多繩摩擦式提升機換繩方法研究

王明甫

鄭煤集團公司工程技術研究院 河南新鄭 452300

礦井提升機是礦井提升運輸系統的“咽喉”，屬于礦山機械的四大固定設備之一。與單繩纏繞式提升機相比，多繩摩擦式提升機應用更廣泛，其提升能力大，結構緊湊，質量相對較輕，適合中等深度的礦井提升。近年來隨著我國地下礦產資源不斷向深層擴展[1]，多繩摩擦式提升機在礦山上的應用越來越多[2]。

根據我國《煤礦安全規程》第 412 條規定[3]：多繩摩擦式提升機鋼絲繩 (即主繩) 的報廢標準為 2 a。因此對于主、副井均為多繩摩擦式提升機的礦井來說，平均每年需要換一次主繩。近年來，我國超千米深井逐漸增多，多繩摩擦式提升機系統參數也不斷增大，多繩摩擦式提升機的主繩數量多為 4～6 根，鋼絲繩質量大，給鋼絲繩的更換工作增加了難度。換繩不規范容易造成扭繩、擰繩等問題，使新繩在使用前就已經受到損傷，給礦井帶來安全隱患，嚴重時，甚至會引發安全事故，造成設備損壞和人員傷亡[4-5]。

1 多繩摩擦式提升系統配置及換繩存在的風險

多繩摩擦式提升機系統構成如圖1、2 所示，鋼絲繩搭放在摩擦輪上，鋼絲繩的兩端各懸掛一個提升容器 (或一端懸掛一個提升容器，另一端懸掛平衡錘)，電動機帶動摩擦輪轉動，通過摩擦輪上的摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力來帶動鋼絲繩完成容器的提升或下放。

圖1 井塔式多繩摩擦式提升機

圖2 落地式多繩摩擦式提升機

多繩摩擦式提升機換繩的主要困難在于：鋼絲繩一端的容器停在井口，另一端停在井底，兩側鋼絲繩張力存在張力差，當鋼絲繩從容器上斷開后，井底容器上鋼絲繩懸垂質量很大，而此時摩擦輪提供的摩擦力很小，無法阻止鋼絲繩在摩擦輪上的滑動，如圖3所示。此時有

圖3 多繩摩擦式提升機摩擦輪兩側鋼絲繩的張力差

式中：T2為容器在井底側的鋼絲繩受力，N；T1為容器在井口側的鋼絲繩受力，N；n為提升鋼絲繩數量，根；m為提升鋼絲繩單位質量，kg/m；g為重力加速度，取 9.81 kg/m2；H為提升高度，m。

2 鋼絲繩更換方案

2.1 舊繩帶新繩方案

在我國傳統的多繩摩擦式提升機更換主繩鋼絲繩方法主要有 2 種。

(1) 方案 1 基于新舊繩頭相互連接的換繩法，該方法是在井口布置慢速絞車，將新主繩纏繞在慢速絞車上，新繩與在井口的舊繩對接，并拆開井下繩頭，利用穩車將鋼絲繩下放，回收舊繩。該換繩方案的勞動強度大，工作時間長，效率較低[6]。舊繩帶新繩方案系統配置如圖4 所示。

圖4 舊繩帶新繩方案系統配置

(2) 方案 2 基于新舊繩相互夾緊，用舊繩帶新繩的換繩法[7]。

該方案比方案 1 效率高，目前應用較多，主要步驟為：①讓一側容器 (容器 A) 停在楔形環剛好露出上井口位置，在井口搭建作業平臺；②卡固舊繩，以 0.5 m/s 的速度緩慢開動提升機，每隔一定距離，用長卡板將舊主繩卡在一起，并將容器 A 逐漸下放到井底；③在容器 B 上方將 2 根主繩在懸掛裝置處截斷，緩慢開動提升機，下放容器 B，并逐步拆除卡板，回收 2 根舊繩；④容器 A 回到井口后，將容器A 上方對應的 2 根舊繩截斷，并在另一側將新繩連接到截斷的 2 根舊繩上；⑤提升機緩慢轉動，舊繩帶動新繩到達容器 A 上方；⑥回收舊繩，并將新繩安裝到容器 A 上方；⑦容器 A 緩慢下放，每隔一定距離，用長卡板將舊主繩和新主繩卡在一起；⑧容器 B到達井口，將新繩安裝于容器 B 上。如此反復，直到全部鋼絲繩安裝完畢。

該換繩方法的缺點是更換的提升主繩的重力由其余的主繩承擔，每更換 2 根鋼絲繩，需要在鋼絲繩長度范圍內拆裝長卡板 2 次。工人需持續頻繁地在井口平臺進行操作，存在墜物等風險，且因提升系統參數不同，還可能出現滑繩、主繩安全系數不足等情況[8]。南非某礦配備的換繩車及鋼絲繩夾緊提升裝置(CLD) 如圖5 所示，換繩車纏繩原理如圖6 所示。

圖5 南非某礦配備的換繩車及鋼絲繩夾緊提升裝置 (CLD)

圖6 換繩車纏繩原理

2.2 國外換繩車方案

根據對國外礦山的調研，南非等國在深井多繩摩擦式提升系統中配備了專業的鋼絲繩操作系統，用來更換鋼絲繩，比較有代表性的是某公司的換繩車方案。換繩車方案系統配置如圖7 所示。

圖7 換繩車方案系統配置

國外換繩車方案的主要操作步驟：①將一側容器 (容器 A) 固定在井口，將另一側容器 (容器 B) 下的尾繩拆下，固定于井下的橫梁上；②用鋼絲繩夾緊提升裝置 (CLD)，將容器 B 提升一小段距離，將容器 A上方的鋼絲繩割斷；③安裝換繩導向輪，通過導向輪將鋼絲繩拉到空鋼絲繩卷上；④開動換繩車，帶動舊鋼絲繩，將容器 B 從井下提到井口，并用橫梁固定在井口；⑤將主繩從容器 B 上取下，開動纏有細鋼絲繩的小絞車，將細鋼絲繩連接到主繩上，換繩車繼續開動，將主繩全部纏到鋼絲繩卷上，牽引細鋼絲繩過換繩車；⑥新鋼絲繩卷就位，將新鋼絲繩連接到細鋼絲繩上，用細鋼絲繩將新鋼絲繩纏過換繩車，并拉過天輪，拉到容器 B 上方并纏繞到容器 B 上；⑦ 開動換繩車帶動新鋼絲繩將容器 B 下放到井底，用鋼絲繩夾緊提升裝置 (CLD) 鎖住鋼絲繩；⑧容器 B 安裝上尾繩，換繩結束。

國外換繩車方案的優點：用換繩車和鋼絲繩夾緊提升裝置 (CLD) 來承受鋼絲繩懸垂在井筒中的重力，而且摩擦絞車一次就可以把鋼絲繩和容器從井筒中提起或者下放，操作效率高，人員暴露在危險位置的時間短。

2.3 國內換繩車方案

國內換繩車方案系統配置如圖8 所示。

圖8 國內換繩車方案系統配置

近年來國內學者和企業也對多繩摩擦式提升機的鋼絲繩更換裝備進行了一系列的研發工作，并取得了一些成效。其中比較有代表性的是某公司的 SMART-70 型機械換繩車方案。

使用該換繩方案的主要步驟為：①各裝置就位，一側容器 (容器 A) 位于井口，另一側容器 (容器 B) 位于井底，將容器 B 上提，使容器 A 上的鋼絲繩松弛；②2 根新繩穿過換繩車，向上牽引，并與舊繩連接，然后切斷井口容器 A 上的舊繩，把舊繩折向換繩車；③牽引舊繩，將新繩頭通過天輪和提升機到達容器A，并安裝在容器 A 上；④ 將舊繩放下，并穿過換繩車至收繩絞車；⑤ 開動提升機，換繩車隨動，放新繩的同時下放容器 A，并提升容器 B，回收 2 根舊繩；⑥ 容器 B 運行到井口以后，將其上的舊繩取下，并安裝新繩，2 根鋼絲繩更換完畢。如此往復，直到所有鋼絲繩更換完畢[9]。

采用該換繩方案，由換繩車承受鋼絲繩和容器懸垂在井筒中的重力，但一次只能更換 2 根鋼絲繩，在鋼絲繩根數較多時，更換效率略低于國外換繩車方案。

3 方案的應用情況及對比分析

目前，這幾種典型的換繩方案在礦山上均有應用。筆者根據調研和相關資料，統計了這 3 種換繩方案的鋼絲繩更換時間，如表1 所列。對這些方案的優缺點進行了比對分析，如表2 所列。

表1 換繩方案及應用情況

表2 換繩方案對比

4 結語

隨著我國礦山開采深度的不斷加深，多繩摩擦式提升機因其結構緊湊、質量較輕、提升能力大、效率高等特點，在我國礦山上的應用也越來越多。筆者對目前較典型的 3 種換繩方案進行了分析。采用傳統的舊繩帶新繩更換方法時，系統存在滑繩及安全系數超標的風險，同時需要頻繁在井口上方操作，安裝和拆卸夾板風險大、效率低。而采用專用機械式鋼絲繩更換方法，工人勞動強度小，在井口操作時間短，安全性高，并且可以有效地縮短鋼絲繩更換時間。