矿井提升机钢丝绳更换工艺研究与工程应用
时间：2023-05-28 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
矿井提升机钢丝绳更换工艺研究与工程应用
大型落地式多绳摩擦轮式矿井提升机(以下简称“矿井提升机”)是连接地面和井下的“咽喉设备”，其提升装备的安全、可靠、高效运行直接关系到煤矿的安全生产。矿井提升机的维修、保养和日常检修等工作对确保煤矿安全可靠运行具有重要意义[1-2]。矿井提升机更换钢丝绳存在施工工艺复杂、施工工期长、危险系数较高等问题，是矿井提升机所有检修项目中难度较大的项目之一[3-10]，如果存在施工环节或钢丝绳更换工艺工序不当等问题，将会严重影响换绳质量和矿井提升机的运行工况，可能导致矿井提升机钢丝绳出现打滑、断裂甚至造成坠罐等恶性事故。因此，针对矿井提升机更换钢丝绳检修项目，确定一套完整的、安全的、高效的、快捷的施工技术方案，是煤矿工程技术人员一直努力的方向和目标[11-12]。
1 工程背景
东周窑煤矿是设计产量为10 Mt/a的特大型现代化矿井，该矿井采用主、副井混合提升方式，其中副立井井筒装备一部型号为JKMD 3.25×4(I)矿井提升机，主要担负全矿井员工和16 000 kg以下物料的提升任务。JKMD 3.25×4(I)型矿井提升机为落地式提升方式，设计井架高度39 m、井筒直径Φ8 m、井筒提升高度482.8 m、摩擦轮直径Φ3.25 m、天轮直径Φ3.25 m、最大提升速度8.08 m/s、最大加减速度0.5 m/s，有效乘坐人数55人；该矿井提升机配套Z560-4A型、功率1 000 kW 的单台电动机和单重16 000 kg的主、副提升罐笼，该矿井提升机配套选用了4根型号为36 ZBB 6V×37S+FC 1570 ZZ(SS)754 530提升钢丝绳悬挂，钢丝绳直径Φ36 mm，间距为300 mm 的双绳槽，最大静张力450 kN，最大静张力差140 kN。
2 钢丝绳更换施工工艺研究
2.1 传统换绳法
传统换绳法即采用人工更换钢丝绳的方法。传统换绳法主要过程是在绳头处利用多副绳卡卡紧固牢新绳与旧绳，利用板夹夹持新绳与旧绳，新绳每移动20～50 m固定一副板夹，直到新绳到达井底后连接新绳与井口罐笼。再反向开车，此时新绳受力拆除连接板夹。当井底罐笼到达井口后，拆除旧绳头，新绳与罐笼连接好。传统换绳法工艺流程为：卡旧绳下放→回收旧绳→拆旧绳换新绳→下放新绳→2根新绳与罐笼锁绳→更换另外2根钢丝绳→调整罐笼位置→试车。
传统换绳法施工工艺使用大型机具较多，对现场施工场地要求较高；施工过程中若钢丝绳张力较差不满足旧绳带新绳时，将严重影响工期；当旧绳与新绳板卡连接时，若有滑动则易损伤新绳。同时施工过程需要多人在井口、井架上长时间操作，存在费工、费时、事故隐患点较多以及换绳完成后调绳量较大等弊端。
2.2 机械换绳法
机械换绳法即采用换绳车更换钢丝绳的方法。换绳车通过上、下两排承载链传动，依靠多组无极超静定夹持元件夹紧钢丝绳，由大扭矩液压传动单元驱动承载链，从而实现换绳过程中对钢丝绳的收放动作。利用优化设计的液压系统，实现提升机主动、换绳车随动的绝对同步收放钢丝绳功能，且改变了一贯采用的圆周摩擦传动原理，利用直线摩擦传动方式使钢丝绳实现直线拉送运动。换绳车可沿提升容器长度方向收放钢丝绳，也可在垂直容器的方向收放钢丝绳，满足了换绳井口场地狭窄、情况复杂的特殊要求。
采用换绳车更换钢丝绳施工全程由机械化作业，人工进行辅助。换绳车可实现恒张力，对提升系统张力差无要求；换绳车通过摩擦衬垫输送钢丝绳，钢丝绳不受人工换绳夹具损伤的限制，无更换初伤，极大地延长了钢丝绳使用寿命；此外，换绳车新钢丝绳用绳量减少，只需15 m余绳，大大节省了施工开支。换绳车择绳调换智能保护功能极大地减少了换绳过程中布设卡绳器梁及卡绳器等工作，大大提高了换绳效率，且可根据井筒钢丝绳实际参数调整新绳预紧力，使新更换钢丝绳达到原有旧绳张力，减少了调绳次数，强化了钢丝绳力学性能。换绳车择绳调换智能保护装置由滑绳溜车智能保护装置、双码择绳调换装置、自动卡绳装置3部分组成，其性能特点如下所述。
(1)滑绳溜车智能保护装置。本装置的下限力机械手组装置打开状态为待机状态，一旦有滑绳溜车的情况发生，其智能判断系统给出声光报警，经绞车司机确认后，下限力机械手组以限定动力对系统进行可靠制动。
(2)双码择绳调换装置。本装置可实现对双码(保护、复位密码)任意一侧单根或多根钢丝绳进行选择性举升，实现更换容器、天轮、衬垫、钢丝绳、悬挂等功能。
(3)自动卡绳装置。本装置的下机械手组装置可实现对两侧钢丝绳的自动卡绳固定功能。
2.3 2种换绳法比较
(1)安全效益。传统换绳法施工步骤较为繁琐，施工现场操作人员和平行作业等工艺节点和环节较多，施工过程安全隐患点较多；机械换绳法采用快速更换钢丝绳工艺，减少了许多人工操作的环节，现场施工人员较少，施工过程安全隐患点较少，现场工作人员仅为传统工艺施工法的1/3。
(2)技术效益。传统换绳法更换钢丝绳现场施工使用的大型机械和机具较多，收旧绳、放新绳等关键技术环节较为笨拙，人工操作较多，工艺过程较为复杂；而机械换绳法机械化程度较高，现场施工操作器械较少，技术性较强。
(3)经济效益。传统换绳法更换钢丝绳矿井停产时间较长，经济效益一般。采用机械换绳法更换钢丝绳工艺大大缩短了矿井停产时间，矿井可多生产原煤，经济效益可观。
(4)社会效益。传统换绳法施工工期较长，社会效益一般；机械换绳法较传统换绳法换绳工艺工期缩短约86%，施工工期较短，社会效益较好。
3 机械换绳法施工工艺流程
矿井提升机钢丝绳更换施工前，施工与技术负责人等专业技术人员反复推敲施工方案，细化工艺流程，并进行关键技术环节研究论证；按照施工工艺节点，技术负责人认真编写施工组织安全技术措施，并贯彻到每一位施工工作人员。施工前严格检验和校核施工所需的设备、材料等施工必备器材，确保施工阶段性能完好。矿井提升机4根钢丝绳依次编号为1号、2号、3号、4号，按照先更换2号和3号、后更换1号和4号的顺序进行作业。
(1)准备工作。停车搭设施工平台，井口钢梁上方焊接12号槽钢，槽钢上方搭接500 mm×5 000 mm×50 mm双层木板，并用1号矿用铅丝捆牢扎紧。同时换绳车就位，固定导向轮，安装收放绳绞车等。
(2)停罐、卡绳、断绳。启动矿井提升机，分别关闭主、副罐2号和3号钢丝绳张力平衡装置截止阀。继续开车下放主罐至低于井口20 m位置，即低于换绳车侧天轮平台的高度时停车。将引绳穿过换绳车使其对应旧钢丝绳，用6副Φ50 mm绳卡将引绳与旧钢丝绳紧固连接，保证绳卡不滑绳；以0.2 m/s速度开车，将主罐提至井口便于连接绳头位置处停车；换绳车以1.2倍换绳设定张力收紧引绳，各连接部位必须牢固可靠；卡绳装置卡住副罐侧2号和3号钢丝绳；主罐侧2号和3号钢丝绳张力平衡装置泄压、松绳，并安装悬挂固定装置；最后2号和3号钢丝绳断绳。
(3)收旧绳。换绳车调整系统压力，持续收紧引绳。矿井提升机以检修速度开车上提副罐，要求速度不大于0.5 m/s，且从0.1 m/s缓慢加速至0.4 m/s；当引绳与旧钢丝绳连接点到达导向轮前端时停车，卡绳装置卡住副罐侧2号和3号钢丝绳，换绳车放松引绳；拆除引绳与旧钢丝绳的连接绳卡，换绳车退出引绳并将旧绳穿入，拆除旧绳的留绳；换绳车收紧旧绳，继续开车上提副罐，换绳车持续收旧绳直至副罐到达井口合适位置，最后拆除卡绳装置。
(4)断绳、翻绳。换绳车放松旧绳并反向留住，断开并退出换绳车前端2号和3号旧绳，穿入新绳使其与2号和3号旧绳连接，连接时新旧绳捻向必须保持一致。换绳车后部旧绳头与副罐2号和3号旧绳连接；断开副罐上方2号和3号旧绳，并安装新悬挂固定装置。用钢丝绳套将副罐侧1号和2号天轮之间固定，3号和4号天轮之间固定，开动提升机下放副罐，换绳车放新绳随动，收放绳绞车同时收副罐旧绳；新绳头到达井口副罐侧时停车，留足够长度与悬挂连接。把2号和3号新绳固定在井口套架梁上，车房内2根新绳脱离滚筒，井架上取掉天轮之间的固定钢丝绳套；开车上提副罐，直至副罐悬挂到达井口平台处停车，以便于连接绳头或更换悬挂。
(5)新绳与副罐连接。2号和3号新绳分别与副罐对应悬挂连接，车房内新绳进入绳槽，连接好后换绳车收紧新绳。
(6)下放新绳。换绳车调定放绳阻力，启动换绳车进入放新绳状态。以速度不大于0.5 m/s的检修速度开动矿井提升机，从0.1 m/s缓慢加速至0.4 m/s下放副罐。当主罐楔形绳环运行到接近井口平台时停车，2号和3号钢丝绳下放完成。
(7)新绳与主罐连接。换绳车拉紧2根新绳，用2 t手动起重机械将2号和3号新绳反向留住固定好。固定楔形装置，确保悬挂不倾斜；用手动起重机械把2号和3号张力平衡装置拉至最长位置，即平衡油缸完全收回，拆除2号和3号楔形绳环；截断2根新绳，在换绳车内预留50 m连接长度，然后与2号和3号楔形绳环连接，2号和3号张力平衡装置油缸打压，直至新绳完全张紧。4根钢丝绳受力后，反向开车恢复提升系统，2号和3号钢丝绳更换完成。
(8)更换1号和4号钢丝绳。重复上述步骤更换完成1号和4号这2根钢丝绳。
(9)收尾工作。更换钢丝绳结束后，确定钢丝绳首次调绳量，从而达到正常罐位的要求；拆除施工平台、卡绳器等设施，清理施工现场。
(10)联调联试。首先进行钢丝绳安全系数校验，钢丝绳每根绳长度640 m，净重3.008 t，钢丝绳自重5.39 kg/m，钢丝绳下放长度约510 m，井筒及井架段约2.749 t，钢丝绳单根破断力839 kN 换算为85 600 kg。计算提升系统单侧承受重量为罐笼(16 t)和钢丝绳(4根)重量为26.996 t，计算得到每2根提升绳承受重量为13.498 t，得出安全系数n=85.6×2/13.498=12.68>6(煤矿安全规程规定安全系数数值)，故2根矿井提升钢丝绳能够满足系统提升要求。
试车时矿井提升机以0.5 m/s速度进行试运转，正常运转后分别再以2、4、5 m/s这3种速度进行试运转，均正常无误后矿井提升机更换钢丝绳检修项目完成，系统恢复正常提升。
4 工程应用
东周窑煤矿副立井JKMD3.25×4型矿井提升机于2011年11月19日正式投入运行，2015年10月8日，东周窑煤矿对矿井提升机钢丝绳进行了更换，更换工艺采用传统换绳法进行施工，矿井停产超过50 h。2021年8月31日，东周窑煤矿停产24 h，采用机械换绳法进行施工，对矿井提升机钢丝绳再次进行了更换，施工工艺改进后取得良好效果。
(1)采用换绳车快速更换钢丝绳工艺，极大地缩短了施工工时，减少了对井下正常生产作业的影响，避免了检修期间井下作业人员从副斜井出入井的弊端，减少了井下员工额外的劳动强度，消除了矿井安全隐患，安全生产效益明显提升。
(2)换绳车快速更换钢丝绳施工工期7.5 h，矿井停产不到8 h，与传统换绳法相比多生产原煤4.5万t，原煤按照均价800元/t计算，多生产原煤的创收达3 600万元，取得良好的经济效益。
(3)JKMD3.25×4型矿井提升机更换钢丝绳工艺优化改进后，换绳车的应用避免了施工过程发生的滑绳现象，且在换绳作业过程中，施工人员只需在井口负责绳头的连接和固定、关键点位的看护以及观察设备运转状态；同时换绳车满足了换绳过程的速度和力量要求，机械化、自动化、智能化及施工安全系数和工作效率均较高，为矿井提升机快速更换钢丝绳提供了新的思路和案例，技术效益和社会效益显著。
5 结语
东周窑煤矿副立井JKMD3.25×4型矿井提升机更换钢丝绳采用的机械换绳法更换工艺，能够快速更换钢丝绳且一次性成功，现场施工更换钢丝绳效率、安全性能和可靠性能大幅提升，为煤矿千万吨矿井提升系统铜丝绳的更换工艺提供了借鉴。
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