马坑矿业提升机尾绳断裂因素分析及防范措施探讨

王华民

（福建马坑矿业股份有限公司）

矿井提升机在各类矿区中运用十分广泛，担负着地面与井下人员和物料往来的重任，副井的提升系统是井下矿山的关键设备，普遍采用多绳摩擦式提升机。多绳摩擦式提升机由主轴、车槽、减速器、深度指示自动调零装置、尾绳悬挂装置组成。多绳摩擦式提升机具有设备质量轻、安全性较高、电耗较低、钢丝绳松捻扭力小等优点。缺点主要是防腐性能偏低和钢丝绳不能调节。由于摩擦式提升是靠钢丝绳与摩擦轮衬垫间的摩擦力传递摩擦轮作用力的，因此提升钢丝绳外部不允许涂钢丝绳润滑脂，降低了钢丝绳的防腐性能。此外，在生产运行期间，除了钢丝绳变形伸长需截断外，钢丝绳的长度不能调整，因此，不适用于多水平提升。

由于提升机的频繁使用，加上恶劣的工况环境，设备故障在所难免，为此，有许多关于提升机故障诊断技术的研究成果，对提升机的各部件开展诊断工作，如施耐德电气（中国）有限公司为提升煤矿设备的智能化运维能力、提高设备的故障诊断与检修效率，在某煤矿中搭建了设备故障预警与诊断平台，远程实时监测设备的振动和工艺量信号参数，对设备的运行状态进行评估，对轴承等部件开展监测、诊断［1］。晋能控股煤业集团四老沟矿综合区重点对矿用JKMD-3.5×4PI 型多绳摩擦式提升机减速器工作原理进行分析，并提出了减速器常见故障类型、故障原因以及采取相应的预防措施［2-3］。

本文以福建马坑矿业股份有限公司副井提升系统尾绳断裂事故为研究背景，以尾绳钢丝绳为研究对象，从电机故障、外力作用、钢丝绳及断点分析、钢丝绳强度等级分析以及钢丝绳受力等方面进行摸排，明确钢丝绳断裂的几个主要因素，并针对主要断裂因素提出防范措施。

1 问题概况

马坑矿业其中一地下矿山副井于2007 年建成，当年即投入使用，采用JKMD2.8×4 型号落地式多绳摩擦提升机。2021 年10 月，提升机平衡锤侧的2 根尾绳中1根突然断裂，提升机因尾绳断裂失去平衡而紧急停机，并发出报警信号，其断裂位置如图1所示。

公司按照规程制定了事故抢修处理方案和安全措施，用事先备好的新尾绳将断裂的旧尾绳整条更换，使副井罐笼提升系统恢复正常运行［4］。

尾绳通常需由高强度、耐疲劳的材料制成，以保证在高负荷环境下的正常工作。常见的材料包括优质的钢丝绳或合成纤维绳。尾绳的直径和结构需要根据提升机的负载和运行条件进行精确计算。直径增大，通常意味着更高的承载能力，但也会增加重量和阻力。尾绳必须具备足够的强度，以承受提升机在运行中的最大负担。尾绳应具有一定的弹性，以缓冲提升机启动和停止时的冲击力，降低对提升机结构和驱动系统的影响。由于矿山环境可能含有腐蚀物质，尾绳通常需要具有防腐和防护性能，以延长其使用寿命。尾绳作为提升机的重要组成部分，需要定期进行检查和保养，包括检查绳索的磨损情况、连接点情况以及是否存在其他可能的故障或问题等。

2 尾绳断裂摸排与分析

2.1 电机设备运行情况

公司对提升机电控系统进行日常点检，并形成相关记录。尾绳断裂前，提升机设备运行状况及参数没有发生变化，也没有出现异常情况，尾绳断裂事故发生后，提升机紧急停车并报警，说明提升系统应急保护设施能正常工作，对提升机应急系统的日常点检效果明显。

2.2 外力干扰情况

事故发生后，通过对井筒设施检查，没有发现井筒罐道梁上有构件或其他物件对尾绳有接触，因此，可排除本次事件中尾绳受外力拉断的可能性。

2.3 钢丝绳检查

钢丝绳有钢芯和纤维芯2种，发生断绳事件提升机的尾绳钢丝绳采用的是纤维芯，是一种天然麻芯。对尾绳断裂处取样的钢丝绳进行检查后发现，钢丝绳天然麻芯已经腐烂变黑，内部绳芯油脂已变质缺失，各股钢丝已经锈蚀、腐烂变质，人工用手也可以轻易折断，钢丝已无强度可言；从使用时间上看，此尾绳使用时间已超过4 a。检查其他位置各股钢丝，情况较好，但同样存在油脂严重缺失的问题。由此可见，对提升机系统缺乏定期的检查，或检查不到位；同时需意识到，钢丝绳在不同工况环境下的使用寿命不同，且同一根钢丝绳在不同位置的情况不尽相同，在日常点检中需对钢丝绳做全面、完整的检查。

2.4 钢丝绳断点分析

从罐笼和平衡锤工作结束后停止的位置来看，副井提升罐笼工作完成后，罐笼一般停放在井口，平衡锤则停放在井底。罐笼与平衡锤之间的那段即为尾绳，呈自然下垂的状态；平衡锤不工作时长期停放在井底，井底有积水，靠近平衡锤的那段尾绳的最低弯曲处长期浸泡在积水中，使该位置的尾绳比其他位置更容易产生锈蚀和变形。长期的锈蚀和变形，使该位置的尾绳钢丝绳强度大大降低（图2）。

2.5 尾绳强度等级分析

尾绳在提升系统中起平衡作用，一般不受外力作用，只受其自身重力及提升系统在加减速运行时所产生附加惯性力的影响。尾绳在井底弯曲处，由于运行方向的改变也会使尾绳产生一定的扭转力，该扭转力也会对尾绳的强度产生一定的负面影响。如果罐笼或平衡锤底部连接尾绳的悬挂装置内部的轴承润滑不良或轴承出现损坏［5］，尾绳悬挂装置便会出现旋转速度变慢或发生卡堵的现象，这一情况使得尾绳在井底弯曲处容易产生扭接，或与其他尾绳缠绕，造成安全隐患。由于尾绳不受外力，根据尾绳在实际中的使用情况，矿井提升机一般所选用的钢丝绳强度等级偏低。

2.6 受力分析

从提升系统的受力分析可知，副井提升系统在罐笼下放的过程中，平衡锤侧向上运行，当接近到井口位置时，平衡锤至尾绳最低点的距离最大，尾绳垂悬长度最长，此时尾绳所受的自身重力也最大。从此次断裂事故中可知，从断裂点到尾绳井底最低处长度为655 m，由此可计算出尾绳自身重量产生的重力为40 kN。另外罐笼运行快要到井底位置时，提升系统开始减速运行，平衡锤侧尾绳减速运行产生的惯性力与尾绳自身重力叠加达到最大，提升系统运行加减速度按0.7 m/s2计算，则惯性力为28 kN，尾绳自身重力和惯性力叠加可达68 kN。如此大的力加上提升系统长期运行，直到尾绳弯曲锈蚀位置处的钢丝绳强度不足以抵抗所叠加的最大力；尾绳断裂事故都是发生在罐笼向下运行快到井底附近，且在平衡锤上升运行到井口位置，在减速状态下，此时尾绳所受的内力是最大的，因此导致尾绳发生断裂事故。

3 防范尾绳断裂措施

针对上述矿井提升系统尾绳发生断裂事故的原因分析，采取如下措施。

（1）加强对尾绳重点位置的检查。任何时间节点都有尾绳位于最低点，即弯曲处，该处尾绳受井底积水或井内顺着尾绳流下的淋水侵蚀的时间最长，尤其是对应于罐笼或平衡锤经常停止位置。在对尾绳进行安装时，对此特殊段尾绳做好标记，作为重点检查段，定期检查，若发现问题及时进行处理。

（2）采取有效的尾绳防锈蚀措施。由于竖井井筒十分潮湿，井筒内壁有淋水，在井筒内壁制作截水槽，最大限度减小井筒淋水对尾绳的不利影响。对尾绳及尾绳悬挂装置定期涂油，防止锈蚀，应选用具有良好抗水性的油脂，如锂基润滑脂、合成复合锂基润滑脂等，能有效延长尾绳及尾绳悬挂装置内轴承的使用寿命。随着尾绳的频繁使用，钢丝绳被挤压的次数越多，钢丝绳中的油脂被挤出的量就越多，为了防止钢丝绳锈蚀，需及时补充防锈油脂，最大程度保证钢丝绳内有足够多的防锈油脂，使钢丝绳具有较好的防锈效果。

（3）调低罐笼减速度。提升系统在运行过程中产生的冲击载荷的性质和强弱，会直接影响到矿井的安全。作为搭载作业人员的罐笼又是直接作用于人的设施，因此，有必要在罐笼向下运行到井底过程中，将运行的减速度调到最低，一方面是降低冲击载荷对提升系统的影响，以提高搭载人员的舒适度，另一方面降低尾绳受力。

（4）适当提升尾绳设计的强度等级。在使用条件差的环境中，设计单位应根据恶劣的工况环境，在提升系统设计时，适当提高选用尾绳的强度等级，来弥补提升尾绳使用环境条件差的不足。需要注意的是，尽管采用的是纤维芯钢丝绳，但也只能适当调高强度等级，因为随着强度等级的提高，钢丝绳的直径会增大，导致钢丝绳的自重增加，势必也会增加钢丝绳的受力，最终降低其使用寿命。

4 结语

（1）影响副井提升系统尾绳使用寿命、出现尾绳断裂事件的原因是多方面的，在不同的矿山、不同的使用环境下尾绳断裂的原因不尽相同。只有通过具体工况具体分析，才能找到该环境下导致尾绳断裂的最敏感因素。

（2）尾绳的磨损、锈蚀、弯曲、断丝等是提升系统尾绳钢丝绳断裂主要、直接的因素，对尾绳强度影响最大，提升尾绳使用寿命、降低尾绳断裂概率的主要措施：①做好尾绳的定期检查，除了对钢丝绳作完整、全面的检查外，尤其要重视长期处在环境相对恶劣位置的钢丝绳的检查；②做好尾绳的日常维护，如及时涂抹防锈油脂，以提高尾绳使用的可靠性、稳定性，延长使用寿命；③适当提高钢丝绳的强度等级，采用更高等级的钢丝绳；④进一步优化提升系统的运动速度控制方式，最大限度地降低因提升机运动速度的突然变化造成对钢丝绳的冲击。