暗斜井絞車跑車事故中鋼絲繩斷繩原因分析

錢 龍

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037007）

引言

2020年10月15日，山西省大同市某煤礦暗斜井絞車發生一起較大運輸事故，造成多人重傷。事故煤礦使用淘汰的JTKB-1.0×0.8W型絞車，配套使用6×19S+FCΦ18.5 mm型鋼絲繩，事故發生時，實際一次串7車刮板輸送機的槽板，共計114塊重106.59 kN，礦車通過變坡點時，鋼絲繩受到較大沖擊力作用，導致鋼絲繩斷裂，礦車跑車后將多人撞擊受傷。

1 物證分析

檢驗機構對事故鋼絲繩進行了實驗室物證分析。截取了斷口靠滾筒端共計2.9 m的鋼絲繩做性能試驗。根據M717-1997的要求，在取樣鋼絲繩離開斷口位置1.8 m處向滾筒端又截取了500 mm做性能試驗，其相對位置如圖1所示。

圖1 試樣鋼絲繩尺寸

在對事故后取樣鋼絲繩的拆股過程中發現，在斷口150 mm范圍內，出現鐵銹掉落、鋼絲上無油、銹蝕嚴重問題；纖維繩芯已嚴重腐蝕、里面無油。有3根鋼絲已經銹斷，23根鋼絲有磨損，10根鋼絲有彎曲變形[1-2]。

2 鋼絲繩安全系數校驗

2.1 同型號的新鋼絲繩的安全系數K1的驗算

式中：Q破為新鋼絲繩破斷拉力總和，取208 kN；m車為單個礦車自重，540 kg；m連為6個三環鏈、13個插銷的質量，取99 kg（環鏈10 kg，插銷3 kg）；m為單塊槽板質量，取60 kg；n為槽板數量，取114塊（112塊+2塊短板）；f1為礦車運行阻力系數，取0.01；f2為鋼絲繩移動時的阻力系數，取0.2；θ為井筒傾角，取26°；g為重力加速度，取9.8 m/s2；P繩為鋼絲繩理論質量，取1.39 kg/m；L為事故發生時鋼絲繩放出長度，取55.3 m。將相應數值代入公式計算同型號的新鋼絲繩的安全系數K1=4.62。

2.2 取樣鋼絲繩安全系數K2驗算

式中：Q實為實測合格鋼絲破斷拉力總和，取119.104 kN。將相應數值代入公式計算取樣鋼絲繩安全系數得K2=2.64。

根據2016年版《煤礦安全規程》中第401條及第402條規定，使用中，專為升降物料用鋼絲繩的安全系數小于5，鋼絲繩的不合格鋼絲斷面積與鋼絲總斷面之比達到25%時，應更換；而實測鋼絲繩的安全系數為2.64，不合格鋼絲斷面積與鋼絲繩總斷面積的比值為51.47%，判定：試樣鋼絲繩為不合格鋼絲繩。

2.3 事故發生前提升絞車負荷能力驗算

暗斜井絞車為JTKB-1.0×0.8W型礦用提升絞車，電機功率37 kW，絞車設計允許的最大靜張力[Fjm]為20 kN，實際提升的靜張力為：Fjm=（nm+nm車+m連）g（sinθ-f1cosθ）+P繩Lg（sinθ-f2cosθ）]=45 047 N。Fjm/[Fjm]=2.25。即超過提升絞車額定負荷2.25倍。暗斜井絞車提升7輛礦車裝載114塊槽板屬于超掛、超負荷提升。

3 斷裂鋼絲繩相關參數分析

3.1 試樣鋼絲繩測試結果

專家組于在太原安全技術檢測中心實驗室對試樣鋼絲繩相關參數進行檢驗檢測，合格鋼絲破斷拉力總和為119.104 kN。

3.2 試樣鋼絲繩拆股結果

專家組在檢驗機構對斷口處鋼絲繩進行了拆股分析，鋼絲繩斷點位置的三股鋼絲中，10根鋼絲有明顯彎曲變形，是在斷繩之前的提升運輸過程中受到外力的損傷；變形的鋼絲繩在提升運輸過程中是局部的磨損，而不是均勻磨損。根據實測Φ1.5 mm鋼絲的平均拉力為2.259 kN，在斷口處的斷絲根數為3根，嚴重磨損鋼絲數為23根，嚴重磨損的鋼絲的拉力取鋼絲的平均拉力的一半，取11根，共計為14根，推斷出銹斷鋼絲、嚴重磨損鋼絲以及彎曲變形鋼絲的破斷拉力總和為Q損=31.626 kN。

3.3 斷口處鋼絲繩性能計算

實驗鋼絲繩在離開斷繩口1.8 m位置被截取，其鋼絲的參數能代表斷繩口的性能，但是，通過拆股發現已經繡蝕斷裂的鋼絲和已經磨損的鋼絲不能計算在整繩的破斷拉力中[5-6]。減去這部分鋼絲的破斷拉力后，斷繩位置合格鋼絲破斷拉力總和Q斷=Q實-Q損=87.478 kN。

3.4 斷繩分析

事故煤礦暗斜井絞車未設置游動天輪，滾筒上纏繞3層鋼絲繩，導致鋼絲繩在滾筒上纏繞排列不整齊；該JTKB-1.0×0.8W型絞車的運行速度依靠司機手動控制，屬機械調速，調速性能差，在重載下放通過變坡點的過程中，鋼絲繩受排列不整齊、調速不均勻的影響，運行速度出現波動，鋼絲繩強烈振動，產生沖擊力。

鋼絲繩在井筒中運行時受到向下的重力m0g、重載礦車給予的沿軌道向下的拉力F、地滾子給的支撐力N、鋼絲繩運動時的摩擦力f1、礦車運行時的摩擦阻力f2等的作用。過了變坡點后，重載礦車以加速度a向下運行，如圖2所示。在強烈振動瞬間，加速度a即重力加速度沿軌道向下方向的分加速度，即a=gsinθ。

圖2 鋼絲繩受力情況

根據受力分析，有：

通過計算，得到沖擊力Fd為91.175 kN，而鋼絲繩斷口位置的破斷拉力Q斷為87.478 kN，鋼絲繩受到的沖擊力大于破斷拉力，導致鋼絲繩斷繩。

4 結論

通過建立動力學方程，計算出鋼絲繩斷繩時刻的受力數值，結果表明：該絞車鋼絲繩安全系數和新繩數據都不合格，嚴重超載，這是發生斷繩的主要原因。該案例研究為斷繩跑車事故中鋼絲繩斷繩的直接原因分析提供了思路。