矿井提升系统安全事故分析及其防治措施

上述振动特性可用图1.3-3表示： （a）起动加速的时间为基波振动周期的20倍，初加速时间为基波振动周期的0.25倍

（b）起动加速的时间为基波振动周期的20倍，初加速时间为基波振动周期的1倍

图1.3-3 梯形加速度响应曲线

显然，在起动加速或制动减速的变加/减速时间t1 =T1（基波振动周期）时，系统的弹性振动消失了，这样不仅大大降低了提升钢丝绳的动张力、提高下井人员的乘座舒适度、保证提升容器准确停车，而且可以在提升机加、减速阶段减小有功冲击和无功冲击，改善电网的供电质量，限制电动机的电枢电流上升率，降低电动机的温升。

为了限制提升系统的起动冲击，有效地限制或消除提升钢丝绳的弹性振动，研究发现采用正弦形、抛物线形和三角形加速度控制曲线，也可取得较好的冲击限制特性。

1.3.5 抛物线形、正弦形、三角形加速度和速度控制曲线

抛物线形、正弦形、三角形加速度和速度控制曲线如图1.3-4。

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（a）各种加速度曲线汇总 （b）抛物线形、正弦形、三角形速度曲线汇总

图1.3-4 抛物线形、正弦形、三角形加速度和速度曲线

当然，提升系统的振动模型可用连续弹性体方程建立，详见《多绳摩擦提升系统动力学研究与工程设计》，限于篇幅，不再赘述。 1.4 提升机松绳时钢丝绳的张力计算

1.4.1 提升重载时紧急制动并松绳的钢丝绳张力计算

下面以斜井提升为例进行分析：对于矿车以速度V匀速上提，提升机突然紧急制动，如果制动力过大，假设提升机和钢丝绳瞬间停止，钢丝绳松绳后矿车仍依靠惯性，继续向上移动距离H?V2/2g(sin??f1cos?)。

当矿车停止向上运动并在重力作用下迅速下滑时，便产生动力冲击，使钢丝绳发生振动。用“能量法”求解钢丝绳此时的最大动变形δ动max和绳端的总张力Smax。

图1.4-1 提升过程中重载松绳长度为H时绳端矿车振动示意图

矿车向下滑行，从开始到结束移动距离为H+δ动max，由机械能守恒，可以列出方程：

1mg?H+?动max??sin??f1cos???c?2动max2 （1-23）

化简式（1-32）可得：

??mg（sin??f1cos?）2EAH???动max?1?1??CmgL1(sin??f1cos?)???

（1-24）

变换式（1-33）并化简可得钢丝绳的冲击力为：

??2EAH?Smax?mg(sin??f1cos?)?1?1??mgL1(sin??f1cos?)??? （1-25）

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或：

2?EAVSmax?mg(sin??f1cos?)?1?1?22?mgL(sin??fcos?)11????? （1-26）

由式（1-25）可以看出，松绳距离越大，钢丝绳的冲击力越大；矿车距提升

机的距离L1越短，钢丝绳的冲击力越大。

由式（1-26）可以看出，提升速度V越大，钢丝绳的冲击力越大；矿车距提升机的距离L1越短，钢丝绳的冲击力越大。

目前国内在斜井提升中，因松绳引起的钢丝绳断绳事故很多，其主要原因是：在上提重载时发生紧急制动，若制动减速度大于自然加速度，必然引起松绳。矿车连同载荷对钢丝绳施加冲击力，可能产生两种结果：一种是冲击力小于钢丝绳破断力，这发生在钢丝绳松绳长度较小或冲击点距离提升机滚筒较远的情况，会引起钢丝绳较大的振动，提升系统承受较大的动载荷，使被冲击的零部件寿命缩短。另一种时冲击力大于钢丝绳破断力，钢丝绳断裂，大多发生在松绳长度较大、冲击点距离提升机滚筒较近的情况下。特别是因磨损、锈蚀、疲劳而降低抗冲击能力的钢丝绳，更容易断裂。

因此，在进行斜井提升设计时，必须保证选择的提升速度小于《规程》规定的最大值，特别是在提升大件时尽可能采用低速运行，可增加系统的安全可靠性；合理设置井口车场起坡点位置与提升机滚筒间的距离，合理配置控制系统和液压制动系统（如使用恒减速液压站），可以防止紧急制动时钢丝绳的断裂或破坏。

对于立井提升，设松绳距离为H，则钢丝绳张力计算式为：

?2EAH???Smax?mg?1?1?mgL1??? （1-27）

由式（1-27）可以看出，松绳距离越大，钢丝绳的冲击力越大；提升容器距提升机的距离L1越短，钢丝绳的冲击力越大。

断绳实例计算：某矿主井发生断绳跑车事故。该井位斜井串车提升，井筒倾角14°，地面栈桥倾角7°20′。提升机型号为XKT2×3×1.5B-20。使用钢丝绳为32NAT6×7-155型钢丝绳，钢丝绳长度2000m，提升速度4.6m/s。发生事故时滚筒外露钢丝绳长度58.9m，每次提升14辆矿车，每辆矿车（包括煤）质量1850kg，天轮直径1.5m。

该矿正常提升，当矿车刚出井口门进入栈桥时，安全回路发生故障而紧急制动，产生松绳现象，钢丝绳受矿车冲击而断裂，造成跑车事故。此时钢丝绳直径为30mm，事故后取样试验的钢丝绳破断力为416kN。下面对该系统进行冲击力计算。

（1） 容器在栈桥处的自然减速度及滑行距离

自然减速度ac=g(sinθ+fcosθ)=1.34 m/s2 滑行距离 Sc=V2/2ac=8.88m

式中 V—— 提升速度4.88m/s。

（2） 提升机上提矿车直栈桥处的紧急制动减速度、制动距离、松绳距离

M?Mj1紧急制动减速度 az1?z?2.49m/s2

?mRx式中 Mz—— 制动力矩225000Nm；

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Mj1—— 静力矩54826Nm；

∑m—— 提升系统变位质量71082kg； Rx—— 滚筒缠绕半径1.58m。 制动距离 Sz=V2/2az1=4.78m 松绳距离 H=Sc-Sz=4.1m （3） 冲击力计算

??2C1H??445kN Smax?mg?sin??f1cos???1?1??mg(sin??f1cos?)???式中 E—— 钢丝绳弹性模数1.035×105MPa；

A—— 钢丝绳截面积404mm；

L1—— 事故时提升机距矿车的钢丝绳长度58.9m； f1—— 阻力系数0.01。 计算结果表明，冲击力445kN大于钢丝绳破断力416kN，所以发生断绳事故。 因此，在进行斜井提升设计时，必须保证选择的提升速度小于《规程》规定的最大值，特别是在提升大件时尽可能采用低速运行，可增加系统的安全可靠性；合理设置井口车场起坡点位置与提升机滚筒间的距离，合理配置控制系统和液压制动系统，如采用恒减速液压制动系统，可以有效减小紧急制动减速度，防止紧急制动时钢丝绳的松绳，进而防止钢丝绳的断裂或破坏。

1.4.2 提升机下放重载过放钢丝绳时的张力计算

开始下放重物时，如果提升机运转速度过大，超过井口推车机的运行速度，这时会过放钢丝绳而造成松绳冲击载荷，产生动应力作用。

设矿车由井口车场进入井筒的初速度为V始，松绳长度为H，根据机械能守恒定律，列方程：

112C1fd2max?mg?H?fdmax??sin??f1cos???mV始 （1-28）22

解方程得：

2?CVmg(sin??f1cos?)?2CH1始??1（1-29） fdmax?1?1??22??C1mg(sin??f1cos?)mg(sin??f1cos?)??钢丝绳的最大动张力为：

2??C1V始2C1H??（1-30） Smax?mg(sin??f1cos?)1?1??22??mg(sin??f1cos?)mg(sin??f1cos?)??注意的问题：推车机和提升机的速度配合。 1.5 钢丝绳断绳防治措施

（1） 合理选择钢丝绳的安全系数。

（2） 合理选择提升机直径与钢丝绳直径的比值。

（3） 合理选择钢丝绳的润滑方式、润滑油和镀锌厚度，有效防治钢丝绳锈蚀。

（4） 合理设计提升系统，例如控制摩擦轮与导向轮间的距离，减小钢丝绳弯曲损坏。

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