金属矿山提升过卷保护装置的应用与探讨

尧金才，马海玉，任旭东

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

金属矿山提升过卷保护装置的应用与探讨

尧金才，马海玉，任旭东

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

针对国内金属矿山规范中对竖井过卷保护装置的具体规定，结合国外工程项目实例，分析了竖井提升常用过卷保护装置楔形罐道、机械式过卷保护装置的结构原理及计算方法，并对几种过卷保护保护装置的特点进行了分析对比，对我国现行金属矿山规程、规范关于过卷保护的规定提出了探讨性建议。

金属矿山；过卷保护；竖井提升；钢带式；楔形罐道

提升系统过卷保护装置为矿井提升的安全设施，安装于井架或井塔内，当提升系统发生过卷时用于缓冲、制动提升容器，以防止容器对井架或井塔产生冲顶破坏。目前竖井提升常用过卷保护装置有楔形罐道和机械式过卷保护装置。金属矿山规范中对竖井过卷保护装置的规定如下：1)提升井架（塔）内应设置过卷挡梁和楔形罐道，楔形罐道楔形的斜度为1%[1]（《金属非金属矿山安全规程》6.3.3.22条）；2）提升井架或井塔内应设置楔形罐道，楔形罐道端部应设过卷挡梁[2]（《有色金属采矿设计规范》13.5.7条）。受制于前述规程的规定，国内金属矿山提升系统内过卷保护装置都采用了楔形罐道。然而，国外矿井提升通常采用机械式过卷保护装置，国内的煤炭矿井提升系统也正在逐步推广钢带式过卷保护装置。对于《金属非金属矿山安全规程》要求过卷保护装置采用楔形罐道形式是否合适，本文结合几种过卷保护装置的应用实例进行了分析比较。

1 过卷保护装置计算原理与应用

1.1 楔形罐道

楔形罐道一般采用红松木制作，包括导向段、楔形段和大头平直段（见图1），其布置的原则为：导向段长度为2～4 m，楔形段及大头平直段长度不小于过卷高度的2/3，楔形段的斜度为1%。

图1 楔形罐道

楔形罐道对过卷容器产生缓冲制动作用的原理，是假定提升容器过卷时，在与楔形罐道自始而终相互接触挤压的长度内，产生冲击、摩擦、挤压变形等作用吸收了提升系统的动能。根据能量守恒定律，过卷时计算楔形罐道长度的经验公式为：

式中：L为楔形段所需长度，m；i为楔形段斜度，1%；Q为过卷时容器自重及载重，kg；Σm为系统总变位质量，kg；Qx为过放时容器的自重及载重，kg；P为尾绳重量，kg；V为过卷时速度，m/s；h为楔形罐道与罐耳接触面宽度，mm；n为楔形罐道总根数，一般为2根或4根；EA为红松木单位体积吸收的能量，取5× 107J/m3=50 N/mm2。

1.2 机械式过卷保护装置

笔者在土耳其K铜矿工程设计中采用了机械式过卷保护装置,提升系统为落地多绳摩擦提升机,复合箕斗+箕斗的提升方式。此机械式过卷保护装置为德国西马格生产的SELDA（Strain Energy Linear Ductile Arrester）装置（见图2）。

图2 SELDA过卷保护装置结构

由图2可知，SELDA装置主要由缓冲挡梁、缓冲滚轮箱、缓冲钢带组成，其中缓冲挡梁与缓冲滚轮箱为一体。其工作原理为：提升容器发生过卷往上冲时撞上缓冲挡梁，带着缓冲挡梁及缓冲滚轮箱沿着钢带往上冲。缓冲滚轮箱内有5根滚轮轴将钢带挤压成S形产生塑性变形，当提升容器顶着缓冲挡梁往上冲时，将钢带从下至上沿程产生塑性变形而缓冲吸能，其实质是将提升容器过卷时动能转化为钢带受滚轮组挤压的变形能。在过卷的过程中，提升容器在刚性罐道的约束下不会摆动，保持沿钢带往上冲。过卷保护装置制动阻力的大小与钢带的截面积和材料特性有关，在整个制动过程中制动阻力可视为恒定值。

本例过卷缓冲制动力计算时，按过卷的同时已发生过放，且尾绳对保护装置的冲击力不计，故此处SELDA的过卷保护装置制动力计算如下：

式中：Fz为缓冲保护装置所需制动力，N；a为制动减速度，m/s2。过卷时，罐笼不大于1 g，箕斗不大于3 g。

SELDA过卷保护装置在国外矿山应用普遍。国内煤炭矿山近十年逐渐开始应用机械式过卷保护装置，主要型式有BS摩擦式过卷保护装置、液压式过卷保护装置及钢带式过卷保护装置：1)BS摩擦式过卷保护装置利用钢丝绳牵引缓冲器的卷筒转动，通过摩擦来吸收提升容器的动能[3]，由于存在钢丝绳及卷筒锈蚀后容易造成制动失效的缺点，现在逐渐被钢带式过卷保护装置所取代。2)液压式过卷保护装置通过液压阻尼来提供制动阻力，维护较麻烦，目前使用较少。3)国内开发的钢带式过卷保护装置主要原理类似于SELDA。其特点之一是保护装置介入之初，能够实现制动载荷从零到额定值的连续加载，其次是具备了容器托持功能；钢带式过卷保护装置还具有制动保护效果可试验测定、性能稳定、维护方便、触发后恢复快捷等优点，使其得到越来越广泛的应用。

2 过卷保护装置的特点分析

2.1 楔形罐道

楔形罐道对卷提升容器产生的制动力是依靠提升容器上的槽型罐耳与楔形木产生摩擦、挤压导致楔形木压缩变形而产生的制动力，其存在如下特点：1）楔形罐道材质常用红松木等木材，其材质性状不确定性较大，力学性能难以测定，且受过温度、湿度等环境因素影响较大，故缓冲制动力计算的准确性难以得到保证。2）楔形罐道在过卷制动过程中变形量逐渐增加，制动力也同时不断增加，但不是线性增加，也不是均匀增加，制动减速度难以符合假定的模型。3）提升容器的罐耳为钢制材料，在过卷挤压楔形木时，钢制材料上的棱角很容易将楔形木刨削，若一旦发生刨削、劈裂，楔形罐道的缓冲制动会直接失效，实际工程上已有发生。4）经验公式选取楔形罐道的单位变形能仅为5×107J/m3，能够吸收的能量有限，对特大型矿山提升系统而言，在合理的过卷高度内将无法满足提升系统制动要求。5)楔形罐道优点是制作简单、成本低廉。

2.2 机械式过卷保护装置

机械式过卷保护装置是利用钢带塑性变形，使金属晶格组织的变形来吸收外部的动能，从而提供制动力。其常用材质为Q345，特点如下：1）钢带材质性能稳定，受外界环境影响很小，通过材料性能试验可准确控制其供货质量。制动阻力可以计算并通过试验验证，可靠性较高。2）能提供恒定的制动阻力，可以提供恒定受控的制动减速度，满足不同容器过卷时的减速度要求，尤其是过卷时罐笼不大于1 g的要求，以避免过卷时罐笼内人员撞上罐笼顶。3）机械式过卷保护装置需专业厂商生产制作并满足安全监督部门的检验要求。

2.3 特点比较

楔形罐道与钢带式过卷保护装置的特点的比较见表1。

根据以上特点比较可以看出，楔形罐道具有缓冲制动力难以计算及控制的缺点，难以保证规定的制动减速度，不易达到预期缓冲保护效果；而对于钢带式过卷保护装置，其制动力是由滚轮组挤压金属钢带而产生，阻力可以计算及测试，且受环境影响很小，安全可靠性较高，触发后恢复较快，优于其它过卷保护装置。

表1 楔形罐道与钢带式过卷保护装置的特点比较

3 结语

钢带式过卷装置在国外矿山及煤矿已经取得了很好的实际应用效果，在制动效果及安全可靠性以及维护恢复上都优于楔形罐道，是楔形罐道良好的替代产品。在煤炭安全规程中关于过卷保护装置规定保护早已调整为“在过卷高度或过放距离内，应安设性能可靠的缓冲装置”。金属矿山的规程、规范关于过卷保护装置相关条文目前仍具体规定为楔形罐道，对设计使用产生了制约作用，展望今后我国金属矿山规程、规范的修编工作，应能作出相应调整，促进金属矿井提升设计选用先进合理的过卷保护装置。

[1]GB 16423-2006，金属非金属矿山安全规程[S].

[2]GB 50771-2012，有色金属采矿设计规范[S].

[3]李玉瑾.多绳摩擦提升系统动力学研究与工程设计[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

Application and Discussion on Hoisting Overwinding Protection Device of Metal Mine

YAO Jincai,MA Haiyu,REN Xudang
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

According to specific provisions of shaft overwinding protection device in national metal mine code and example of overseas engineering project,the paper analyzes structure principles and calculation method of overwinding protection device wedge cage and mechanical overwinding protection device used for shaft hoisting,and compares characteristics of several overwinding protection devices,and puts forward suggestions on overwinding protection provisions in the current national metal mine codes and regulations.

metal mine;overwinding protection;shaft hoisting;steel belt type;wedge cageway

TP535

B

1004-4345(2015)06-0007-03

2015-08-28

尧金才（1983—），男，工程师，从事矿山机械设计与研究工作。