千萬(wàn)噸級(jí)礦井提升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用研究

劉改葉

千萬(wàn)噸級(jí)礦井提升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用研究

劉改葉

針對(duì)國(guó)內(nèi)外在礦井提升一體化技術(shù)及系統(tǒng)配套等方面，特別是對(duì)于特大型現(xiàn)代化礦井提升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用方面的理論、技術(shù)研究基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀，對(duì)礦井提升系統(tǒng)高端裝備及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜合集成、應(yīng)用創(chuàng)新研究，形成了主井高效節(jié)能、副井精準(zhǔn)定位，年產(chǎn)1 200萬(wàn)t特大型現(xiàn)代化礦井提升系統(tǒng)。

煤礦開采；礦井提升；千萬(wàn)噸礦井；大功率提升機(jī)；提升系統(tǒng)一體化集成

0 引言

如何集成現(xiàn)代化裝備和先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)提升系統(tǒng)的一體化集成及系統(tǒng)裝備配套及功能匹配，確保千萬(wàn)噸級(jí)特大型現(xiàn)代化礦井提升的能力、效率、工作可靠性、智能化水平，是現(xiàn)代化礦井的一大技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)麻家梁礦井深近600 m、年生產(chǎn)能力超1 200萬(wàn)t現(xiàn)代化立井提升系統(tǒng)，對(duì)主井大功率高效節(jié)能提升、副井運(yùn)行可靠與精準(zhǔn)定位、主副井的智能控制等方面進(jìn)行了理論、技術(shù)與裝備集成難點(diǎn)攻關(guān)研究，取得了較大的技術(shù)突破。

1 大功率重載高速主井提升高效節(jié)能綠色控制系統(tǒng)研究

主井提升機(jī)單機(jī)功率7 000 kW，單次提升總重達(dá)120 t，提升速度13.73 m/s，屬于大功率重載高速提升系統(tǒng)。如何實(shí)現(xiàn)其高效綠色節(jié)能運(yùn)行是主井提升的關(guān)鍵所在。

（1）采用ACS6000交直交直接轉(zhuǎn)矩控制變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，全數(shù)字計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了主井提升系統(tǒng)的綠色節(jié)能運(yùn)行。

通過(guò)分析傳動(dòng)系統(tǒng)的基本原理，三電平變流器的輸出特性，以及傳動(dòng)系統(tǒng)的力矩響應(yīng)特性，使用半導(dǎo)體功率元件IGCT，采用電流遲滯環(huán)比較方式直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，砰-砰控制技術(shù)，并且優(yōu)化觸發(fā)脈沖控制模式。利用這些硬件和軟件的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)恒為1（見圖1），具有顯著的節(jié)能效果；傳動(dòng)系統(tǒng)不僅不產(chǎn)生電網(wǎng)諧波，無(wú)需諧波治理，而且吸收過(guò)濾電網(wǎng)上的諧波；無(wú)功功率損耗，電壓降低（見圖2）（2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，其電網(wǎng)壓降小于4.5%），對(duì)電網(wǎng)上其他設(shè)備沒(méi)有任何影響；采用直接轉(zhuǎn)矩控制，以25μs的間隔計(jì)算力矩控制，單步切換達(dá)到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了力矩控制響應(yīng)時(shí)間為1 ms左右，且在各種工況下力矩總是平滑可控的，靜動(dòng)態(tài)控制精度高（見第2頁(yè)圖3）；通過(guò)調(diào)整力矩汶波頻段和力矩前饋控制，傳動(dòng)系統(tǒng)能消除力矩汶波，并能檢測(cè)到共振頻率，抑制機(jī)械共振。

圖1 實(shí)測(cè)的整流單元電流和電壓波形

圖2 電網(wǎng)壓降比較

（2）采用9 000 kW的雙變頻單元，在國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有“全載半速”功能的大功率礦井提升變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，確保了主井提升系統(tǒng)的安全、連續(xù)、高效運(yùn)行。

圖3 力矩響應(yīng)

主井電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率7 000 kW，電機(jī)定子采用A、B雙繞組結(jié)構(gòu)，變頻系統(tǒng)具有2個(gè)整流單元、2個(gè)逆變單元、2個(gè)整流變壓器、2個(gè)中壓開關(guān)。對(duì)于兩套子系統(tǒng)，正常情況下（見圖4）電機(jī)的兩繞組并列運(yùn)行，提升機(jī)全載全速運(yùn)行。當(dāng)其中一套子系統(tǒng)損壞時(shí)（普通提升系統(tǒng)需停機(jī)維修），通過(guò)切換開關(guān)將電機(jī)兩個(gè)定子繞組串聯(lián)起來(lái)（見圖5），此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不變，功率減半，所以電機(jī)輸出的最大速度減半，提升機(jī)全載半速運(yùn)行。

圖4 全載全速運(yùn)行

圖5 全載半速運(yùn)行

2 大功率重載副井提升高精準(zhǔn)定位控制系統(tǒng)研究

副井主提升系統(tǒng)電機(jī)功率達(dá)3 600 kW，配備一個(gè)雙層特大型罐籠，自重51 t，可運(yùn)送整件最大件重量50 t（液壓支架不解體和支架搬運(yùn)車的整體搬運(yùn)），可載290人同時(shí)入井。該提升系統(tǒng)屬于大功率特大型重載副井提升，實(shí)現(xiàn)其高可靠性和精準(zhǔn)定位是當(dāng)前的一大技術(shù)難點(diǎn)。

（1）建立了提升鋼絲繩動(dòng)力學(xué)模型，采用5段S形速度曲線，實(shí)現(xiàn)了速度的平滑變化，保證了礦井上下人員的舒適度；采用位置、速度、轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)全數(shù)字控制（見圖6），保證提升機(jī)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線運(yùn)行；發(fā)揮了力矩預(yù)置功能、力矩保持功能；確保啟動(dòng)平滑，避免了零速停車倒溜，減少了啟動(dòng)和停車時(shí)的沖擊次數(shù)。

圖6 位置、速度、轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)控制框圖

（2）副井提升傳動(dòng)系統(tǒng)采用交直交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，由全數(shù)字控制模塊構(gòu)成，配備一臺(tái)SINAMICS SM150中壓電壓源型交直交變頻器；電網(wǎng)端帶能量回饋控制，使功率因數(shù)優(yōu)于0.95。采用ROTOS技術(shù)，使輸出電流波形非常完美。采用高性能的速度位置控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了提升零速時(shí)電機(jī)保持絕對(duì)零速，由編碼器測(cè)量的位置也保持不變，以保證準(zhǔn)確停車精度；全自動(dòng)液壓操車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了罐籠定位精度高（±20 mm），對(duì)罐時(shí)間短，解決了罐籠左右搖晃以及上下跳動(dòng)而不穩(wěn)的問(wèn)題。罐籠采用柔性結(jié)構(gòu)，較好地平衡了張力，提高了安全性。采用ST3-D恒減速液壓盤式制動(dòng)器，保證隨時(shí)提供1.5 m/s2的最小減速度，且具有緊急安全制動(dòng)時(shí)的雙份冗余配備。

圖7 副井提升機(jī)的工藝控制、監(jiān)控系統(tǒng)

（3）采用雙PLC設(shè)計(jì)，一路主控，一路監(jiān)控，進(jìn)行雙路獨(dú)立信號(hào)采集、狀態(tài)判斷、實(shí)時(shí)運(yùn)算、控制指令生成等，確保控制的安全性和可靠性；采用PLC+FM458構(gòu)架的控制系統(tǒng)（見圖7），PLC實(shí)現(xiàn)邏輯連鎖控制和保護(hù)功能，F(xiàn)M458實(shí)現(xiàn)工藝控制；遠(yuǎn)程站放置ET200裝置，采用Profibus通訊傳送方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、集中調(diào)度和信息集中顯示；采用安全回路、電氣停車回路和閉鎖回路三大控制回路；提升機(jī)控制專用功能塊實(shí)現(xiàn)了位置、速度、加速度、沖力、爬行等曲線的設(shè)定，只需要改變相關(guān)參數(shù)即可改變相應(yīng)的設(shè)置。

3 提升系統(tǒng)的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)建模與分析

在提升機(jī)加、減速或緊急制動(dòng)時(shí)，鋼絲繩會(huì)儲(chǔ)存或釋放能量，產(chǎn)生很大的動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)，造成提升容器劇烈震蕩，這會(huì)導(dǎo)致摩擦傳動(dòng)失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致打滑和跑車事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。這就要求對(duì)提升機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而通過(guò)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，提高其運(yùn)行可靠性，防止由于重載提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響而造成設(shè)備故障及事故。多繩摩擦式提升系統(tǒng)的模型見圖8。

鋼絲繩動(dòng)張力方程為：

上式中μ為等效黏性阻尼。提升鋼絲繩的最大動(dòng)張力同時(shí)滿足下列要求：

圖8 多繩摩擦式提升系統(tǒng)模型

通過(guò)提升系統(tǒng)在非正常工況時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性研究，對(duì)卡罐工況進(jìn)行了分析，最后驗(yàn)證了提升高度537.7 m，罐籠質(zhì)量51 000 kg，罐籠最大載荷50 000 kg，平衡錘質(zhì)量75 000 kg時(shí)，在提升高度一半出現(xiàn)卡罐現(xiàn)象時(shí)，提升側(cè)鋼絲繩的最大動(dòng)張力為5 447.281 820 kN，小于鋼絲繩破斷拉力4×2 710= 10 840 kN，張力比為1.11，小于2.2，不會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩滑動(dòng)情況。

分析了罐籠停罐時(shí)承接裝置的動(dòng)力學(xué)模型（見圖9）及響應(yīng)特性。

圖9 罐籠承接過(guò)程4階段

在x2(t)＜0，0≤x2（t）＜δ以及δ≤x2(t)區(qū)間段，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程可分別表示為：

式中：x5(t)——鋼絲繩向下運(yùn)行函數(shù)；

x2(t)——罐籠向下運(yùn)行函數(shù)；

n——提升鋼絲繩根數(shù)；

p——提升鋼絲繩線密度，kg/m；

H——提升高度，m；

M——罐籠質(zhì)量(含尾繩)，kg；

m——載重質(zhì)量，kg；

c2——單位長(zhǎng)度鋼絲繩阻尼系數(shù)；

CS——承接裝置阻尼系數(shù)，kg/s；

δ——承接裝置構(gòu)件變形量，m；

q0——承接裝置彈簧預(yù)壓縮量，m；

K2——鋼絲繩剛度，N/m。

實(shí)例證實(shí)了在減速過(guò)程中，減速至爬行階段，勻速爬行數(shù)秒，再分別以變減速、變加速運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行數(shù)值仿真，得速度、位移、承接力時(shí)變圖，見圖10～圖12所示，可以看出位移誤差很小，速度和穩(wěn)罐裝置承接力迅速衰減到0。

圖10 速度-時(shí)間

4 千萬(wàn)噸級(jí)礦井提升系統(tǒng)高端裝備集成研究

圖11 位移-時(shí)間

圖12 承接力-時(shí)間

采用定性定量相結(jié)合綜合集成的集成方法，對(duì)千萬(wàn)噸級(jí)的特大型現(xiàn)代化礦井提升系統(tǒng)通過(guò)分析、建模、仿真和試驗(yàn)等方式，以及從系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能之間的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析與綜合，完成這一過(guò)程。

4.1 注重綜合規(guī)劃和系統(tǒng)總體匹配

從一開始就本著現(xiàn)代化特大型礦井年產(chǎn)1 200萬(wàn)t的高產(chǎn)高效智能化為總體目標(biāo)，從提升系統(tǒng)的各個(gè)單元模塊選擇上進(jìn)行功能參數(shù)匹配，合理進(jìn)行參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，做到機(jī)械參數(shù)、電氣參數(shù)和控制參數(shù)三者的有機(jī)協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了各功能模塊的一體化高端集成。

主井實(shí)現(xiàn)了“一井雙機(jī)、并行生產(chǎn)、1 200萬(wàn)t”大功率高產(chǎn)高效千萬(wàn)噸級(jí)提升系統(tǒng)集成與應(yīng)用。設(shè)計(jì)了井筒直徑為9 m、井架高度80 m的全亞洲最大的兩臺(tái)JKMD-5.7 m×4(Ⅰ)型落地式多繩摩擦雙箕斗提升系統(tǒng)：提升鋼絲繩直徑59 mm，提升速度13.73 m/s，提升周期106.2 s，單次提升載重45 t，年產(chǎn)能力1 200萬(wàn)t、最大提升能力1 500萬(wàn)t；提升電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率7 000 kW，采用ACS 6000直接轉(zhuǎn)矩控制傳動(dòng)系統(tǒng)，功率因數(shù)恒為1，傳動(dòng)效率為0.97。

副立井主提升系統(tǒng)采用JKMD-5.7×4型落地式多繩摩擦提升機(jī)，電動(dòng)機(jī)為3 600 kW的IDM6040-6× T10-Z型低速直聯(lián)交流同步電動(dòng)機(jī)，配套恒減速制動(dòng)系統(tǒng)及全自動(dòng)液壓操車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了罐籠的精準(zhǔn)定位。罐籠鋼絲繩為直徑62 mm的德國(guó)達(dá)高鋼絲繩，采用TCK在線監(jiān)測(cè)。罐籠自重51 t，特大型罐籠（4 270 mm×7 700 mm×10 500 mm）采用雙層結(jié)構(gòu)，可載290人同時(shí)入井，最大載重50 t，實(shí)現(xiàn)了液壓支架不解體和支架搬運(yùn)車的整體搬運(yùn)；罐籠采用柔性結(jié)構(gòu)，更好地平衡了張力，提高了安全性。

4.2 實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和接口模式

為提高整個(gè)提升系統(tǒng)的互操作性,必須解決通用性問(wèn)題,從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)綜合集成。要做到這一點(diǎn)，首先要在控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)通信、用戶界面等方面建立統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各控制信號(hào)之間的統(tǒng)一管理和控制。

主井提升機(jī)控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化集成監(jiān)控管理系統(tǒng)組態(tài)軟件WINCC與AC800M PLC控制器系統(tǒng)、S800 I/O系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了提升過(guò)程的自動(dòng)化與實(shí)時(shí)監(jiān)控；提升過(guò)程實(shí)現(xiàn)了可視化智能監(jiān)控，操作顯示界面顯示提升箕斗所在的位置、裝卸載系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)、提升速度、加速度以及故障等信息。

副井提升機(jī)的主控系統(tǒng)由西門子公司的SIMATIC S7-400 PLC+FM458模塊結(jié)合ET200組成，協(xié)調(diào)管理提升機(jī)的操作和報(bào)警任務(wù)。在檢測(cè)提升容器在井筒中的準(zhǔn)確位置以及速度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)行程控制，全數(shù)字的閉環(huán)控制方式使停車位置準(zhǔn)確，不依賴停車開關(guān)停車，減少了故障點(diǎn)，自動(dòng)化程度高，減少了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中人工的參與。硬件結(jié)構(gòu)采用雙PLC控制的主控、監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了提升過(guò)程的智能化監(jiān)控。

4.3 多層次、具備復(fù)合功能的裝備系統(tǒng)

多層次、具備復(fù)合功能的裝備系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合整個(gè)礦井提升系統(tǒng)成為礦井生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。控制設(shè)備類型多樣，信號(hào)復(fù)雜，如何協(xié)調(diào)好多層次、具有復(fù)合功能的裝備系統(tǒng)的配套集成是一大技術(shù)難點(diǎn)。

5 應(yīng)用效果

集成了高可靠性、高配置、高起點(diǎn)的提升設(shè)備，形成了國(guó)際先進(jìn)的現(xiàn)代化大功率、高產(chǎn)、高效、高可靠性、低能耗、自動(dòng)化及智能化的“一井雙機(jī)、并行生產(chǎn)、年產(chǎn)能力達(dá)1 200萬(wàn)t”千萬(wàn)噸級(jí)礦井提升系統(tǒng)，積極推進(jìn)了大型化、高效化、智能化高端裝備與先進(jìn)技術(shù)集成及應(yīng)用。

麻家梁礦主副井提升系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了單日最大提煤超58 000 t，年產(chǎn)1 200萬(wàn)t的提升能力要求，為同煤集團(tuán)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

Research on the Key Technology Integration and Application of Hoisting System in More than Ten Million Tons of Coal Production of Mine

Liu Gaiye

For integration technology ofmine hoisting and supporting system at home and abroad,especially for the status quo of the theory of the key technology integration and application of hoisting system in oversizemodern mine and weak technology research foundation,the comprehensive integration and application innovation is studied for high-end equipment ofmine hoisting system and the key technology,high efficiency and energy saving ofmain shaft, precise positioning of vice shaft and annual production of 12 million t of hoisting system in oversizemodern mine are formed.

coalmining;mine hoisting;more than ten million tons of coal production ofmine;high power hoist; integration of hoisting system

TD534

B

1000-4866（2015）01-0001-05

2014－10－04

劉改葉，女，1969年出生，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備制造有限公司工作，工程師。