超深井凿井用钢丝绳的选择与正确使用

胡钦刚

(宁夏新日恒力钢丝绳股份有限公司， 宁夏 石嘴山市 753202)

国内某计划建设的铁矿，采用竖井提升，提升高度1500 m，为国内第一深井，由于该井筒较深，对设计和施工都是一个新的课题，特别是对设计单位来说，无论是施工方案，还是设备的选择，都没有可借鉴的经验，故设计单位在设计过程中和施工单位和设备生产企业进行了充分的交流，以确保该项目能够顺利完工，本文主要对主提升钢丝绳的选择与正确使用进行了阐述。

1 传统设计方案

根据设计单位的经验和《重要用途钢丝绳》(GB 8919-2006)，对开凿立井提升(建井用)推荐选择18×7+FC类钢丝绳，即钢丝绳结构为12+6+FC，股绳结构为1×7，钢丝绳截面见图1。

图1 18×7+FC钢丝绳断面

该矿井的具体参数为：提升机型号2JK-4.5×2.4/20；最大静张力280 kN；最大静张力差180 kN；提升高度1530 m,提升天轮到井口高度30 m；最大绳端荷载13.362 t(伞钻：12.8 t，连接和附属装置：0.562 t)。

设计要求钢丝绳的安全系数选择6.5倍，为确保安全生产，钢丝绳必须符合以下规定：

F总和/m≥(M×L+Q荷载) ×g

(1)

式中：F总和—最小钢丝破断拉力总和;

m—安全系数;

M—钢丝绳长度参考重量,kg/100 m;

L—钢丝绳的悬挂长度，100 m。

Q荷载=q伞钻+q附属；

(2)

式中：g—重加速度,m/s2。

F总和=F0×Kh

(3)

F0=K′×D2×R0

(4)

式中：Kh—最小钢丝破断拉力总和与钢丝绳最小破断拉力的换算系数，查GB 8919-2006中Kh为1.283；

F0—钢丝绳最小破断拉力，N；

D—钢丝绳的公称直径，mm；

K′—指定某一结构钢丝绳的最小破断拉力系数，查GB 8919-2006中K′为0.310；

R0—钢丝绳公称抗拉强度，MPa，本事例R0选择1960 MPa。

M=KD2

(5)

式中，K—钢丝绳的长度重量系数，kg/100 m·mm2;

D—钢丝绳的公称直径,mm,查GB 8919-2006中K为0.39。

对不等式(1)进行转换，得钢丝绳的公称直径应大于：

(6)

经计算，钢丝绳的公称直径D应大于47.67 mm，根据GB 8919-2006中关于钢丝绳直径的标准序列，选择公称直径为48 mm的钢丝绳，但是根据以往的使用经验，钢丝绳直径44 mm较大，超过该直径后，提升机的卷筒直径与钢丝绳直径的比值就会降低，这样势必会降低钢丝绳的使用寿命。再有18×7+FC类钢丝绳属于微旋转钢丝绳，钢丝绳的抗旋转性不是很好，特别是在超深井的提升时。

2 改进方案

在ASTMA 1023/A 1023M-07[2]中，根据钢丝绳抗旋转性能高低将钢丝绳细分为3类:抗旋转性能最好的钢丝绳，该类钢丝绳由3层股构成，最外层至少有15根股，通过2次合绳将组绳不同位置股捻制在中心结构外，钢丝绳旋转性很小(有的资料称为抗旋转或低旋转钢丝绳)；抗旋转性能较好钢丝绳，该类钢丝绳由2层以上股构成，最外层至少有10根股，通过2次或3次合绳将组绳不同位置股捻制在中心结构外，钢丝绳具有明显的抗旋转性(这类钢丝绳绳股层数与成绳次数一致，但旋向相反)；抗旋转性能最差的钢丝绳，绳由2层股组成，最外层不超过9根股，通过2次合绳将组绳位置股捻制在中心结构外，钢丝绳两层旋向可以相同，钢丝绳具有有限的抗旋转性。

可以看出18×7+FC类钢丝绳属于抗旋转性能较好的钢丝绳，但不是抗旋转最好的钢丝绳，为了保证安全生产，决定选择抗旋转性最好的钢丝绳。根据该矿井的实际特点，推荐使用《压实股钢丝绳》YB/T5395-2010中35W×K7类钢丝绳，钢丝绳截面见图2，即钢丝绳结构为16∶6/6+6+1，股绳结构1×K7。

图2 35W×K7钢丝绳断面

该钢丝绳分两次捻制，先生产绳芯，结构为6/6+6+1，第二次再在外层包覆16根外层股，并且两次的捻制的方向相反，这样可平衡内外层钢丝绳的扭距，并且对钢丝绳的股绳采用压实处理。

该钢丝绳的特点是：比同规格同强度的18×7+FC 钢丝绳的破断拉力提高32%;良好的抗旋转性;柔软性更强;耐磨性更好;抗变形能力强，更适合多层卷绳。

根据不等式(6)计算钢丝绳公称直径，其中：查YB/T5395-2010Kh为1.287；查YB/T5395-2010K′为0.410；本事例R0选择1960 MPa；查YB/T5395-2010K为0.510。计算钢丝绳的直径D应大于39.89 mm，根据YB/T5395-2010中关于钢丝绳直径的标准序列，选择公称直径为40 mm的钢丝绳。

根据计算，35 W×K7-40 mm的钢丝绳比18×7+FC-48 mm钢丝绳面积减少30.5%，并且35 W×K7钢丝绳在超深提升中的抗旋转性大大优于18×7+FC钢丝绳，经过与设计单位和施工单位的充分沟通，选用35 W×K7-40 mm的钢丝绳做为主提升钢丝绳。

3 钢丝绳的正确使用

3.1 缠绕方向

安装新钢丝绳之前，应当检查与钢丝绳相关的部件，如卷筒、天轮、导向轮的条件和尺寸，以确认相关部件的条件和尺寸是否符合原设备制造商或有关规程、标准的规定[3]。

钢丝绳在滚筒上的缠绕方向：左右捻向的钢丝绳在滚筒上缠绕的方向，必须根据使钢丝绳捻紧而不是捻松的方向缠绕。右捻(Z捻)的钢丝绳，如滚筒自上向下旋转，则钢丝绳应自左向右排列(如图3(a)所示)，如滚筒自下向上旋转，则钢丝绳应自右向左排列(如图3(b)所示)；相反如果是左捻(S捻)的钢丝绳，则其滚筒上的钢丝绳的排列方向应按图4(a)或图4(b)进行排列。

图3 右捻钢丝绳在滚筒上的排列方向

3.2 绳轮和卷筒的绳槽

绳槽的半径应当比钢丝绳公称半径大7.5%左右，而且绝不能小于钢丝绳半径的105%。如果绳槽过小，钢丝绳使用早期就可能出现问题；绳槽与钢丝绳必须有间隙，且对钢丝绳具有足够的环形支撑，以保证股的正常运行并允许弯曲。当绳槽磨损后，钢丝绳被卡紧，股和丝的运动受阻，钢丝绳弯曲能力降低。当新绳换上时，与旧绳直径有很明显的稍小差异，新绳可能无法适合旧绳的磨痕，因而产生不必要的磨损，如果认为新绳换上后磨损过大时，可以采用机加工的方法来校正。

图4 左捻钢丝绳在滚筒上的排列方向

3.3 倾斜角

倾斜角是由绳轮中心引出的卷筒轴线的垂直线与由绳轮中心引出到卷筒内沿边缘线之间的夹角，见图5。天轮到滚筒的钢丝绳的最大内、外偏角不得超过1°30′。单层缠绕时，内偏角应保证不咬绳[4]以保证钢丝绳在平面卷筒上与相邻一圈以及在有绳槽卷筒与绳槽两侧的磨损为最小，在摩擦式提升中应尽量避免出现倾斜角。

图5 钢丝绳倾斜角

4 钢丝绳的检测

4.1 新钢丝绳的检测

钢丝绳在使用前，检查钢丝绳有无“安全标志”，并识别“安全标志”的真伪[5]，同时检查是否有合格的出厂质量保证书。

验收检验的依据是根据MT716—2005《煤矿重要用途钢丝绳验收技术条件》和GB 8918—2006《重要用途钢丝绳》和订货合同。

对钢丝绳进行捻制质量、表面质量(用手感和目测方法)进行检查。还要进行直径、不圆度、长度等的测量。直径的测量应使用宽口游标卡尺，其钳口的最小宽度应足以跨越两个相邻的股。

4.2 在用钢丝绳的检测

(1) 锈蚀。锈蚀对钢丝绳的强度和耐冲击性能影响很大。从某种意义(如韧性和强度的变化率)上讲，它要比断丝和磨损更加严重。因此，检查时如发现锈蚀严重，点蚀麻坑已形成沟纹，不论断丝或绳径是否变化，必须立即更换。如检查时发现钢丝绳出“红油”，说明绳芯无油，内部生锈，应引起注意，必要时可切开绳头检查钢丝绳内部锈蚀情况。

(2) 磨损。通常以钢丝绳标称直径为准计算直径减小量作为更换的标准，钢丝绳直径的测量必须选用钳口宽度跨越两个相邻股宽的游标卡尺测量，根据不同行业标准，达到磨损规定值时必须进行更换。

(3) 断丝。按《煤矿安全规程》规定，各种股捻钢丝绳在一个捻距内断丝面积与钢丝总面积之比，达到规定数值时，必须更换。

5 钢丝绳的维护

钢丝绳再涂油。应当在钢丝绳出现锈蚀或干的迹象之前，有规律的定期涂油，涂油的主要目的是保护外层钢丝不受锈蚀，减少股间钢丝和丝间钢丝磨损，阻止湿气和水份等浸入绳内。

钢丝绳出现断丝后，必须用克丝钳沿钢丝根部将钢丝摇断，避免断丝将其它钢丝铬伤。

6 结 语

通过设计单位、施工单位和钢丝绳生产单位的共同努力，该矿井已如期开工，为我国超深井凿井用钢丝绳的选择，开辟了一条新的思路，同时，本文对钢丝绳正确使用、检查、维护的阐述，必将对矿山的安全生产起到积极的作用。

参考文献：

[1]GB 8919-2006.重要用途钢丝绳[S].中国标准出版社.

[2]ASTM ASTM. A 1023/A 1023M-07 Standard Specification for Standed Carbon Steel Wire Ropes for General Puroses [S],USA:ASTM,2007.

[3]张 钫.EN12385-3：2004 钢丝绳—安全第三部分：使用和维护信息[S]//戴宝昌.国外钢丝绳标准译文集.郑州：中钢集团郑州金属制品研究院，2007：475￣486.

[4]安全生产、劳动保护政策法规系列专辑编委会.煤矿安全规程[J].北京：中国劳动社会保障出版社.

[5]汤思忠.钢丝绳用油脂的选择与使用[M].金属制品,2008(1).