六苴礦區(qū)探礦千米豎井提升設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)踐

曾慶榮

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌330031)

六苴礦區(qū)探礦千米豎井提升設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)踐

曾慶榮

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌330031)

介紹了六苴礦區(qū)3#豎井提升機(jī)類型選擇及主要技術(shù)參數(shù),對(duì)鋼井架配置、提升機(jī)房布置,恒減速制動(dòng)及低速直流電機(jī)運(yùn)用等重點(diǎn)問題進(jìn)行論述,最后對(duì)提升系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)確定、調(diào)試情況及設(shè)計(jì)需改進(jìn)的問題進(jìn)行概要說明。

千米豎井；多繩提升機(jī)；恒減速制動(dòng)；低速電機(jī)；調(diào)試

六苴礦區(qū)探礦措施3#豎井工程是楚雄礦冶有限公司“刀把”Ⅳ期開拓關(guān)鍵工程?！暗栋选雹羝诘V段礦體寬150～200 m,礦體埋深880～1 160 m,設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為700 kt/a,開采深度已達(dá)1 200 m,屬于超深井開采,存在地壓、地溫、通風(fēng)等開采技術(shù)問題。為改善通風(fēng)條件以及為深部探礦工作創(chuàng)造必要條件,業(yè)主決定在“刀把”Ⅳ期136線～150線礦段以東約400 m處,從地表向下施工3#探礦措施豎井。3#豎井深度達(dá)1 108 m,運(yùn)行時(shí)屬全國(guó)最深罐籠井,享有“中鋁第一井”之稱。本豎井工程在工藝配置、設(shè)備選型、建井結(jié)構(gòu)等方面存在諸多技術(shù)難點(diǎn),在技術(shù)上對(duì)各相關(guān)專業(yè)均有挑戰(zhàn)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司的專業(yè)人員克服重重困難,最終設(shè)計(jì)出了顧客滿意的合格產(chǎn)品。筆者作為礦井提升設(shè)計(jì)專業(yè)的負(fù)責(zé)人,參與了本項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工及調(diào)試全過程,下文擬重點(diǎn)對(duì)提升系統(tǒng)的工藝參數(shù)、配置特點(diǎn)及調(diào)試參數(shù)等進(jìn)行介紹,以期對(duì)類似工程起參考作用。

1　豎井提升機(jī)類型選擇

目前提升機(jī)主要應(yīng)用類型有單繩纏繞式提升、多繩摩擦式提升及多繩纏繞式(布雷爾式)提升。單繩纏繞式機(jī)提升多用于深度〈600 m的礦井；多繩摩擦式提升機(jī)在礦井深度200～2 000 m的范圍內(nèi)都有應(yīng)用,當(dāng)井深在300～1 400 m時(shí)宜采用多繩摩擦式提升機(jī)[1]。然而一些國(guó)家的生產(chǎn)實(shí)踐證明,在井深超過1 700 m時(shí),由于尾繩重量的變化在鋼絲繩與容器的連接處應(yīng)力波動(dòng)較大,導(dǎo)致提升鋼絲繩壽命的大幅度下降,此時(shí)不宜用多繩摩擦式提升機(jī),可采用布雷爾式提升機(jī)。

本項(xiàng)目中,3＃豎井為罐籠井,提升方式采用單罐籠帶平衡錘,其井筒直徑Ф5．5 m,井口標(biāo)高2 161．5 m,最大提升高度1 081．5 m,有2個(gè)服務(wù)中段(1 228 m、1 080 m),主要擔(dān)負(fù)六苴礦區(qū)“刀把”礦段的廢石提升任務(wù),日提升廢石450 t/d,采用多繩提升較適合,故本項(xiàng)目提升機(jī)類型選用多繩摩擦式提升機(jī)。

2　提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

考慮到當(dāng)?shù)貫榈卣鸲喟l(fā)地區(qū),如采用落地式提升機(jī)房與鋼井架的布置,其整體穩(wěn)定性比建井塔更好；同時(shí)建井架比建井塔占用井口時(shí)間短,井筒裝備和機(jī)房土建、提升機(jī)安裝工程同時(shí)施工,可加快基建進(jìn)度,故多繩摩擦輪提升機(jī)采用落地式布置較為合理。提升系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

2.1提升機(jī)

提升機(jī)采用JKMD－3．5×4落地式提升機(jī),摩擦輪直徑3．5 m,天輪直徑3．5 m,提升鋼絲繩數(shù)量4根,鋼絲繩間距300 mm,鋼絲繩直徑35 mm,最大靜張力540 kN,最大靜張力差140 kN,襯墊摩擦系數(shù)0．25,繩襯比壓196．2 N/cm2,減速比為1,最大提升速度9．35 m/s。

2.2主電機(jī)

主電機(jī)采用ZKTD215/47．5低速直聯(lián)直流電動(dòng)機(jī),功率1 000 kW,轉(zhuǎn)速51 r/min,電壓660 V,電樞電流220 A,勵(lì)磁功率7．5 kW,過載倍數(shù)為2,絕緣等級(jí)為F級(jí),B級(jí)溫升,防護(hù)等級(jí)IP23,安裝形式為IM1001,冷卻方式為IC37。

2.3鋼絲繩

提升首繩為6V×34+FC－1770型三角股鋼絲繩,數(shù)量4根,直徑Ф35 mm。尾繩為34×7－1550型多層股鋼絲繩,數(shù)量2根、直徑Ф51 mm。

2.4提升容器

罐籠采用雙層雙車,底板尺寸為4 200 mm× 1 800 mm,設(shè)計(jì)自重16．212 t(包括罐籠內(nèi)襯+頂部保護(hù)傘),設(shè)備大件重量10．5 t,平衡錘重量20．85 t,一次提2個(gè)2 m3固定式礦車,單個(gè)礦車自重1．35 t、最大載重3．29 t,一次最大載人數(shù)60人(4．5 t)。

3　提升系統(tǒng)配置特點(diǎn)

3.1鋼井架配置

1)為了克服大型井架的不均勻沉降,提高井架的穩(wěn)定性,本系統(tǒng)井架采用雙支撐4腿鋼結(jié)構(gòu)井架。由于影響井架高度最明顯的因素是提升速度,《金屬非金屬安全規(guī)程》6．3．3．21中規(guī)定,提升速度〉6 m/s、低于或等于10 m/s時(shí),提升系統(tǒng)過卷高度不得小于最高提升速度下運(yùn)行1 s的提升高度。本設(shè)計(jì)最大提升速度9．35 m/s,為留有余地,過卷高度取10 m。在保證過卷高度的前提下,為節(jié)省投資,力求井架最矮。經(jīng)計(jì)算：上天輪中心高29．4 m,下天輪中心高22．9 m,天輪檢修軌面高35．9 m。

2)根據(jù)提升機(jī)主軸裝置的設(shè)計(jì)要求,天輪出繩仰角需〉50°,故在保證井架斜腿基礎(chǔ)與提升機(jī)房柱基礎(chǔ)不干涉的前提下,機(jī)房應(yīng)盡量靠近井架支腿布置。為避免造成設(shè)計(jì)返工,工藝專業(yè)與結(jié)構(gòu)、建筑、電力等相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào),最終確定合理的天輪仰角為：上出繩52°7′9″,下出繩54°2′8″。

3.2提升機(jī)機(jī)房布置

1)落地式提升機(jī)有地面單層布置、地面雙層布置和半地下室布置等方式。一般而言,煤礦采用地面雙層布置居多,金屬礦采用地面單層布置或半地下室布置居多。就該項(xiàng)目而言,半地下式布置的機(jī)房高度比地面雙層布置可降低4．5 m,由此可減少基礎(chǔ)混凝土量230 m3,還能充分利用機(jī)房外墻與周邊土壤的摩擦角以增大機(jī)房的穩(wěn)定性;且地面單層布置或地面雙層布置時(shí)提升機(jī)主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)均裝在地面,而采用半地下室時(shí),主電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)裝在地下室,減少了地面噪音污染,故本設(shè)計(jì)推薦半地下室布置方案。另一方面，該項(xiàng)目井口進(jìn)出車方向大致為東西走向,根據(jù)摩擦提升機(jī)的特點(diǎn),提升機(jī)房只能布置在南或北方向。方案設(shè)計(jì)時(shí),將提升機(jī)房布置在北面(靠山布置)，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)方案比較,發(fā)現(xiàn)將機(jī)房布置在南面(邊坡腳下)，開挖量可減少10 450 m3,且由于南面較北面低,處于山腳下,存在大量回填區(qū),既可節(jié)省基礎(chǔ)的開挖量,又可節(jié)省基建時(shí)間,有利于半地下室布置，因此機(jī)房布置改為南面布置。

2)提升機(jī)盡量布置在機(jī)房中間部位,這樣可以使提升機(jī)房的柱基礎(chǔ)與提升機(jī)基礎(chǔ)之間有足夠的距離,以減少相互間地基應(yīng)力的干擾,同時(shí)又可保證提升機(jī)、電動(dòng)機(jī)突出部位與墻的凈距，滿足檢修與行人的要求。

3)電控室布置在靠近提升機(jī)主電機(jī)側(cè),同時(shí)與井口房的信號(hào)控制室、井口超車液壓站距離較近,既利于電纜溝的布置,節(jié)省大量挖溝及電纜費(fèi)用,又可減少不必要的線路損耗。

3.3制動(dòng)系統(tǒng)配置

隨著礦山開采技術(shù)不斷進(jìn)步,礦井提升機(jī)逐步向大型高效方向發(fā)展。由于本系統(tǒng)提升荷載大,速度快,工況多,對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)要求也很高。傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)一般采用恒力矩二級(jí)制動(dòng)方式控制的液壓安全制動(dòng)系統(tǒng),該系統(tǒng)在不同工況下制動(dòng)減速度變化大,制動(dòng)過程不平穩(wěn),因此安全制動(dòng)過程中鋼絲繩打滑現(xiàn)象屢屢發(fā)生,降低了設(shè)備安全性能和使用壽命,很難滿足設(shè)備對(duì)安全制動(dòng)的要求。因此，項(xiàng)目采用了具有減速度恒值閉環(huán)制動(dòng)控制功能的恒減速電液制動(dòng)控制裝置，很好地解決了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)存在的問題。在安全制動(dòng)時(shí),該系統(tǒng)可以在各種荷載、速度下,使提升系統(tǒng)按照給定的恒定減速度進(jìn)行制動(dòng)。在檢測(cè)裝置檢測(cè)到實(shí)際減速度偏離給定值的情況下,通過電液閉環(huán)制動(dòng)控制系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)和補(bǔ)償作用,使其迅速減小偏差、保持制動(dòng)過程中減速度恒定不變,達(dá)到恒減速制動(dòng)的效果,從而提高了制動(dòng)平穩(wěn)性和安全性,提高了鋼絲繩防滑極限,對(duì)提升礦山咽喉設(shè)備的安全可靠性、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。其主要功能有：工作制動(dòng)、井中恒減速安全制動(dòng)、井中二級(jí)安全制動(dòng)、井口一級(jí)安全制動(dòng)。3#井經(jīng)過安裝調(diào)試,目前各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,具備恒減速制動(dòng)和二級(jí)制動(dòng)功能。

3.4驅(qū)動(dòng)方式方案選擇

摩擦輪提升機(jī)電動(dòng)機(jī)容量在500～2 000 kW時(shí),宜采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),采用晶閘管變流裝置供電。本提升機(jī)主電機(jī)容量1 000 kW,有高速直流電動(dòng)機(jī)配減速機(jī)與低速直聯(lián)直流電機(jī)2種方案可選,詳細(xì)比較見表1。

表1　提升機(jī)驅(qū)動(dòng)方案比較(可比部分)

通過以上比較,雖然方案Ⅰ較方案Ⅱ可比投資高85萬元,但其年經(jīng)營(yíng)費(fèi)低50萬元,按靜態(tài)計(jì)算,只需1．7年就可抵消兩方案投入的差值。除此之外,方案Ⅰ由于取消了減速器,帶來如下優(yōu)點(diǎn)[2]：1)提升機(jī)布置緊湊,占地面積小。2)低速直聯(lián)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低,維護(hù)量減少,故障率低,運(yùn)行可靠。3)低速直聯(lián)電機(jī)本身無軸承,轉(zhuǎn)子懸掛在提升機(jī)主軸上,取消了潤(rùn)滑站。4)電機(jī)低速運(yùn)行,噪音大大降低。5)傳動(dòng)效率高5%～6%。6)避免了配套大功率減速機(jī)帶來的故障率增加。綜上所述,本項(xiàng)目選用低速直聯(lián)直流電機(jī)作為提升機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置較為合理。

4　提升系統(tǒng)調(diào)試

4.1空運(yùn)轉(zhuǎn)、空負(fù)荷及重負(fù)荷試車

3#豎井提升機(jī)系統(tǒng)在整體安裝完成后,進(jìn)入了調(diào)試階段。調(diào)試階段包括空運(yùn)轉(zhuǎn)試車、空負(fù)荷試車、負(fù)荷試車：1）空運(yùn)轉(zhuǎn)試車指在提升機(jī)各部件及電氣系統(tǒng)安裝完畢,并完成掛繩前的全部調(diào)試工作（包括機(jī)械調(diào)試和機(jī)電聯(lián)調(diào)）后,根據(jù)要求系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行8 h,正反轉(zhuǎn)各4 h。2）空負(fù)荷試車在空運(yùn)轉(zhuǎn)試車后進(jìn)行,試車前掛鋼絲繩、容器,提升機(jī)在空容器條件下試車。由于本提升屬于單容器帶平衡錘系統(tǒng),故應(yīng)在容器內(nèi)加入配重,其配重量為平衡錘重減去罐籠自重，約等于4．64 t。根據(jù)最高設(shè)計(jì)速度,試車時(shí)將速度分成幾級(jí)(3．5 m/s、6．5 m/s、9．35 m/s),每個(gè)速度級(jí)別運(yùn)行20次,確實(shí)沒有問題后,再升入下一個(gè)速度級(jí),直到全速。根據(jù)要求,系統(tǒng)需連續(xù)運(yùn)行8 h。3）空負(fù)荷試車確實(shí)運(yùn)行良好,各項(xiàng)要求達(dá)到合格要求,并且各機(jī)械、電器保護(hù)環(huán)節(jié)100%起作用時(shí),才可進(jìn)行重負(fù)載試車。試車時(shí)負(fù)荷應(yīng)分級(jí)增加,值得注意的是：負(fù)荷分級(jí)增加是使張力差逐漸增加,而不是罐籠載重量的增加,最終確定的具體加載順序見表2。

表2　重荷載試車順序

4.2制動(dòng)參數(shù)的確定

提升機(jī)的制動(dòng)器由制動(dòng)盤與8組制動(dòng)付組成,配用具有二級(jí)制動(dòng)特性的恒減速液壓站(E141A),液壓站最大工作油壓14 MPa,殘壓〈1 MPa。系統(tǒng)調(diào)試的主要任務(wù)是根據(jù)提升荷載設(shè)計(jì)值,確定貼閘皮油壓值、正常工作油壓、二級(jí)制動(dòng)第一級(jí)制動(dòng)油壓及二級(jí)制動(dòng)第一級(jí)制動(dòng)延時(shí)時(shí)間,使提升系統(tǒng)緊急制動(dòng)時(shí)在施加第一級(jí)制動(dòng)力時(shí),滿足《金屬非金屬安全規(guī)程》中第6．3．5．17條之規(guī)定：“豎井和傾角〉30°的斜井的提升設(shè)備,安全制動(dòng)時(shí)的減速度應(yīng)滿足：滿載下放時(shí)應(yīng)不小于1．5 m/s2,滿載提升時(shí)應(yīng)不大于5 m/s2”,同時(shí)滿足防滑及最大安全制動(dòng)力矩倍數(shù)的要求,使提升機(jī)安全、平穩(wěn)地制動(dòng)住。油壓的確定取決于各種設(shè)計(jì)荷載,設(shè)計(jì)荷載詳見表3。

表3　各種提升類型荷載參數(shù)

4．2．1 正常工作油壓Pmax計(jì)算

恒減速液壓站(E141A)正常工作油壓Pmax,俗稱“大表壓”,即為開閘油壓,其計(jì)算公式見公式(1)[3]。

式中：Px為貼閘皮油壓值,Px=7．9 MPa；Pf為綜合阻力折算成的油壓值,Pf=2．5 MPa。其中：

式中：K為制動(dòng)力矩計(jì)算倍數(shù)；n為制動(dòng)器液壓油缸數(shù)量,n=16；FC為實(shí)際靜張力差,FC=52 000 N；A為盤形制動(dòng)器活塞面積,A=8 420 mm2。

在運(yùn)用以上公式時(shí),應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1)選擇K× FC最大工況作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn),根據(jù)3#豎井的復(fù)雜工況,最不利工況為大件設(shè)備下放,即為表3中工況③。2)關(guān)于K值選取,安全規(guī)程規(guī)定K〉3；根據(jù)文獻(xiàn)[3]推薦，在C=FC/∑m〈1時(shí),取K=3．25/C,本系統(tǒng)工況③C= 0．41,得K=7．95。

4．2．2一級(jí)制動(dòng)油壓值的計(jì)算

二級(jí)制動(dòng)時(shí)第一級(jí)制動(dòng)油壓PⅠ,俗稱“小表壓”,其計(jì)算公式見式(2)[3]。

式中：∑m為系統(tǒng)變位質(zhì)量,∑m=127 207 kg；其它符號(hào)同前。

根據(jù)計(jì)算,PⅠ=3．3 MPa,表壓值應(yīng)為4．3 MPa（加上殘壓1 MPa）。必須強(qiáng)調(diào),以上公式是在閘瓦摩擦系數(shù)=0．35及保證提升緊急制動(dòng)減速度〉1．5 m/s2的條件下推導(dǎo)出來的,即公式滿足安全規(guī)程的要求；另外減速度還要滿足提升機(jī)防滑條件的要求,由于3#豎井提升高度為1 085 m,空罐提升的防滑極限減速度是2．63 m/s2,一般情況完全能保證系統(tǒng)在緊急制動(dòng)時(shí)的安全。

4．2．3一級(jí)制動(dòng)時(shí)間的確定二級(jí)制動(dòng)時(shí)的第一級(jí)制動(dòng)延時(shí)時(shí)間,見式(3)[3]：

式中：Vmax為提升機(jī)最大運(yùn)行速度,Vmax=9．35 m/s；a為緊急制動(dòng)時(shí)的減速度,a=1．56 m/s2。故t=6 s。

以上計(jì)算僅作為調(diào)試時(shí)的初始參考值,最終值一般在其上下波動(dòng)。由于實(shí)際運(yùn)行參數(shù)受防滑、閘瓦與制動(dòng)盤間摩擦系數(shù)等許多因素影響,防滑與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān),而閘瓦與制動(dòng)盤間摩擦系數(shù)受環(huán)境、溫度、材質(zhì)等因素影響,一般變化范圍較大。本項(xiàng)目為縮短調(diào)試時(shí)間,少走彎路,在考慮摩擦系數(shù)波動(dòng)及防滑要求的條件下,制定出各工況制動(dòng)參數(shù)調(diào)整范圍覽表(見表4),以方便調(diào)試時(shí)使用,實(shí)踐證明該表起到了很好的指導(dǎo)作用。

表4　各種工況制動(dòng)參數(shù)

由于制動(dòng)力矩倍數(shù)K有上限和下限要求,即有一個(gè)區(qū)間,對(duì)油壓站的油壓整定非常方便,同時(shí)也可保證提升機(jī)的防滑安全[4],調(diào)試時(shí)可參考表內(nèi)數(shù)值,根據(jù)調(diào)試時(shí)的實(shí)際情況,適當(dāng)調(diào)整油壓值,使提升機(jī)安全制動(dòng)時(shí),始終處在符合安全規(guī)程的區(qū)間內(nèi)。供貨商、設(shè)計(jì)單位及業(yè)主,進(jìn)行了近一個(gè)月的調(diào)試工作,反復(fù)商討后最終確定液壓站參數(shù)見表5。

表5　恒減速電液制動(dòng)控制裝置調(diào)試參數(shù)

4.3調(diào)試情況

3#豎井已于2010年12月組織有關(guān)專家進(jìn)行了竣工驗(yàn)收,各項(xiàng)主要指標(biāo)均達(dá)設(shè)計(jì)要求,如調(diào)試期間進(jìn)行了2天重載全速運(yùn)行,速度達(dá)設(shè)計(jì)最大值9.35 m/s,載人運(yùn)行速度6 m/s。但調(diào)試過程中也存在一些小問題,如：按3階段速度圖運(yùn)行減速度較大(0.6 m/s2),停車減速過程時(shí)間短,人員感覺不舒服；改為5階段速度圖運(yùn)行后,人員乘罐升降明顯感覺舒適。此外,1 228 m中段對(duì)罐控制誤差較大,后通過加裝停車開關(guān)解決了停罐誤差問題。

5　結(jié)束語

3#豎井提升是六苴礦區(qū)探礦措施深部開拓關(guān)鍵項(xiàng)目之一,它直接關(guān)系到礦山能否銜接及持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的大問題,起著聯(lián)系地面和井下的作用,而千米豎井系統(tǒng)在我國(guó)才剛剛起步,涉及許多技術(shù)難點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)使用并不普遍。通過4年多的運(yùn)行情況表明,該設(shè)計(jì)較好地解決了提升系統(tǒng)的主要技術(shù)問題,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,值得深入研究和開發(fā)應(yīng)用。

[1]于潤(rùn)滄.采礦工程師手冊(cè)（上）[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2009.

[2]盧赫.多繩提升機(jī)安裝與拖動(dòng)方式的合理選擇[J].礦山機(jī)械.1992（6）：14-16.

[3]《礦井提升機(jī)故障處理和技術(shù)改造》編委會(huì).礦井提升機(jī)故障處理和技術(shù)改造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]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.

Hoisting Design and Debugging Practice for Kilometer Shaft Ore Prospecting in Liuqie Mine Area

ZENG Qing rong
(China Nerin Engineering Co．,Ltd．,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper introduces type selection and main technical parameters of 3#shaft hoist in Liuqie mine area,and discusses some important issues,such as configuration of steel headgear,arrangement of hoist room,constant braking and application of lowspeed DC motor,and the paper finally outlines hoisting system’s determination of debugging parameters,debugging condition and design issues needs to be improved．

kilometer shaft;multi－rope hoist;constant braking;low－speed motor;debugging

TD53

B

1004－4345(2015)02－0004－05

2015－01－30

曾慶榮(1963—)，男,高級(jí)工程師,主要從事礦山機(jī)械工藝設(shè)計(jì)。