同忻礦三盤區副立井提升設備選型探討

董亮亮

0 引言

同忻煤礦是國家發改委2006 年核準的全國10 個千萬噸級礦井之一，也是山西省和同煤集團“十一五”期間的重點工程之一，2008 年4 月獲取了山西省煤炭工業局批準的開工報告，2010 年建成并投產。礦井現開采一盤區，接替盤區為二盤區、三盤區。三盤區采用平硐-立井混合開拓方式，設計生產能力為10 Mt/a。三盤區大件設備運輸利用膠輪車經平硐運至井下工作面，人員、小型設備和物料的運輸通過新建副立井運至工作面。副立井井筒直徑8 m，井深548.5 m，工作制度為年工作日330 d，日凈提升時間為16 h。目前需要為副立井選擇一款經濟、合理的提升機來滿足三盤區安全、高效生產的要求。

1 使用環境

新建副立井井筒位置在同忻二盤區與三盤區交接處，距兩個盤區距離較近，可有效減少井下人員和材料等的運輸距離。副立井井口標高+1 399 m，井底標高+850.5 m；最高環境溫度+38.2 ℃，最低環境溫度-32.4 ℃；裝卸載點2 個；罐道類型為固定式鋼罐道，最大提升重量9 t (膠輪車6 t，物料3 t)。

2 提升方式及容器的確定

2.1 提升方式

目前我國生產的提升機按鋼絲繩在卷筒上連接形式主要分為單繩纏繞式和多繩摩擦式提升機，按鋼絲繩數分為單繩和多繩。多繩摩擦式提升機按布置形式可分為落地式和井塔式。考慮井塔式布置較落地式布置施工周期長至少1 年以上以及井筒實際深度較深等原因，本設計最終確定選擇落地式多繩摩擦提升機。

2.2 提升容器

根據同忻礦三盤區井下人員和采掘設備配置，井筒裝備有兩個非標單層多繩罐籠，罐籠標稱自質量16 000 kg，允許乘50 人，一個水平異側進出車。運輸車采用WCQ-3 型防爆膠輪車，自質量Qc=6 000 kg，載矸（設備）質量3 000 kg（見第15 頁圖1）。

3 選擇鋼絲繩及安全系數校驗

3.1 各種情況下鋼絲繩繩端荷重

(1)寬罐空、窄罐空時鋼絲繩繩端荷重：QK=157 kN。

(2)兩罐均提人時鋼絲繩繩端荷重：QR=196 kN。

(3)罐籠提設備或矸石（3 t）時鋼絲繩繩端荷重：QG=245 kN。

主鋼絲繩根據提升荷載，依照《煤礦安全規程》的相關規定和實際提升情況選擇。考慮各種提升狀況，確定主鋼絲繩為4 根，型號為34ZBB6V×37S+FC1570ZZ，最小鋼絲破斷拉力總和842.73 kN，單位長度質量4.73 kg/m。設計考慮安裝、更換檢修方便及提升運行中更安全，選用扁尾繩2 根，抗拉強度1 370 MPa，型號為155×26-ZAB-PD8×4×9-1370，單位長度質量4.73 kg/m。

圖1 提升系統

3.2 主、尾繩單位長度質量差

式中：n1——鋼絲繩數量；

Pk——主繩鋼絲繩單位長度質量；

Qk——2 根尾繩單位長度質量總和。

3.3 安全系數

3.3.1 升降人員

《煤礦安全規程》[1]規定多繩摩擦提升鋼絲繩安全系數最低值 [mr]=9.2-0.005Ht=8.9，實際值m=。其中Qs為最小鋼絲破斷拉力總和；Qdrk為寬罐提人時繩端荷重；Hc為鋼絲繩的懸垂長度；g 為重力加速度，g=9.81 m/s2；Ht為井筒深度。

3.3.2 升降物料（按升降1個矸石或料石車）

《煤礦安全規程》規定多繩摩擦提升鋼絲繩安全系數最低值 [mg]=8.2-0.005Hc=7.9，實際值m=。

3.3.3 升降小型設備

升降小型設備時，設備自質量3 000 kg，多功能無軌膠輪車自質量6 000 kg，共9 000 kg；另一側罐籠內空，送運設備時應慢速運行，確保提升安全。《煤礦安全規程》規定多繩摩擦提升鋼絲繩安全系數最低值 [ mg]=8.2 -0.005Hc=7.9，實際值 m=。尾繩除承擔本身質量外，無其他負荷，強度不再驗算。根據以上計算，所選鋼絲繩滿足要求。

4 提升設備選擇及校驗

4.1 提升設備預選

主導輪及導向輪直徑Dg=100d=100×34=3 400 mm（d 為鋼絲繩直徑），據此選用JKMD-3.5×4（I）型落地式多繩摩擦輪礦井提升機1 臺。摩擦輪直徑3 500 mm；允許最大靜張力525 kN，允許最大靜張力差140 kN；最大提升速度7.85 m/s，加減速度均為0.6 m/s2；提升機變位質量為20 600 kg，傳動比11.5，要求襯墊摩擦系數μ≥0.25（或配K25 摩擦襯墊，確保0.25 摩擦系數），提升機液壓站采用ABB公司產品。

4.2 提升機校驗

最大靜張力校驗（按升降3 000 kg 設備）。

鋼絲繩實際最大靜拉力（取提人、提矸、提大件時的最大值校核）Fjmax=353.87 kN＜[Fj]=525 kN；

鋼絲繩實際最大拉力差（取提人、提矸、提大件時的最大值校核）Fcmax=88.29 kN＜[Fc]=140 kN；

摩擦輪直徑Dg=3 500 mm＞90d=3 060 mm；

天輪直徑Dt=3 500 mm＞90d=3 060 mm；

鋼絲繩作用在摩擦襯墊上的壓強P=1.48 MPa＜2 MPa。

經上述校驗可知，所選提升機滿足要求。

5 電動機的選擇

5.1 預選電動機

電動機按正常提升(提人、提矸、提大件)時的最大靜拉力差進行預選。電動機功率除考慮20%礦井阻力系數(K)、15%動負荷影響系數外，另計入96.01%高原降效系數 (P)。當提升速度 (Vm)為7.85 m/s 時計算功率為Ns=KFmaxVmP/102ηj=919 kW，因此提升機主電動機選用YR21 000-12/1730 型電動機1 臺，額定功率1 000 kW。

5.2 提升電動機校驗

5.2.1 等效功率計算

提人時的等效力

式中：t ——物料提升一次的循環時間；

Td——提升系統等效時間。

從表 1 可以看出：第一主成分在 X1、X2、X6、X10與X11上具有較大的載荷，說明第一主成分在一定程度上代表著經濟生活水平；第二主成分在X3、X4上具有較大的載荷，說明第二主成分在一定程度上代表著海洋漁業水平；第三主成分在X7、X8、X9上具有較大的載荷，說明第三主成分在一定程度上代表著居民收入水平。

提矸或小型設備時的等效力

求出最大等效力（取提人、提矸、提大件時的最大值校核）Fdmax=114 kN。

提矸或小型設備時，要求最大提升速度不超過6.5 m/s。

式中：Kgy——高原修正系數；

ηj——傳動效率，ηj取0.92。

5.2.2 電動機功率富余系數

5.2.3 電動機過載能力

各種提升方式下最大力Fmax=165.814 2 kN；

電動機額定出力Fe=× 臺數=112.590 9 kN；

5.2.4 電動機扭矩校驗

提升系統最大靜力矩Mj=Fcmax×Dg/2=154.5 kN·m，電動機輸出扭矩Md=9 550×Pe×i×η×臺數/n=204.94 kN·m，Md＞Mj。

經以上計算，所選電動機功率滿足要求。

6 制動系統要求

安全制動系統采用恒減速制動，各種載荷不論上提或下放，安全制動速度均為1.5 m/s2。當恒減速制動失效后，系統無條件轉入二級恒力矩制動，二級制動的一級制動減速度應滿足：下放重載不得小于1.5 m/s2，提升重載時不得超過5 m/s2，且不得超過鋼絲繩滑動極限減速度，襯墊與制動盤摩擦系數大于0.35。

7 提升系統防滑驗算

7.1 圍抱角

圍抱角α=183°22′47″=3.2 弧度。

7.2 滑動極限減速度

本設計要求襯墊摩擦系數為0.25，根據目前國內產品和進口產品技術參數，襯墊摩擦系數完全能夠滿足0.25 的要求，設計取μ=0.25，此時eμα=2.225 865。

根據《煤礦安全規程》要求，經計算提升系統制動力取值范圍為238 kN～264 kN，取制動力Ft=250 kN。制動力矩倍數K=Ft/Fcmax=2.83 倍＜3 倍，一級制動力矩無法滿足《煤礦安全規程》要求，因此采用恒減速或二級制動，其中一級制動力矩倍數K1=2.83，二級制動力矩倍數K2≥3。主立井提升系統防滑計算見表1。

表1 主立井提升系統防滑計算

8 結語

對所選落地式多繩摩擦提升機鋼絲繩、防滑安全系數等參數的計算和校驗證明，本次所選JKMD-3.5×4（I）型落地式多繩摩擦輪礦井提升機具有安全可靠、提升能力強等特點，能夠滿足同忻礦三盤區安全高效生產要求，并為集團公司其他礦井中副立井提升設備選型提供了有利的借鑒。

［1］路琳.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2011：206-242.