立井临时改箕斗提升设备选型计算

王长久

（中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿，陕西 榆林719000）

0 前言

立井井筒工程是矿井建设中的关键工程[1]。工程转入井下水平巷道开拓施工以后,有两种提升运输方案可供选择。一种是利用立井井筒施工时所用的吊桶提升系统，另一种方案则是拆除立井井筒施工的吊桶提升系统[2-3]；吊桶提升为单钩提升，不能安装防坠系统,提升效率低，安全可靠性差[4-5]；为缩短建井周期，节约成本，进行临时改绞提升系统，完全遵守《煤矿安全规程》的各项规定,提升运输效率、安全可靠性高[6-7]。

大海则矿井设计生产能力15.0Mt/a，采用立井开拓，工业广场内布置有主立井、副立井、1#回风立井、2#回风立井四个井筒。根据建设工期安排，四个立井井筒贯通后，对1#回风立井、2#回风立井进行临时改绞，以便施工二三期工程；1#回风立井装备两个11t箕斗，用于提升巷道掘进的煤及矸石，经皮带输送至1#回风井井底临时煤仓，经定量皮带机装入箕斗提升至地面。2#回风立井装备宽窄罐笼各一个，承担人员、设备、材料提升任务；1#回风立井井口设计标高+1274.0m，井筒净直径8.0m，净断面50.3m2；井筒深度678m。

1 立井提升临时改箕斗方案

临时改绞提升系统为双钩提升，采用V型凿井井架、2JKZ-4×2.65/18矿井提升机（一期施工时已安装），配2个11t箕斗，每个箕斗配一根提升钢丝绳，4根罐道钢丝绳。井筒内布置一趟Φ219×12mm无缝钢管下料管路，一趟Φ180×9mm排水管均采用井壁固定；一趟信号电缆、光缆用于提升系统传输。

图1 立井临时改箕斗提升平面图

2 立井改箕斗提升系统选型及验算

2.1 提升钢丝绳选型验算

1）钢丝绳最大悬垂高度：

H0=Hsh+Hj=686＋28=714m

2）提升物料荷重Q：

Q=9.81m=11000×9.81=107910N

式中：m为箕斗装满重量。

3）提升钢丝绳终端荷重Q0：

Q0=Q＋QZ=107910+7200×9.81＝178542N

式中：QZ为提升容器自重（箕斗重：7200kg）。

4）钢丝绳单位长度重量PS：

式中：H0为钢丝绳最大悬垂高度，δB为钢丝绳极限抗拉强度，1870 MPa，ma为钢丝绳安全系数6.5。

5）选择钢丝绳：选用46NAT18×7+FC1870不旋转钢丝绳。钢丝破断拉力总和Qd=1230000×1.283=1578090N，每米钢丝绳标准重量PSB=8.25kg，PsB＞Ps(符合要求)

6）钢丝绳安全系数的校核：

2.2 罐道刚丝绳选型验算

按《煤矿安全规程》规定，每个提升容器有4根罐道绳时，每根罐道绳的最小刚性系数不得小于500N/m，计算绳罐道下端的最小张力Fxmin。

1）罐道绳最大悬垂高度：

式中：Hsh为井筒深度686m；Hj为井口水平至井架天轮平台垂高,28m。

2）罐道绳最下端张力Fx按百米的张紧力不得小于10kN求绳罐道下端的最小张力Fxmin′=71400N，按最小刚性系数计算，罐道绳下端的最小张力Fxmin''=

式中：Kmin为最小刚性系数，取500；L0为钢丝绳极限悬垂长度。

式中：δB为钢丝绳抗拉强度1770×106；为钢丝绳比重 取8900；ma为安全系数，取6。

Fxmin''与Fxmin'取大值Fxmin''为准

故Fx=Fxmin''=79072N

3）罐道绳单位长度重量Ps（Kg/m）：

式中：H0为钢丝绳井内固定点与天轮相切点之间的垂高，714m；δB为钢丝绳极限抗拉强度1770 MPa；ma为钢丝绳安全系数6。

4）选择罐道绳：36NAT6×7+FC1770；破断拉力总和Qd=762000×1.134=864108N，每米钢丝绳标准重量PSB=4.55㎏/m。

PsB＞Ps（符合要求）

5）钢丝绳安全系数校核（按抗拉强度小的模板绳校核）:

式中：Fxmax为同一容器上绳罐道下端张力Fx的最大值。

为避免绳罐道运行中发生共振，《煤矿安全规程》规定，各罐道绳张紧力之差不得小于平均张紧力的5%，内侧张紧力大，外侧张紧力小，故：

Fxmax=Fx×[1+(n-1)×0.09]=79072×[1+(4-1)×0.09]=100421N

式中：n为同一容器的绳罐道数；Qd为所选钢丝绳所有钢丝破断力总和。

6）罐道绳刚性系数的校核：

式中：a为罐道钢丝绳自重与张紧力的比值

2.3 悬吊电缆钢丝绳选型验算

1）钢丝绳最大悬垂高度：H0=660m

Q电缆＝9.81×{（1.58+0.5×2）}×660=16705（N）

Q卡子＝9.81×660/6×2=2158.2（N）

Q0＝Q电缆+Q卡子=18863.2（N）

式中：Q信号电缆为MKVV32-24×1.5电缆质量，1.58kg；Q光缆为电缆质量，0.5 kg；Q卡子为2kg/个

2）钢丝绳单位长度重量：

式中：δb为钢丝绳钢丝的极限抗拉强度，取1670MPama为钢丝绳安全系数，取5。

3）选择钢丝绳：

选择18NAT18×7+FC1670

PSB=1.26（kg/m）＞0.95（kg/m）

式中：PSB为每米钢丝绳标准重量，kg/m；Qd为所选钢丝绳所有钢丝破断力总和，Qd=168000×1.283=215544N钢丝绳所有钢丝破断力总和=钢丝绳最小破断拉力×1.283（纤维芯）。

4）钢丝绳安全系数验算：

m=Qd/（Q0+9.81PSBH0）=215544/（18863.2+9.81×1.26×660）=7.98＞5

所以选择18NAT18×7+FC1670钢丝绳提动力电缆符合要求。

2.4 提升绞车验算

选用2JKZ-4×2.65/18型绞车，配2×1250kW电机，转速590r/min：

表2 绞车参数

符合煤矿安全规程的要求。

1）卷筒直径：

D≥60ds=60×46=2760mm

DT＞D满足要求

式中：ds为钢丝绳直径DT为提升机卷筒直径

2）校验卷筒宽度：

B/2=1598＜BT=2650（满足要求）

3）验算提升机强度：

最大静张力验算：

Fj=Q+Qz+PSB×H0×9.81=178542+8.25×714×9.81=236327.8N＜250000N，满足要求。

最大静张力差验算：

Fch=Q+PSB×H0×9.81=107910+8.25×714×9.81=165695.8N＜210000N，满足要求。

式中：Fj为提升机强度要求允许的钢丝绳最大静张力,N；Fch为提升机主轴强度要求允许的钢丝绳最大静张力差,N。

4）电动机功率估算：

所选电动机功率满足要求。

式中：K为矿井阻力系数；Q为提升物料荷重；VmB为提升机最大速度；ρ为动力系数；η为传动效率

2.5 提升天轮选型验算

提升天轮选型计算：

天轮直径：D≥60ds即D≥60×46=2760mm

D≥900δ即D≥900×3.1=2790mm

钢丝绳作用在天轮上的最大静张力：Fj=225536N

根据以上计算，选用ф3.5m凿井提升天轮，天轮允许最大绳径ф50mm,钢丝绳全部破断力总和1793581N,满足要求。

2.6 主提升钢丝绳绳偏角（α）验算

1）相对高度：h＝h1＋h2＋h3-h4＝30.869m

其中：h为天轮轴与地面距离，m；h1为天轮平台高 度，26.464m+1.5m=27.964m；h2为 天 轮 外 径，1.88m；h3为天轮梁高度+加高座+轴承座（1.975m）；h4为提升中心高0.95m。

2）卷筒宽度（B）：B＝2.65m。

3）钢丝绳弦长（L）：

其中：L为钢丝绳弦长，m；b为滚筒轴线与悬垂钢丝绳间的距离，m；RT为天轮半径，m；h为天轮轴与地面距离，m；c为滚筒主轴中心高出井口水平的距离，0.95m。

4）仰角β=tg-1

内偏角α2＝tg-1＝tg-1=1.12=1°7′<1°15′

式中：S为两天轮间距，2.4m；a为两滚筒内缘间距，0.093m。

2.7 过卷与过放距离

根据计算过卷高度、过放距离为7.3m。

《煤矿安全规程》中规定：“箕斗提升，其过卷高度和过放距离不得小于表3确定数值”，则根据规定箕斗提升的过卷高度不得小于7.3m，满足《煤矿安全规程》要求。

表3 立井提升装置的过卷和过放距离

实际过卷距离：H过卷=26.46+1.5-10-7.52-0.56-0.2=9.68m＞7.3m

式中：H过卷为实际过卷，井架天轮平台下平面高26.46m，井架加高1.5m，箕斗高10m，箕斗底部到封口盘距离7.52m，封口盘高出井口平面0.56m，防撞梁高0.2m

所以满足过卷与过放距离。

实际过放距离：H过放=23.223-15.223=8m＞7.3m

式中：H过放为实际过放，箕斗在井下装矸时，箕斗底部到井底马头门底板的距离：15.223m井底防撞梁到马头门底板的距离：23.223m。

2.8 提升能力

图2 提升速度图

图2 中：提升最大速度VmB=6.9m/s

箕斗滑轮脱离曲轨速度Vi、滑入曲轨速度V4，不得超过1.5m/s：取Vi=V4=1.2m/s;加速度、减速度不大于1.2m/s2：取a1=a3=1.2m/s2

滑轮脱离曲轨、滑入曲轨时间:

ti=VmB/a1=6.9/1.2=5.8s，T4=VmB/a3=6.9/1.2=5.8s

加速及减速运行距离：

hi=0.5VmB×ti=0.5×6.9×5.8=20m，

H4=0.5VmB×t4=0.5×6.9×5.8=20m

提升加速度、减速度a1=a3=a=1m/s2

加速及减速时间：

t1=VmB/a1=6.9/1=6.9s，t3=VmB/a3=6.9/1=6.9s

加速及减速运行距离：

h1=0.5VmB×t1=0.5×6.9×6.9=23.8m，

h3=0.5VmB×t3=0.5×6.9×6.9=23.8m

等速运行距离：

h2=H-hi-h1-h3-h4=714-20-23.8-23.8-20=626.4m

等速运行时间：t2=h2/VmB=626.4/6.9=91s

查《煤矿电工手册》[8]，爬行速度Vc取0.3～0.5,爬行距离h爬行取2～3m，爬行时间：t爬行=Vc/h爬行=2/0.3≈7s

一次提升循环时间：

T1=ti+t1+t2+t3+t4+θ+t爬行=5.8+6.9+91+6.9+5.8+100+7=224s

式中：θ为提升休止时间取100s。

提升能力计算：T/h=AT

式中：m为箕斗装满重量，11TC为提升不均匀系数1.15～1.25取：1.2。

3 安全设施

采用SLT-20型钢丝绳罐道自动拉紧装置，该装置安装在井架的天轮平台上，共设置8套。该装置可以进行调绳、锁绳，能监测拉紧力、自动及时按规定的数值进行调整罐道绳的张紧力，使罐道绳的张紧力基本保持恒定，确保箕斗运行时的安全。提升信号与井上下装卸载系统、提升机相互闭锁，可以有效防止发生提升事故。提升机按照煤矿安全规程规定装设安全保护、工作及安全制动、安装实时监测系统。提升钢丝绳拉力检测装置，该装置装在提升天轮座下方，能实测提升钢丝绳的所受拉力，防止超载，保证绳的安全。

4 结语

大海则煤矿1#回风立井临时改绞系统设备选型的成功，使矿基建设时期提升能力大幅度提升，满足全矿井二三期煤矸石提升需要，极大的缩短了建井周期，节约建设成本，也对其它煤矿建设期间临时改绞方案及设备选择具备有借鉴意义。