高河礦主井提升系統(tǒng)能力提升技術(shù)研究

楊 興

(山西潞安化工集團(tuán) 能源事業(yè)部，山西 長(zhǎng)治 046200)

當(dāng)前，煤炭增產(chǎn)保供事關(guān)國(guó)家能源安全，是山西省煤炭企業(yè)的重大政治任務(wù)。各煤企將科學(xué)合理釋放先進(jìn)產(chǎn)能作為完成保供任務(wù)的重要舉措之一。

高河礦是潞安化工集團(tuán)下屬的特大型現(xiàn)代化主力生產(chǎn)礦井，2016年被評(píng)為首批先進(jìn)產(chǎn)能礦井。該礦井2021年原煤產(chǎn)量1 150萬(wàn)t/a，主提升系統(tǒng)作業(yè)天數(shù)350 d，日提升時(shí)間為21 h.當(dāng)前提升機(jī)運(yùn)行速度已達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大值，如果使用原系統(tǒng)增加提升能力，就需要縮減設(shè)備維檢時(shí)間。但縮減維檢時(shí)間勢(shì)必影響檢修質(zhì)效，進(jìn)而威脅安全，而且縮減檢修時(shí)間不能從根本上解決制約礦井生產(chǎn)能力提高的問(wèn)題。目前，主立井提升系統(tǒng)已經(jīng)成為高河礦產(chǎn)能釋放的瓶頸，如何對(duì)立井提升系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造、增大其提升能力，已成為亟待研究和解決的重大技術(shù)課題。

1 主井提升系統(tǒng)現(xiàn)狀

高河礦采用立井(箕斗)提升方式，一個(gè)井筒內(nèi)對(duì)稱布置兩套提升系統(tǒng)，裝備兩套能力相同的西馬格提升機(jī)，電控系統(tǒng)采用交直交變頻，實(shí)現(xiàn)雙邊提升。主立井提升系統(tǒng)的主要技術(shù)特征如表1所示。

表1 主立井提升系統(tǒng)技術(shù)特征

主井裝載采用定量斗方式。裝載硐室共布置兩套裝載設(shè)備，每套裝載設(shè)備對(duì)應(yīng)一套提升容器(箕斗)。當(dāng)空箕斗到達(dá)井底裝載位置時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)指令，“一對(duì)二”定量斗扇形閘門打開(kāi)，此前裝載分叉溜槽內(nèi)的翻板閘門已經(jīng)開(kāi)通，煤經(jīng)裝載溜槽流入空箕斗。裝載完畢后，發(fā)出裝滿信號(hào)。此時(shí)，井口重箕斗卸煤作業(yè)在同步進(jìn)行。待裝載完畢和卸載完畢信號(hào)均發(fā)出后，發(fā)出提升信號(hào)，井底重箕斗上提，同時(shí)“一對(duì)二”定量斗扇形閘門關(guān)閉，裝載溜槽內(nèi)的翻板閘門換向，開(kāi)始下一次提升循環(huán)。另一套裝載設(shè)備與此套裝載設(shè)備交替運(yùn)行，動(dòng)作順序相同。

井口采用固定卸載曲軌卸載方式，重箕斗在井口進(jìn)入固定曲軌之前，以0.5 m/s的爬行速度運(yùn)行，以減少運(yùn)行中箕斗與固定曲軌間的沖擊力。與箕斗扇形閘門相聯(lián)的卸載滾輪進(jìn)入曲軌后，閘門在箕斗提升過(guò)程中邊卸煤邊打開(kāi)，至卸載口位置后，箕斗停住穩(wěn)定卸載，原煤通過(guò)卸載溜槽卸入井口箕斗受煤倉(cāng)內(nèi)，經(jīng)傳感器檢測(cè)箕斗卸空后，發(fā)出卸空信號(hào)。此時(shí)，井底裝載系統(tǒng)向空箕斗裝煤作業(yè)在同步進(jìn)行。裝載完畢和卸載完畢信號(hào)均發(fā)出后，發(fā)出提升信號(hào)，開(kāi)始下一個(gè)提升作業(yè)循環(huán)。

2 分析制約主井提升能力的主要因素

主提升系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間分為運(yùn)行時(shí)間和休止時(shí)間。高河礦主提升系統(tǒng)采用經(jīng)典五段圖運(yùn)行方式(圖1)，即爬出段、加速段、勻速段、減速段、爬入段；停車休止時(shí)間指提升機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，箕斗裝卸時(shí)段。提升機(jī)在井筒內(nèi)最大運(yùn)行速度為12 m/s.

圖1 提升機(jī)運(yùn)行五段圖

為準(zhǔn)確掌握提升機(jī)運(yùn)行規(guī)律，我們列出了設(shè)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)提升機(jī)實(shí)際循環(huán)時(shí)間及各段運(yùn)行距離進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)及測(cè)量(表2)。

提升機(jī)一個(gè)循環(huán)運(yùn)行時(shí)間包含提升機(jī)在井筒中的運(yùn)行時(shí)間與到位后的裝載時(shí)間。裝載時(shí)間分為箕斗到位后開(kāi)閘門時(shí)間、純定量斗裝煤時(shí)間、定量斗卸空后閘門關(guān)閉時(shí)間等3個(gè)時(shí)間段，而卸載時(shí)間與裝載時(shí)間同步。由表2可知，一個(gè)循環(huán)的設(shè)計(jì)時(shí)間為87.83 s，1號(hào)提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為88.9 s，2號(hào)提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為91 s.

表2 提升機(jī)循環(huán)時(shí)間數(shù)據(jù)

我們將提升運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行分解，列出加速度、主速度、停車等各運(yùn)行區(qū)段的時(shí)間和距離(表3)，可以看到提升機(jī)運(yùn)行狀況隨時(shí)間變化的規(guī)律。

表3 提升機(jī)五段圖運(yùn)行數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)提升機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，綜合礦井生產(chǎn)實(shí)際，可以總結(jié)出主井提升機(jī)存在以下問(wèn)題：

2.1 提升循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)

對(duì)照工藝控制設(shè)計(jì)，目前加減速度段、等速段已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但爬行距離比設(shè)計(jì)稍長(zhǎng)，特別2號(hào)提升機(jī)，相比1號(hào)提升機(jī)仍有提升空間，爬行距離長(zhǎng)造成爬行時(shí)間長(zhǎng)，增加了提升循環(huán)時(shí)間。

2.2 單鉤實(shí)際提升載荷偏低

不能精確裝載是造成單鉤實(shí)際提升載荷偏低的主要因素。主井裝載采用定重、定時(shí)、定容方式控制裝載，由于稱重傳感器及煤質(zhì)粘度等原因造成提升容重誤差，致使實(shí)際裝載量小于提升容重，提升效率及提升能力下降5%～8%.單鉤實(shí)際提升載荷1號(hào)提升機(jī)平均約24.1 t/斗、2號(hào)提升機(jī)平均約24.3 t/斗。

2.3 提升運(yùn)行休止時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

提升運(yùn)行休止時(shí)間包括裝、卸載時(shí)間和信號(hào)聯(lián)系等待時(shí)間，裝卸時(shí)間23 s包括：定量斗閘門油缸緩慢開(kāi)啟時(shí)間8 s,閘門敞開(kāi)全速裝煤時(shí)間7 s，定量斗閘門油缸關(guān)閉時(shí)間8 s.卸煤由于受裝卸載工藝的限制，以及裝卸載控制性能和信號(hào)系統(tǒng)性能的限制，雖然達(dá)到設(shè)計(jì)的提升運(yùn)行休止時(shí)間，但仍有改進(jìn)空間。信號(hào)聯(lián)系等待時(shí)間是因?yàn)樘嵘詣?dòng)模式下，由于異常情況導(dǎo)致箕斗不能按時(shí)裝滿，出現(xiàn)提升機(jī)裝載超時(shí)，需要耗費(fèi)一定時(shí)間人工聯(lián)系切換為手動(dòng)提升。

2.4 提升機(jī)的檢修情況影響

提升機(jī)設(shè)備檢修維護(hù)受多方面因素制約，檢修失誤引起零星事故發(fā)生，影響提升時(shí)間。主要有以下5個(gè)方面：

1) 主井提升系統(tǒng)設(shè)備已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10 a，部分設(shè)備出現(xiàn)老化，按照以往的檢修方式不能滿足設(shè)備正常使用，檢修維護(hù)量增加。

2) 主井檢修人員不足，目前檢修組有人員16名，除去上日值班、本日值班及正常輪休人員，每日8名左右檢修工，完成正規(guī)檢修十分吃力，出現(xiàn)突發(fā)情況不能滿足檢修要求。

3) 受成本管理制約，常用消耗配件材料往往出現(xiàn)價(jià)低質(zhì)差的情況，配件材料不耐用需要頻繁更換，加重了設(shè)備檢修的強(qiáng)度。

4) 主井裝載站采用膠帶秤及定量斗稱重的方式進(jìn)行稱重，一旦主井煤倉(cāng)涌下大量水煤，會(huì)對(duì)膠帶秤造成嚴(yán)重?fù)p壞，使稱重產(chǎn)生較大誤差，降低每斗的裝煤量，降低提升效率。

5) 煤質(zhì)粘度(水煤及雜物)粘掛在定量斗內(nèi)，使定量斗卸不凈，需要人工信號(hào)聯(lián)系卸載，延長(zhǎng)了卸載時(shí)間，影響提升效率。

3 提高礦井主提升能力的主要技術(shù)途徑及措施

提升能力的計(jì)算公式：

(1)

式中：A為提升能力；b為年工作日；t為日提升時(shí)間；Pm為一次提升煤量；k為裝滿系數(shù)；k1為提升不均勻系數(shù)，有緩沖倉(cāng)取1.1；k2為提升能力富余系數(shù)，取1.1；T為一次提升循環(huán)時(shí)間。

通過(guò)分析上式可知：增加提升能力A可通過(guò)提高一次提升量Pm和縮短一次循環(huán)時(shí)間T來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，主井能力提升的措施主要有：

3.1 縮短一次提升循環(huán)時(shí)間

根據(jù)一次提升循環(huán)時(shí)間的計(jì)算公式：

T=t0+t1+t2+t3+t4+θ

(2)

式中：t0為初加速時(shí)間；t1為主加速時(shí)間；t2為等速運(yùn)行時(shí)間；t3為減速時(shí)間；t4為爬行時(shí)間；θ為裝卸載休止時(shí)間。

結(jié)合圖1與表4來(lái)看，理論上公式(2)中任意一項(xiàng)減少均可縮短提升循環(huán)時(shí)間，主要有以下3方面的技術(shù)途徑：

表4 提升機(jī)五段圖運(yùn)行示意

1) 一般而言，未能達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的提升運(yùn)行加減速度和最大運(yùn)行速度，可適當(dāng)加大提升運(yùn)行加減速度和最大運(yùn)行速度來(lái)縮短運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)礦井提升系統(tǒng)優(yōu)化目的。但高河礦t1(主加速時(shí)間)、t2(等速運(yùn)行時(shí)間)、t3(減速時(shí)間)已達(dá)到加減速度和最大運(yùn)行速度的設(shè)計(jì)值，只能通過(guò)挖掘t0(初加速時(shí)間)、t4(爬行時(shí)間)、θ(裝卸載休止時(shí)間)提升設(shè)備的潛力。

2) 適當(dāng)提高爬行速度和縮短爬行距離S0來(lái)縮短爬行時(shí)間t0，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，在控制系統(tǒng)能確保控制準(zhǔn)確和安全的前提下，爬行距離縮短到9 m，同時(shí)將爬行速度提高到2 m/s，并直接由2 m/s爬行速度減速停車，這樣可大大縮短爬行時(shí)間。若采用縮短爬行時(shí)間來(lái)較大幅度提高提升能力，需通過(guò)修改電控系統(tǒng)程序以確保對(duì)速度和位置的準(zhǔn)確控制和可靠的安全監(jiān)視保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前高河礦電控系統(tǒng)的能力具備，需西門子程序工程師現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試就能夠滿足使用要求。

3) 縮短裝卸載休止時(shí)間。正常情況下，定量斗閘門油缸緩慢開(kāi)啟時(shí)間8 s，定量斗閘門油缸關(guān)閉時(shí)間8 s，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)裝載站液壓站改造，增大流量、壓力參數(shù)，可以縮短6 s定量斗閘門油缸開(kāi)閉時(shí)間。在卸載站加設(shè)液壓站，采用液壓動(dòng)力卸載，拆除原有的卸載曲軌可以進(jìn)一步縮短爬行距離，減少爬行時(shí)間。

優(yōu)化電控系統(tǒng)盡可能采用自動(dòng)運(yùn)行方式節(jié)省信號(hào)聯(lián)系等待時(shí)間，這樣可大大縮短裝卸載時(shí)間和等待時(shí)間。

以上數(shù)據(jù)需設(shè)計(jì)院校驗(yàn)計(jì)算來(lái)決定是否可提高相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)或進(jìn)行技術(shù)改造來(lái)實(shí)現(xiàn)縮短運(yùn)行時(shí)間，這需要增加一定的設(shè)備投資。

實(shí)現(xiàn)外力卸載，提升系統(tǒng)采用三段圖運(yùn)行，見(jiàn)圖2.

圖2 提升機(jī)運(yùn)行三段圖

t1為加速時(shí)間12 s；t2為等速運(yùn)行時(shí)間25.99 s；t3為減速時(shí)間12 s；θ為裝卸載休止時(shí)間20 s；S1為加速距離72 m ；S2為等速距離311.84 m；S3為減少距離72 m；a1、a2為加減速度1 m/s2,見(jiàn)表5.

表5 提升機(jī)三段圖運(yùn)行數(shù)據(jù)

按照速度圖所示的提升循環(huán)時(shí)間69.99 s，提升定額載荷25 t，裝滿系數(shù)取0.97，按330 d、20 h計(jì)算，代入公式(1)，可得設(shè)計(jì)年提升能力為1 360萬(wàn)t/a.

3.2 提高單鉤一次提升量Pm

此技術(shù)途徑可從兩方面考慮，一是提升系統(tǒng)已達(dá)到提升定額載荷或提升機(jī)最大張力差的要求，箕斗采用外動(dòng)力御載等，可以在靜張力不變的情況下提高一次提升量Pm，而不必進(jìn)行鋼絲繩安全系數(shù)驗(yàn)算，但需要驗(yàn)算最大靜張力差和更換箕斗；二是未達(dá)到提升額定載荷或提升機(jī)最大張力差的要求，此時(shí)可直接增加提升載荷，但需要驗(yàn)算最大靜張力和張力差。無(wú)論采用哪種方式均需對(duì)電動(dòng)機(jī)容量及防滑條件進(jìn)行驗(yàn)算。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于立井提升礦井，主井提升系統(tǒng)往往是釋放產(chǎn)能的瓶頸，所以主井提升系統(tǒng)的增效改進(jìn)顯得特別迫切和必要。

經(jīng)過(guò)上文分析得知，通過(guò)改造提升容器裝卸載方式、優(yōu)化提升速度圖來(lái)提升主井提煤效率，效果顯著、操作性更強(qiáng)、可靠性更高。

需要注意的一點(diǎn)是,休止時(shí)間的減少，會(huì)增加電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。對(duì)于提升電機(jī)運(yùn)行年久、溫升較高的礦井，在改造前需要采用專業(yè)化干冰清洗工藝，對(duì)電機(jī)內(nèi)外積塵、積碳進(jìn)行清洗，降低電機(jī)運(yùn)行溫度。