常村煤礦主井提升系統技術改造設計

元江博，李雪方

（1.山西潞安化工集團常村煤礦，山西 長治 046100；2.晉能控股電力集團太陽能科技有限公司，山西 長治 046011）

1 改造原則

常村煤礦為生產礦井，基于現有主井井筒裝備、提升容器外形尺寸、主井井架、提升機基礎等設施維持不變的前提下，對現有提升設備進行更換，使其影響主井提升系統正常生產的時間最短，并滿足礦井年提升能力8.00 Mt/年的生產要求。

2 主井提升系統運行現狀

主井提升系統擔負礦井原煤提升任務，裝備一對30 t 箕斗。提升系統的提升高度為483.0 m，提升速度為13 m/s。裝備德國SIEMAG 公司的5 繩摩擦式提升機，滾筒直徑5 000 mm，箕斗提升量30 t。電控系統采用德國西門子公司交-交變頻同步電機系統，詳見表1。

表1 主井提升系統參數

3 技術改造方案設計

根據現有主井井筒裝備、提升容器外形尺寸、主井井架、提升機基礎等主要設施維持不變的前提，擬通過增加單次提升量的方式對提升系統進行改造，以下描述為詳細的改造方案設計。

3.1 改造可行性分析

現箕斗總重61.7 t，有效載重30 t，本體外形尺寸（長×寬×高）=3 370 mm×1 870 mm×16 000 mm。據實際測算，當箕斗裝滿30 t 原煤時，箕斗內的有效裝煤高度仍剩余1.9 m，其有效容積約9 m3，可增加提升原煤約10 t，由此可見，主井箕斗在不改造外形尺寸的前提下，可裝載40 t 原煤。在現有電機基礎不變的情況下，確定提升系統改造后箕斗自重Qc=56.1 t，有效載重Qz=38 t。

3.2 提升能力計算

3.2.1 一次循環主井年提升能力

按主井實際提升一次循環時間Tq=83.29 s，箕斗單次提升量Q=38 t 時，主井的年提升能力為：An=不能滿足礦井8.0 Mt/年的生產要求。其中br為年工作日，取330 d；t 為日工作時長，取16 h；C 為不平衡系數；af為裕量。

3.2.2 滿足年提升能力8.0 Mt/年途徑

提高年提升能力主要是減小提升一次循環時間Tq，其計算如下減小Tq途徑為提高最大提升速度，加大主加、減速度，縮短休止時間θ。

1）提高最大提升速度：根據《煤礦安全規程》規定，立井提升容器提升物料的最大提升速度為[1]：（H 為提升高度），現最大提升速度為13 m/s，基本接近最大提升速度的臨界值，故此方案不可取。

2）加大主加、減速度：現主加、減速度均為0.75 m/s2，提高主加速度為0.8 m/s2、主減速度為1 m/s2，主加、減時間分別為17.85 s、15 s。按照三階段速度圖計算，等速時間為20.73 s。改變主加、減速度后一次循環時間減少了0.91 s。

3）縮短休止時間：提升休止時間主要是指裝卸載時間，現采用定量板式輸送機裝載、風動外動力卸載，休止時間為28.8 s。根據現場實測裝卸載時間來看，休止時間主要是受裝載時間制約。需對井下裝載定量板式輸送機進行更換，休止時間可調整為28.4 s，可縮短0.4 s。因為大幅度縮短休止時間對提升電動機散熱冷卻不利，所以僅對休止時間進行小范圍調整。

根據以上對主加、減速度和休止時間的調整，整個提升循環時間為：Tq=17.85+15+20.73+28.4=81.98 s。

3.2.3 擬改造后主井的年提升能力

本次按提高主加速度為0.8 m/s2、主減速度為1 m/s2、一次提升循環時間Tq=81.98 s 考慮，重新計算主井年提升能力8.01 Mt/年，滿足礦井8.0 Mt/年的生產要求。

3.3 主要提升設備的改造及驗算

3.3.1 鋼絲繩

首繩的選擇：提高首繩的抗拉強度，維持原繩徑不變，技術參數詳見表2。

表2 提升主鋼絲繩參數

《煤礦安全規程》規定值：M物=7.2-0.000 5H=6.93，其中M物為提物質量。

平衡扁尾繩共3 根，技術參數見表3。

表3 提升尾繩參數

3.3.2 提升機

主井提升系統主要受力有鋼絲繩最大靜張力和鋼絲繩最大靜張力差，鋼絲繩最大靜張力Fz=（Q+Qc+5Pk1H）g=（38 000+56 100+5×9.29×483）×9.8/1 000=1 142.0 kN；鋼絲繩最大靜張力差Fc=（Q+5Pk1Hc）g=（38000+5×9.29×8）×9.8/1000=376.0kN。

現有提升機最大靜張力（1 078 kN）和最大靜張力差（294 kN）不滿足要求，需要更換主軸裝置、滾筒、軸承和軸承座及潤滑油站，以滿足要求。

3.3.3 制動系統

隨著提升有效載荷由30 t 增加至38 t，提升系統最大靜張力差隨之增大，原有的制動系統的制動力矩及提升系統防滑已不能滿足改造后新系統的要求，本次設計新選用一套進口閘控系統（主要包括液壓站、閘控柜等），采用雙恒減速電液制動控制裝置，它與盤形制動器共同組成提升機電液制動系統[2]。更換時可以在保持原閘座不變的前提下，僅更換閘頭，即可滿足驗算要求，各種載荷工況下的驗算情況見表4、下頁表5。

表4 有效載荷上升驗算

表5 有效載荷下降驗算

3.3.4 天輪

按照改造后的工況經過驗算，需要更換天輪（包括天輪主軸、軸承及軸承座），適當進行部分加粗即可滿足使用要求，天輪強度和疲勞計算如下頁圖1 所示。

圖1 天輪強度計算受力分布圖

載荷按照最大提升載荷38 t 計算，即T=1 142.0 kN，當最大靜張力差為376 kN，按照提升重物的加速階段計算，得到的計算結論見表6。

表6 計算結論統計

根據《化工手冊第四版》第2 卷表6-1-26 規定，許用安全系數Sp：對載荷確定準確、應力計算準確的可取Sp=1.5。按以上計算可知，采用較好的35CrMo 鍛件，從截面2 疲勞安全系數Sσ2=1.448 來看偏小，應將其軸徑適當加粗，其余截面的安全系數均可使用。

3.3.5 提升主電動機

將提升有效載荷增至38 t 時，原來的2×2 000 kW已不能滿足要求，電動機容量擬增加至2×2 700 kW。

按照主加速度為0.8 m/s2、主減速度為1.0 m/s2，休止時間為28.4 s，提升循環時間81.98 s 計算，電動機等效功率[3]電機功率選擇滿足要求。

電機作用于滾筒上的額定力[4]提升大件時在主加速段起始產生最大力Fmax=638.03 kN。電動機的過載倍 數過載倍數滿足要求。

3.3.6 主井提升機房提升機基礎

委托專業機構對該基礎進行檢測。提升機基礎平面圖，如圖2 所示。

圖2 提升機基礎平面示意圖

檢測結論如下：

1）基礎鋼筋銹蝕情況。結構判別為：無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定，銹蝕概率5%。

2）基礎混凝土裂縫情況。結果顯示，在基礎側壁2b 西側、側壁1a 南側、側壁2a 西側、基礎4.150 平面及剎車底座混凝土部位均發現不同程度的開裂情況，其余位置并未發現明顯的開裂情況。基礎表面所發現裂縫僅為基礎混凝土表面抹灰層開裂，基礎混凝土并未發生開裂。

3）結合基礎混凝土鋼筋銹蝕情況調查結果，該基礎混凝土腐蝕情況評定等級評為a 級。

4）根據本系統改造后滾筒側鋼絲繩最大靜張力Fz=1 142.0 kN，滾筒側鋼絲繩最大靜張力差Fc=376.0 kN。主井絞車房提升機基礎計算校核后，提升機基礎的抗傾覆穩定性、抗滑移穩定性滿足規范要求。

5）基礎混凝土的裂縫采用裂縫修補技術灌漿法修補，并外貼纖維復合材料再抹保護層。

4 建設工期

常村煤礦本次系統技術改造涉及范圍廣，現場實施宜采用分階段停產進行，盡量每月完成一項，對礦井安全生產的影響降到最小，影響時間見下頁表7。

表7 改造影響時間

常村煤礦主提升系統改造項目影響正常生產時間概算為58 d。根據提升系統施工進度，設備招投標、訂貨和設計周期為15 個月，預計17 個月完成主井提升系統技術改造項目。