金屬礦山提升過(guò)卷保護(hù)裝置的應(yīng)用與探討

堯金才，馬海玉，任旭東

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

金屬礦山提升過(guò)卷保護(hù)裝置的應(yīng)用與探討

堯金才，馬海玉，任旭東

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

針對(duì)國(guó)內(nèi)金屬礦山規(guī)范中對(duì)豎井過(guò)卷保護(hù)裝置的具體規(guī)定，結(jié)合國(guó)外工程項(xiàng)目實(shí)例，分析了豎井提升常用過(guò)卷保護(hù)裝置楔形罐道、機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)原理及計(jì)算方法，并對(duì)幾種過(guò)卷保護(hù)保護(hù)裝置的特點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比，對(duì)我國(guó)現(xiàn)行金屬礦山規(guī)程、規(guī)范關(guān)于過(guò)卷保護(hù)的規(guī)定提出了探討性建議。

金屬礦山；過(guò)卷保護(hù)；豎井提升；鋼帶式；楔形罐道

提升系統(tǒng)過(guò)卷保護(hù)裝置為礦井提升的安全設(shè)施，安裝于井架或井塔內(nèi)，當(dāng)提升系統(tǒng)發(fā)生過(guò)卷時(shí)用于緩沖、制動(dòng)提升容器，以防止容器對(duì)井架或井塔產(chǎn)生沖頂破壞。目前豎井提升常用過(guò)卷保護(hù)裝置有楔形罐道和機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置。金屬礦山規(guī)范中對(duì)豎井過(guò)卷保護(hù)裝置的規(guī)定如下：1)提升井架（塔）內(nèi)應(yīng)設(shè)置過(guò)卷?yè)趿汉托ㄐ喂薜?，楔形罐道楔形的斜度?%[1]（《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》6.3.3.22條）；2）提升井架或井塔內(nèi)應(yīng)設(shè)置楔形罐道，楔形罐道端部應(yīng)設(shè)過(guò)卷?yè)趿篬2]（《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》13.5.7條）。受制于前述規(guī)程的規(guī)定，國(guó)內(nèi)金屬礦山提升系統(tǒng)內(nèi)過(guò)卷保護(hù)裝置都采用了楔形罐道。然而，國(guó)外礦井提升通常采用機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置，國(guó)內(nèi)的煤炭礦井提升系統(tǒng)也正在逐步推廣鋼帶式過(guò)卷保護(hù)裝置。對(duì)于《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求過(guò)卷保護(hù)裝置采用楔形罐道形式是否合適，本文結(jié)合幾種過(guò)卷保護(hù)裝置的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了分析比較。

1 過(guò)卷保護(hù)裝置計(jì)算原理與應(yīng)用

1.1 楔形罐道

楔形罐道一般采用紅松木制作，包括導(dǎo)向段、楔形段和大頭平直段（見(jiàn)圖1），其布置的原則為：導(dǎo)向段長(zhǎng)度為2～4 m，楔形段及大頭平直段長(zhǎng)度不小于過(guò)卷高度的2/3，楔形段的斜度為1%。

圖1 楔形罐道

楔形罐道對(duì)過(guò)卷容器產(chǎn)生緩沖制動(dòng)作用的原理，是假定提升容器過(guò)卷時(shí)，在與楔形罐道自始而終相互接觸擠壓的長(zhǎng)度內(nèi)，產(chǎn)生沖擊、摩擦、擠壓變形等作用吸收了提升系統(tǒng)的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定律，過(guò)卷時(shí)計(jì)算楔形罐道長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：L為楔形段所需長(zhǎng)度，m；i為楔形段斜度，1%；Q為過(guò)卷時(shí)容器自重及載重，kg；Σm為系統(tǒng)總變位質(zhì)量，kg；Qx為過(guò)放時(shí)容器的自重及載重，kg；P為尾繩重量，kg；V為過(guò)卷時(shí)速度，m/s；h為楔形罐道與罐耳接觸面寬度，mm；n為楔形罐道總根數(shù)，一般為2根或4根；EA為紅松木單位體積吸收的能量，取5× 107J/m3=50 N/mm2。

1.2 機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置

筆者在土耳其K銅礦工程設(shè)計(jì)中采用了機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置,提升系統(tǒng)為落地多繩摩擦提升機(jī),復(fù)合箕斗+箕斗的提升方式。此機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置為德國(guó)西馬格生產(chǎn)的SELDA（Strain Energy Linear Ductile Arrester）裝置（見(jiàn)圖2）。

圖2 SELDA過(guò)卷保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

由圖2可知，SELDA裝置主要由緩沖擋梁、緩沖滾輪箱、緩沖鋼帶組成，其中緩沖擋梁與緩沖滾輪箱為一體。其工作原理為：提升容器發(fā)生過(guò)卷往上沖時(shí)撞上緩沖擋梁，帶著緩沖擋梁及緩沖滾輪箱沿著鋼帶往上沖。緩沖滾輪箱內(nèi)有5根滾輪軸將鋼帶擠壓成S形產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)提升容器頂著緩沖擋梁往上沖時(shí)，將鋼帶從下至上沿程產(chǎn)生塑性變形而緩沖吸能，其實(shí)質(zhì)是將提升容器過(guò)卷時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為鋼帶受滾輪組擠壓的變形能。在過(guò)卷的過(guò)程中，提升容器在剛性罐道的約束下不會(huì)擺動(dòng)，保持沿鋼帶往上沖。過(guò)卷保護(hù)裝置制動(dòng)阻力的大小與鋼帶的截面積和材料特性有關(guān)，在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)阻力可視為恒定值。

本例過(guò)卷緩沖制動(dòng)力計(jì)算時(shí)，按過(guò)卷的同時(shí)已發(fā)生過(guò)放，且尾繩對(duì)保護(hù)裝置的沖擊力不計(jì)，故此處SELDA的過(guò)卷保護(hù)裝置制動(dòng)力計(jì)算如下：

式中：Fz為緩沖保護(hù)裝置所需制動(dòng)力，N；a為制動(dòng)減速度，m/s2。過(guò)卷時(shí)，罐籠不大于1 g，箕斗不大于3 g。

SELDA過(guò)卷保護(hù)裝置在國(guó)外礦山應(yīng)用普遍。國(guó)內(nèi)煤炭礦山近十年逐漸開始應(yīng)用機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置，主要型式有BS摩擦式過(guò)卷保護(hù)裝置、液壓式過(guò)卷保護(hù)裝置及鋼帶式過(guò)卷保護(hù)裝置：1)BS摩擦式過(guò)卷保護(hù)裝置利用鋼絲繩牽引緩沖器的卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)摩擦來(lái)吸收提升容器的動(dòng)能[3]，由于存在鋼絲繩及卷筒銹蝕后容易造成制動(dòng)失效的缺點(diǎn)，現(xiàn)在逐漸被鋼帶式過(guò)卷保護(hù)裝置所取代。2)液壓式過(guò)卷保護(hù)裝置通過(guò)液壓阻尼來(lái)提供制動(dòng)阻力，維護(hù)較麻煩，目前使用較少。3)國(guó)內(nèi)開發(fā)的鋼帶式過(guò)卷保護(hù)裝置主要原理類似于SELDA。其特點(diǎn)之一是保護(hù)裝置介入之初，能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)載荷從零到額定值的連續(xù)加載，其次是具備了容器托持功能；鋼帶式過(guò)卷保護(hù)裝置還具有制動(dòng)保護(hù)效果可試驗(yàn)測(cè)定、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便、觸發(fā)后恢復(fù)快捷等優(yōu)點(diǎn)，使其得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 過(guò)卷保護(hù)裝置的特點(diǎn)分析

2.1 楔形罐道

楔形罐道對(duì)卷提升容器產(chǎn)生的制動(dòng)力是依靠提升容器上的槽型罐耳與楔形木產(chǎn)生摩擦、擠壓導(dǎo)致楔形木壓縮變形而產(chǎn)生的制動(dòng)力，其存在如下特點(diǎn)：1）楔形罐道材質(zhì)常用紅松木等木材，其材質(zhì)性狀不確定性較大，力學(xué)性能難以測(cè)定，且受過(guò)溫度、濕度等環(huán)境因素影響較大，故緩沖制動(dòng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性難以得到保證。2）楔形罐道在過(guò)卷制動(dòng)過(guò)程中變形量逐漸增加，制動(dòng)力也同時(shí)不斷增加，但不是線性增加，也不是均勻增加，制動(dòng)減速度難以符合假定的模型。3）提升容器的罐耳為鋼制材料，在過(guò)卷擠壓楔形木時(shí)，鋼制材料上的棱角很容易將楔形木刨削，若一旦發(fā)生刨削、劈裂，楔形罐道的緩沖制動(dòng)會(huì)直接失效，實(shí)際工程上已有發(fā)生。4）經(jīng)驗(yàn)公式選取楔形罐道的單位變形能僅為5×107J/m3，能夠吸收的能量有限，對(duì)特大型礦山提升系統(tǒng)而言，在合理的過(guò)卷高度內(nèi)將無(wú)法滿足提升系統(tǒng)制動(dòng)要求。5)楔形罐道優(yōu)點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單、成本低廉。

2.2 機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置

機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置是利用鋼帶塑性變形，使金屬晶格組織的變形來(lái)吸收外部的動(dòng)能，從而提供制動(dòng)力。其常用材質(zhì)為Q345，特點(diǎn)如下：1）鋼帶材質(zhì)性能穩(wěn)定，受外界環(huán)境影響很小，通過(guò)材料性能試驗(yàn)可準(zhǔn)確控制其供貨質(zhì)量。制動(dòng)阻力可以計(jì)算并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，可靠性較高。2）能提供恒定的制動(dòng)阻力，可以提供恒定受控的制動(dòng)減速度，滿足不同容器過(guò)卷時(shí)的減速度要求，尤其是過(guò)卷時(shí)罐籠不大于1 g的要求，以避免過(guò)卷時(shí)罐籠內(nèi)人員撞上罐籠頂。3）機(jī)械式過(guò)卷保護(hù)裝置需專業(yè)廠商生產(chǎn)制作并滿足安全監(jiān)督部門的檢驗(yàn)要求。

2.3 特點(diǎn)比較

楔形罐道與鋼帶式過(guò)卷保護(hù)裝置的特點(diǎn)的比較見(jiàn)表1。

根據(jù)以上特點(diǎn)比較可以看出，楔形罐道具有緩沖制動(dòng)力難以計(jì)算及控制的缺點(diǎn)，難以保證規(guī)定的制動(dòng)減速度，不易達(dá)到預(yù)期緩沖保護(hù)效果；而對(duì)于鋼帶式過(guò)卷保護(hù)裝置，其制動(dòng)力是由滾輪組擠壓金屬鋼帶而產(chǎn)生，阻力可以計(jì)算及測(cè)試，且受環(huán)境影響很小，安全可靠性較高，觸發(fā)后恢復(fù)較快，優(yōu)于其它過(guò)卷保護(hù)裝置。

表1 楔形罐道與鋼帶式過(guò)卷保護(hù)裝置的特點(diǎn)比較

3 結(jié)語(yǔ)

鋼帶式過(guò)卷裝置在國(guó)外礦山及煤礦已經(jīng)取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果，在制動(dòng)效果及安全可靠性以及維護(hù)恢復(fù)上都優(yōu)于楔形罐道，是楔形罐道良好的替代產(chǎn)品。在煤炭安全規(guī)程中關(guān)于過(guò)卷保護(hù)裝置規(guī)定保護(hù)早已調(diào)整為“在過(guò)卷高度或過(guò)放距離內(nèi)，應(yīng)安設(shè)性能可靠的緩沖裝置”。金屬礦山的規(guī)程、規(guī)范關(guān)于過(guò)卷保護(hù)裝置相關(guān)條文目前仍具體規(guī)定為楔形罐道，對(duì)設(shè)計(jì)使用產(chǎn)生了制約作用，展望今后我國(guó)金屬礦山規(guī)程、規(guī)范的修編工作，應(yīng)能作出相應(yīng)調(diào)整，促進(jìn)金屬礦井提升設(shè)計(jì)選用先進(jìn)合理的過(guò)卷保護(hù)裝置。

[1]GB 16423-2006，金屬非金屬礦山安全規(guī)程[S].

[2]GB 50771-2012，有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]李玉瑾.多繩摩擦提升系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)[M].北京：煤炭工業(yè)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

堯金才（1983—），男，工程師，從事礦山機(jī)械設(shè)計(jì)與研究工作。