煤矿井下绞车保护系统的改进与应用

任宏伟

（阳煤集团三矿， 山西 阳泉 045000）

引言

绞车作为煤矿提升的动力，属于煤矿提升系统的关键部件。绞车松绳保护一直贯穿于提升过程中，并基于接近开关或者形成开关对松绳保护的安全回路进行控制。在绞车控制提升容器下行时，只有当悬垂钢丝绳自身重力小于钢丝绳弦长受重力作用在垂直方向上的分力时，绞车的松绳保护系统才能发挥其作用[1]。而在提升过程中，经常出现提升容器下行受阻导致提升系统的钢丝绳变得松弛。此时松绳保护系统无法发挥其应用的保护功能，常出现松绳过多进而导致断绳、卡箕斗的事故发生，故需对绞车的松绳保护系统进行改进。

1 松绳保护系统概述

目前，在实际生产过程中可通过采集不同的信号实现对绞车松绳保护系统松绳信号的控制。绞车提升系统的松绳保护系统一般情况下均可正常工作，除非特殊情况导致其无法正常工作，进而出现了卡箕斗等事故的发生[2]。经调研可知，导致松绳系统无法正常工作的原因主要包括有：

1）现场对松绳保护系统的检测方法不足，导致作业人员凭经验完成松绳保护操作，仅有很少一部分作业人员在松绳保护操作过程中对钢丝绳松绳量进行实时监测。

2）矿井提升系统本身设计存在一定的缺陷，导致提升系统在卸载过程中出现钢丝绳松弛到井筒中，而提升系统侧面钢丝绳并未出现松弛的现象。导致系统无法判断松绳保护系统是否需动作。

3）由于松绳保护系统延长工作面3 s后其安全回路才会断开，在此阶段会造成钢丝绳的跳动进而对松绳保护系统造成冲击，最终影响松绳保护系统发挥其应用效果[3]。

2 提升过程弦长段受力分析

为能够精确掌握绞车提升系统在实际提升过程中钢丝绳弦长段的受力情况，特针对提升系统在松绳状态下弦长的受力情况（见图1）进行分析。

图1 钢丝绳弦长受力情况

在本次受力分析中忽略提升系统天轮钢丝绳的长度以及天轮转动时钢丝绳所受的阻力大小。钢丝绳弦长出现下垂情况时，需满足式（1）的条件：

式中：G2为钢丝绳在垂直方向的质量；G1为钢丝绳在弦长段的质量；β为弦长段钢丝绳与水平面的夹角。由于垂直段和弦长段钢丝绳的密度是均匀的，则式（1）可转化为式（2）：

式中：H为钢丝绳在垂直段的长度，Lx为钢丝绳在弦长段的长度。

根据式（2）可知，当天轮与提升容器之间钢丝绳的长度H＞Lx/sinβ时，处于弦长段的钢丝绳不会出现松弛的现象。若此时，天轮与提升容器之间的钢丝绳出现松绳事故时，松绳保护系统无法动作[4]。而且，随着提升容器的不断下行，松绳保护系统的失效范围越来越大。根据煤炭安全规程的相关规定，提升系统弦长段钢丝绳最长为60 m，且弦长段钢丝绳方向与水平方向的夹角应在30°～50°的范围之内。即：Lx≤60 m、30°≤β≤50°。

由图1可知，h=H-Lxsinβ≤Lx（1-sin2β）/sinβ。

将数值代入上式得：32 m＜h＜90 m。即，当提升容器在距离地面32～90 m的范围之内时，松绳保护系统是有效的。

3 松绳保护系统的改进

针对当提升容器下行至一定位置后，绞车提升系统的松绳保护系统无法发挥其应有作用的问题，从以下两个方面对当前的松绳保护系统进行改进[5]。

3.1 优化松绳检测装置

对目前的松绳检测装置进行优化，同时避免由于钢丝绳振动而对松绳检测装置造成的冲击。

为了能够及时发现钢丝绳的异常振动现象，通过采用松绳保护系统对提升系统中箕斗在坡上的不同运行状态下钢丝绳的振动幅度来判断钢丝绳是否出现振动异常。一般地，当箕斗处于加速阶段或在爬行阶段时，钢丝绳的振幅不大于300 mm左右为正常，否则视为钢丝绳异常振动；当箕斗完成加速后处于稳定运行状态时，钢丝绳的振幅不大于70 mm左右为正常，否则视钢丝绳为异常振动。

根据钢丝绳的振动幅度和托辊在输送带中的功能，特将输送带中的普通托辊更换为刚性托辊。刚性托辊的应用可承担很强的载荷，并承受钢丝绳在不同运动阶段的振动。此外，要求松绳检测装置能够同时监测托辊转动及松绳保护的信息。

3.2 优化处理采集松绳保护信息

在提升过程中，将松绳检测装置所采集到的松绳信息分为如下三种，并采用针对性方案进行处理。

1）箕斗在卸载过程中会产生一个与重力方向相反的冲击力，在该冲击力的影响下钢丝绳会出现大幅度的上下晃动。当松绳检测装置检测到上述情况时，若上述晃动持续超过3 s，系统会自动进行安全制动操作，即提升系统的松绳操作立即停止工作。

2）当系统在加速运行阶段时，由于存在牵引力突变的情况，导致在加速阶段内钢丝绳会出现大幅度的振动。牵引力突变所导致的钢丝绳大幅度振动会不断对松绳保护装置造成冲击。当钢丝绳解除松绳保护检测托辊的时间超过0.5 s时，松绳系统会立即停止工作。

3）在系统处于稳定运行状态时，当出现托辊转动100°或钢丝绳与托辊相接触的情况时，系统会立即断电，并由之前的线性变化状态转换为完全制动状态，从而使正在提升过程中的容器缓慢停机。

基于上述不同运行状态下所采取的不同停机标准，待系统趋于稳定后，将钢丝绳与松绳保护检测装置之间的距离调整到90 mm左右，以确保系统在加速阶段不会出现钢丝绳与松绳保护装置相碰撞的现象。即便是当箕斗的运行状态出现异常，甚至出现掉轨的故障时，钢丝绳能够在第一时间内与松绳托辊相碰撞，进而达到在故障早期就及时停机的目的。

4 结语

对传统保护装置改进后能够通过钢丝绳与托辊相接触以及钢丝绳与托辊相互搓动实现对松绳故障的检测与保护任务。此外，结合箕斗的运行状态，对所采集到的松绳信号进行优化处理。当箕斗处于异常动作状态时，钢丝绳的张力及其运行阻力的变化却是呈不规则形态。因此，在实际生产中可通过提升系统钢丝绳振动幅度来判断箕斗的工作状态，进而做出相应的控制手段，以确保提升系统的稳定运行。