對千米以上深井提升機，罐籠的自動平衡裝置的行程應適當加長。

綜合以上分析，結合國外成功經(jīng)驗，輔以先進的鋼絲繩檢測設備，采取新的技術措施，從而滿足了在建礦井磁西一號副井塔式提升系統(tǒng)技術要求， 使千米以上深井提升機使用的鋼絲繩壽命會得到大幅延長， 確保了礦井的安全生產(chǎn)。