王明甫

鄭煤集團(tuán)公司工程技術(shù)研究院 河南新鄭 452300

礦井提升機(jī)是礦井提升運(yùn)輸系統(tǒng)的“咽喉”，屬于礦山機(jī)械的四大固定設(shè)備之一。與單繩纏繞式提升機(jī)相比，多繩摩擦式提升機(jī)應(yīng)用更廣泛，其提升能力大，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量相對(duì)較輕，適合中等深度的礦井提升。近年來(lái)隨著我國(guó)地下礦產(chǎn)資源不斷向深層擴(kuò)展[1]，多繩摩擦式提升機(jī)在礦山上的應(yīng)用越來(lái)越多[2]。

根據(jù)我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》第 412 條規(guī)定[3]：多繩摩擦式提升機(jī)鋼絲繩 (即主繩) 的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)為 2 a。因此對(duì)于主、副井均為多繩摩擦式提升機(jī)的礦井來(lái)說(shuō)，平均每年需要換一次主繩。近年來(lái)，我國(guó)超千米深井逐漸增多，多繩摩擦式提升機(jī)系統(tǒng)參數(shù)也不斷增大，多繩摩擦式提升機(jī)的主繩數(shù)量多為 4～6 根，鋼絲繩質(zhì)量大，給鋼絲繩的更換工作增加了難度。換繩不規(guī)范容易造成扭繩、擰繩等問(wèn)題，使新繩在使用前就已經(jīng)受到損傷，給礦井帶來(lái)安全隱患，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)l(fā)安全事故，造成設(shè)備損壞和人員傷亡[4-5]。

1 多繩摩擦式提升系統(tǒng)配置及換繩存在的風(fēng)險(xiǎn)

多繩摩擦式提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)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(gè)提升容器 (或一端懸掛一個(gè)提升容器，另一端懸掛平衡錘)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)摩擦輪上的摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力來(lái)帶動(dòng)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(jī)

圖2 落地式多繩摩擦式提升機(jī)

多繩摩擦式提升機(jī)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(cè)鋼絲繩張力存在張力差，當(dāng)鋼絲繩從容器上斷開(kāi)后，井底容器上鋼絲繩懸垂質(zhì)量很大，而此時(shí)摩擦輪提供的摩擦力很小，無(wú)法阻止鋼絲繩在摩擦輪上的滑動(dòng)，如圖3所示。此時(shí)有

圖3 多繩摩擦式提升機(jī)摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩的張力差

式中：T2為容器在井底側(cè)的鋼絲繩受力，N；T1為容器在井口側(cè)的鋼絲繩受力，N；n為提升鋼絲繩數(shù)量，根；m為提升鋼絲繩單位質(zhì)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(guó)傳統(tǒng)的多繩摩擦式提升機(jī)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(chē)，將新主繩纏繞在慢速絞車(chē)上，新繩與在井口的舊繩對(duì)接，并拆開(kāi)井下繩頭，利用穩(wěn)車(chē)將鋼絲繩下放，回收舊繩。該換繩方案的勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作時(shí)間長(zhǎng)，效率較低[6]。舊繩帶新繩方案系統(tǒng)配置如圖4 所示。

圖4 舊繩帶新繩方案系統(tǒng)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(yīng)用較多，主要步驟為：①讓一側(cè)容器 (容器 A) 停在楔形環(huán)剛好露出上井口位置，在井口搭建作業(yè)平臺(tái)；②卡固舊繩，以 0.5 m/s 的速度緩慢開(kāi)動(dòng)提升機(jī)，每隔一定距離，用長(zhǎng)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?cái)?，緩慢開(kāi)動(dòng)提升機(jī)，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(duì)應(yīng)的 2 根舊繩截?cái)?，并在另一?cè)將新繩連接到截?cái)嗟?2 根舊繩上；⑤提升機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，舊繩帶動(dòng)新繩到達(dá)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(zhǎng)卡板將舊主繩和新主繩卡在一起；⑧容器 B到達(dá)井口，將新繩安裝于容器 B 上。如此反復(fù)，直到全部鋼絲繩安裝完畢。

該換繩方法的缺點(diǎn)是更換的提升主繩的重力由其余的主繩承擔(dān)，每更換 2 根鋼絲繩，需要在鋼絲繩長(zhǎng)度范圍內(nèi)拆裝長(zhǎng)卡板 2 次。工人需持續(xù)頻繁地在井口平臺(tái)進(jìn)行操作，存在墜物等風(fēng)險(xiǎn)，且因提升系統(tǒng)參數(shù)不同，還可能出現(xiàn)滑繩、主繩安全系數(shù)不足等情況[8]。南非某礦配備的換繩車(chē)及鋼絲繩夾緊提升裝置(CLD) 如圖5 所示，換繩車(chē)?yán)p繩原理如圖6 所示。

圖5 南非某礦配備的換繩車(chē)及鋼絲繩夾緊提升裝置 (CLD)

圖6 換繩車(chē)?yán)p繩原理

2.2 國(guó)外換繩車(chē)方案

根據(jù)對(duì)國(guó)外礦山的調(diào)研，南非等國(guó)在深井多繩摩擦式提升系統(tǒng)中配備了專(zhuān)業(yè)的鋼絲繩操作系統(tǒng)，用來(lái)更換鋼絲繩，比較有代表性的是某公司的換繩車(chē)方案。換繩車(chē)方案系統(tǒng)配置如圖7 所示。

圖7 換繩車(chē)方案系統(tǒng)配置

國(guó)外換繩車(chē)方案的主要操作步驟：①將一側(cè)容器 (容器 A) 固定在井口，將另一側(cè)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(dǎo)向輪，通過(guò)導(dǎo)向輪將鋼絲繩拉到空鋼絲繩卷上；④開(kāi)動(dòng)換繩車(chē)，帶動(dòng)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(kāi)動(dòng)纏有細(xì)鋼絲繩的小絞車(chē)，將細(xì)鋼絲繩連接到主繩上，換繩車(chē)?yán)^續(xù)開(kāi)動(dòng)，將主繩全部纏到鋼絲繩卷上，牽引細(xì)鋼絲繩過(guò)換繩車(chē)；⑥新鋼絲繩卷就位，將新鋼絲繩連接到細(xì)鋼絲繩上，用細(xì)鋼絲繩將新鋼絲繩纏過(guò)換繩車(chē)，并拉過(guò)天輪，拉到容器 B 上方并纏繞到容器 B 上；⑦ 開(kāi)動(dòng)換繩車(chē)帶動(dòng)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(jié)束。

國(guó)外換繩車(chē)方案的優(yōu)點(diǎn)：用換繩車(chē)和鋼絲繩夾緊提升裝置 (CLD) 來(lái)承受鋼絲繩懸垂在井筒中的重力，而且摩擦絞車(chē)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(xiǎn)位置的時(shí)間短。

2.3 國(guó)內(nèi)換繩車(chē)方案

國(guó)內(nèi)換繩車(chē)方案系統(tǒng)配置如圖8 所示。

圖8 國(guó)內(nèi)換繩車(chē)方案系統(tǒng)配置

近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者和企業(yè)也對(duì)多繩摩擦式提升機(jī)的鋼絲繩更換裝備進(jìn)行了一系列的研發(fā)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(jī)械換繩車(chē)方案。

使用該換繩方案的主要步驟為：①各裝置就位，一側(cè)容器 (容器 A) 位于井口，另一側(cè)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(guò)換繩車(chē)，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(chē)；③牽引舊繩，將新繩頭通過(guò)天輪和提升機(jī)到達(dá)容器A，并安裝在容器 A 上；④ 將舊繩放下，并穿過(guò)換繩車(chē)至收繩絞車(chē)；⑤ 開(kāi)動(dòng)提升機(jī)，換繩車(chē)隨動(dòng)，放新繩的同時(shí)下放容器 A，并提升容器 B，回收 2 根舊繩；⑥ 容器 B 運(yùn)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(fù)，直到所有鋼絲繩更換完畢[9]。

采用該換繩方案，由換繩車(chē)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(shù)較多時(shí)，更換效率略低于國(guó)外換繩車(chē)方案。

3 方案的應(yīng)用情況及對(duì)比分析

目前，這幾種典型的換繩方案在礦山上均有應(yīng)用。筆者根據(jù)調(diào)研和相關(guān)資料，統(tǒng)計(jì)了這 3 種換繩方案的鋼絲繩更換時(shí)間，如表1 所列。對(duì)這些方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比對(duì)分析，如表2 所列。

表1 換繩方案及應(yīng)用情況

表2 換繩方案對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)礦山開(kāi)采深度的不斷加深，多繩摩擦式提升機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量較輕、提升能力大、效率高等特點(diǎn)，在我國(guó)礦山上的應(yīng)用也越來(lái)越多。筆者對(duì)目前較典型的 3 種換繩方案進(jìn)行了分析。采用傳統(tǒng)的舊繩帶新繩更換方法時(shí)，系統(tǒng)存在滑繩及安全系數(shù)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)需要頻繁在井口上方操作，安裝和拆卸夾板風(fēng)險(xiǎn)大、效率低。而采用專(zhuān)用機(jī)械式鋼絲繩更換方法，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小，在井口操作時(shí)間短，安全性高，并且可以有效地縮短鋼絲繩更換時(shí)間。