矿井提升机应急提升方法研究

张传明，王正国，齐学海，梁 晓，夏勇波

1山东新巨龙能源有限责任公司 山东菏泽 274900 2洛阳中重自动化工程有限责任公司 河南洛阳 471039 3新汶矿业集团有限责任公司 山东泰安 271200

矿 井提升系统用于在井筒中运输人员、物料和 矿石，是井工开采矿山的咽喉设备[1]。当井下工作面出现异常状况时，矿井必须做出应急响应，利用提升机保障井下人员安全升井。一旦提升机无法正常运行，将严重影响矿山的正常生产以及人员安全。矿山企业必须将安全生产放在第一位，解决矿井提升系统应急运行问题一直是矿山企业面临的重要议题。

从提升设备的控制系统、传动系统到制动系统，提高提升设备自身可靠性的方法有很多，如控制系统设计有局部故障时的故障开车模式；传动系统设计有 2 套直流或变频装置，单套故障时切换为全载半速模式运行；液压制动系统的安全制动回路为多路恒减速冗余等。笔者进一步讨论全矿停电或电动机故障等特殊情况下，原提升系统短时间内无法恢复时，矿井可采用的应急提升方法。

1 无动力重力下放

1.1 原理

无动力重力下放的原理如图 1 所示。利用两侧容器的张力差，通过调整制动器的开闸压力，将较重一侧的提升容器慢速下放，较轻一侧的容器慢速上升，到达预定位置后平稳停车[2]。当发生全矿停电、电动机损坏等故障，短时提升系统无法恢复正常运行，人员被困罐笼时，重力下放装置可及时将罐笼移动到临近的工作面，实现人员脱困。中信重工及 ABB 公司在国内已有相关产品的应用案例。

图1 重力下放工作原理Fig.1 Working principle of gravity lowering

重力下放是通过控制制动器压力来控制速度，闸盘温度会在运行中不断上升，只适用于短时间内帮助罐笼内人员紧急脱困。为了保证运行安全，重力下放时，运行速度通常控制在 1 m/s 以下[3]。国内多数应用案例中，操作人员手动控制油压来控制速度，操作难度较高，下放装置运行速度不平稳。相对而言，中信重工的重力下放装置采用了速度-油压双闭环自动控制原理，更易操作。司机通过操作台旋钮或触摸屏直接给定速度，经过速度环和油压环 PID 自动调节，输出油压信号到盘形制动器，实现提升机按给定速度连续平稳运行。

1.2 所需设备

重力下放功能的实现需要液压系统、操作控制元件和应急电源。ABB 公司一般将重力下放功能集成在其闸控系统中，利用闸控系统的液压站和控制柜实现重力下放功能。中信重工除此之外，还有一种更适用于现场改造用的独立重力下放装置，它包括独立的液压站、小型操作台和电池柜。液压站与原系统液压站通过管路上的开关手动切换；操作台装有速度-油压双闭环控制器，采用编码器作为速度监测元件；电池柜为操作台和液压站供电，能在全矿停电时使用。重力下放过程中，系统能时刻监控速度和闸盘温度等状态，并具有过速、制动油压高、电源故障、闸盘温度超限等安全保护；从安全性考虑，为实现罐笼精确停车和过卷保护，系统还能准确计算容器位置。

为满足千米级深井重力下放运行时间较长的需求，如果采用应急电源，应按工作时长大于 2 h 来考虑；如果采用电池供电，应设有电压监测或管理设备，避免在长期未使用情况下电池过放电产生损坏。

1.3 适用工况

无动力重力下放方法设备投入成本较低，可以解决特殊工况下被困罐笼人员的救援问题。但该方法仅适用于短时低速单次运行，解决不了类似全矿长时间停电、井下水位上升、需全员安全升井时，提升系统要在数小时内往复持续运行的问题。重力下放也并不适用于所有矿井和工况，如提升系统两侧容器及载荷相近、出现张力平衡时，则存在无法运行的可能。

2 外动力应急辅助提升

外动力应急辅助提升是在电动机、电气传动装置等出现故障或全矿断电等极端工况下，采用新投入的外动力，用于连续安全升降人员的一种应急救援方式。该辅助提升设备通常由机械传动系统、辅助提升液压系统、辅助提升电控系统、应急电源组成。根据紧急救援时不同的载荷与速度需求，设计时要采取相应的结构型式。

2.1 机械传动系统

2.1.1 齿圈传动型

某煤矿在用提升机主机规格为 JKMD-4×4ZⅢ，应急提升需求：罐笼乘坐 40 人，运行速度为 1.2 m/s，电动机功率计算为 90 kW。电动机功率较小，现场场地空间有限，设计采用齿圈传动型机械结构 (见图 2)，它包括大齿圈、小齿轮、减速器、电动机和底座等。

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图2 齿圈传动型应急辅助提升结构Fig.2 Emergency auxiliary hoisting mechanism driven by ring gear

齿圈传动型机械结构的工作原理：减速器输出轴安装有一个小齿轮，在提升机主轴装置非传动侧制动盘内缘处新增一个大齿圈；小齿轮与大齿圈平时脱开，应急提升时通过滑轨将小齿轮与大齿圈啮合，驱动提升机摩擦轮转动，实现提升机正常运转。

受卷筒周边安装位置所限，此种机械结构虽占地面积小，但传动总功率受限，不能实现大载荷的提升。即使原提升设备主机规格较大，轴承座两侧空间均能安装减速器和电动机，也仅能安装 2 台功率约为 90 kW 的电动机。

2.1.2 联轴器型

为了满足数吨到十几吨的应急提升载荷、以及更高的应急提升速度的要求，可采用快速连接联轴器型辅助提升机械结构 (见图 3)，它包括联轴器、齿轮箱、电动机等。

图3 联轴器型辅助提升结构Fig.3 Auxiliary lifting mechanism with coupling

山东新巨龙能源有限责任公司东副立井采用 1 台中信重工 JKMD-5.5×4PⅢ落地式多绳摩擦式提升机，配功率为 3 000 kW、转速为 35 r/min 低速交流变频同步电动机，提升速度为 10 m/s，钢丝绳最大静张力差为 450 kN。应急辅助提升需求：提升有效载荷 ≥10.8 t，提升速度 ≥ 3.5 m/s。应急提升采用图 3 所示的结构，辅助提升电动机采用 1 台异步变频电动机，计算选型功率为 710 kW、转速为 495 r/min、12 极，采用强迫风冷散热方式，自带冷却风机，电压等级 1 140 V，防护等级 IP55。

工作原理：在提升机主轴装置的非传动侧引入一套由发电机组供电的驱动系统；主轴装置非传动侧外伸轴 (低速端) 通过齿式联轴器与减速器连接；电动机通过弹性柱销联轴器与行星减速器高速端连接。其中，主轴与减速器之间采用快速拆装式齿式联轴器，提升机正常运行时，辅助提升系统不投入运行，减速器与主轴联轴器为脱开状态[4]；当出现应急运行需求时，该齿式联轴器可快速连接，辅助提升系统投入使用。

2.2 辅助提升液压系统

应急提升速度通常不快，辅助提升液压系统可选用传统的二级制动液压站，即可长时间持续工作。为保证可靠性，液压站应设置两套油泵装置和电液比例调压装置，一套工作，一套备用。液压站应装设压力、温度、液位等传感器，以及并联冗余的回油管路，满足安全规程要求。

辅助提升液压站与原提升机液压站可采用阀台转换，应有闭锁功能。制动器采用原提升系统的制动器。

2.3 辅助提升电控系统

为满足一段时间内持续安全工作的可靠性，辅助提升电控系统的设计应满足安全规程要求。主控采用主、从两套 PLC 系统，配置冗余的位置、速度等监测传感器；有满足手动/半自动/慢动操作方式可供选择；具有数字行程监控、系统运行数据显示及故障报警功能。此外，还应具备以下功能：

(1) 供电回路电源开关监视功能；

(2) 液压系统、散热风机等辅助设备的控制及监视功能；

(3) 与变频器配合，实现速度、力矩的调节控制功能；

(4) 井筒中开关状态的监视功能；

(5) 卷径计算功能，以校正提升机深度计算系数；

(6) 提升机控制系统与提升信号相互闭锁；

(7) 监测及故障自诊断系统。

安全回路设计为硬件安全回路加软件安全回路的多重化保护，满足安全规程规定的保护及双线制保护，过卷、超速及限速等保护采用主编码器、从编码器监测等多线制保护。

变频传动系统采用闭环矢量控制的交-直-交变频器。如果应急电源为专用的柴油发电机，变频器应设计为能耗制动型，配置制动单元及满功率的制动电阻，当提升机负载重力方向与发电机运行方向一致时，发电机处于发电状态，此时可以通过制动单元将产生的能量释放到制动电阻上。

2.4 应急电源

矿山企业多数备有柴油发电机作为应急电源，但矿井提升机是四象限运行设备，存在重物下放发电运行状态[5]。如果柴油发电机同时为提升机和其他功率相近的设备供电，则下放发电时的电能可被电网内其他设备所消耗，电网能够保持稳定；如果柴油发电机主要为提升系统供电，那么辅助提升变频器应设计为能耗制动型，将下放发电时的能量通过制动单元消耗在电阻上，以维持柴油发电机供电电压的稳定性，避免造成过压停机。

与电动机直接启动时电压高、电流大、突加负载大的情况不同，变频启动加速过程中输出端电流可控 (通常小于 2 倍电动机额定电流)，且输出电压逐步上升至电动机额定电压，即总输出功率逐步上升，但不会出现对柴油发电机造成突加负载大于 50% 的工况，柴油发电机容量选型略大于 2 倍电动机额定功率，既能满足辅助提升运行工况需求，同时还能为操车控制、信号系统以及照明提供用电。

3 结论

无动力重力下放设备投资低，仅能用于罐内人员的紧急救援，适用性较窄。外动力应急辅助提升机构可将重力下放功能集成于自身系统中，既能进行满载时的罐笼内人员救援，也能够实现较轻载荷的连续提升运行，适用范围更广。其中，联轴器型应急辅助提升机构占地面积较大，投资较高，适用于新建矿井；齿圈传动型应急辅助提升机构占地面积小，投资较少，更适用于现有提升设备的改造，有更高的适用性和较广的应用前景。