多绳摩擦式提升机换绳方法研究

王明甫

郑煤集团公司工程技术研究院 河南新郑 452300

矿井提升机是矿井提升运输系统的“咽喉”，属于矿山机械的四大固定设备之一。与单绳缠绕式提升机相比，多绳摩擦式提升机应用更广泛，其提升能力大，结构紧凑，质量相对较轻，适合中等深度的矿井提升。近年来随着我国地下矿产资源不断向深层扩展[1]，多绳摩擦式提升机在矿山上的应用越来越多[2]。

根据我国《煤矿安全规程》第 412 条规定[3]：多绳摩擦式提升机钢丝绳 (即主绳) 的报废标准为 2 a。因此对于主、副井均为多绳摩擦式提升机的矿井来说，平均每年需要换一次主绳。近年来，我国超千米深井逐渐增多，多绳摩擦式提升机系统参数也不断增大，多绳摩擦式提升机的主绳数量多为 4～6 根，钢丝绳质量大，给钢丝绳的更换工作增加了难度。换绳不规范容易造成扭绳、拧绳等问题，使新绳在使用前就已经受到损伤，给矿井带来安全隐患，严重时，甚至会引发安全事故，造成设备损坏和人员伤亡[4-5]。

1 多绳摩擦式提升系统配置及换绳存在的风险

多绳摩擦式提升机系统构成如图1、2 所示，钢丝绳搭放在摩擦轮上，钢丝绳的两端各悬挂一个提升容器 (或一端悬挂一个提升容器，另一端悬挂平衡锤)，电动机带动摩擦轮转动，通过摩擦轮上的摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来带动钢丝绳完成容器的提升或下放。

图1 井塔式多绳摩擦式提升机

图2 落地式多绳摩擦式提升机

多绳摩擦式提升机换绳的主要困难在于：钢丝绳一端的容器停在井口，另一端停在井底，两侧钢丝绳张力存在张力差，当钢丝绳从容器上断开后，井底容器上钢丝绳悬垂质量很大，而此时摩擦轮提供的摩擦力很小，无法阻止钢丝绳在摩擦轮上的滑动，如图3所示。此时有

图3 多绳摩擦式提升机摩擦轮两侧钢丝绳的张力差

式中：T2为容器在井底侧的钢丝绳受力，N；T1为容器在井口侧的钢丝绳受力，N；n为提升钢丝绳数量，根；m为提升钢丝绳单位质量，kg/m；g为重力加速度，取 9.81 kg/m2；H为提升高度，m。

2 钢丝绳更换方案

2.1 旧绳带新绳方案

在我国传统的多绳摩擦式提升机更换主绳钢丝绳方法主要有 2 种。

(1) 方案 1 基于新旧绳头相互连接的换绳法，该方法是在井口布置慢速绞车，将新主绳缠绕在慢速绞车上，新绳与在井口的旧绳对接，并拆开井下绳头，利用稳车将钢丝绳下放，回收旧绳。该换绳方案的劳动强度大，工作时间长，效率较低[6]。旧绳带新绳方案系统配置如图4 所示。

图4 旧绳带新绳方案系统配置

(2) 方案 2 基于新旧绳相互夹紧，用旧绳带新绳的换绳法[7]。

该方案比方案 1 效率高，目前应用较多，主要步骤为：①让一侧容器 (容器 A) 停在楔形环刚好露出上井口位置，在井口搭建作业平台；②卡固旧绳，以 0.5 m/s 的速度缓慢开动提升机，每隔一定距离，用长卡板将旧主绳卡在一起，并将容器 A 逐渐下放到井底；③在容器 B 上方将 2 根主绳在悬挂装置处截断，缓慢开动提升机，下放容器 B，并逐步拆除卡板，回收 2 根旧绳；④容器 A 回到井口后，将容器A 上方对应的 2 根旧绳截断，并在另一侧将新绳连接到截断的 2 根旧绳上；⑤提升机缓慢转动，旧绳带动新绳到达容器 A 上方；⑥回收旧绳，并将新绳安装到容器 A 上方；⑦容器 A 缓慢下放，每隔一定距离，用长卡板将旧主绳和新主绳卡在一起；⑧容器 B到达井口，将新绳安装于容器 B 上。如此反复，直到全部钢丝绳安装完毕。

该换绳方法的缺点是更换的提升主绳的重力由其余的主绳承担，每更换 2 根钢丝绳，需要在钢丝绳长度范围内拆装长卡板 2 次。工人需持续频繁地在井口平台进行操作，存在坠物等风险，且因提升系统参数不同，还可能出现滑绳、主绳安全系数不足等情况[8]。南非某矿配备的换绳车及钢丝绳夹紧提升装置(CLD) 如图5 所示，换绳车缠绳原理如图6 所示。

图5 南非某矿配备的换绳车及钢丝绳夹紧提升装置 (CLD)

图6 换绳车缠绳原理

2.2 国外换绳车方案

根据对国外矿山的调研，南非等国在深井多绳摩擦式提升系统中配备了专业的钢丝绳操作系统，用来更换钢丝绳，比较有代表性的是某公司的换绳车方案。换绳车方案系统配置如图7 所示。

图7 换绳车方案系统配置

国外换绳车方案的主要操作步骤：①将一侧容器 (容器 A) 固定在井口，将另一侧容器 (容器 B) 下的尾绳拆下，固定于井下的横梁上；②用钢丝绳夹紧提升装置 (CLD)，将容器 B 提升一小段距离，将容器 A上方的钢丝绳割断；③安装换绳导向轮，通过导向轮将钢丝绳拉到空钢丝绳卷上；④开动换绳车，带动旧钢丝绳，将容器 B 从井下提到井口，并用横梁固定在井口；⑤将主绳从容器 B 上取下，开动缠有细钢丝绳的小绞车，将细钢丝绳连接到主绳上，换绳车继续开动，将主绳全部缠到钢丝绳卷上，牵引细钢丝绳过换绳车；⑥新钢丝绳卷就位，将新钢丝绳连接到细钢丝绳上，用细钢丝绳将新钢丝绳缠过换绳车，并拉过天轮，拉到容器 B 上方并缠绕到容器 B 上；⑦ 开动换绳车带动新钢丝绳将容器 B 下放到井底，用钢丝绳夹紧提升装置 (CLD) 锁住钢丝绳；⑧容器 B 安装上尾绳，换绳结束。

国外换绳车方案的优点：用换绳车和钢丝绳夹紧提升装置 (CLD) 来承受钢丝绳悬垂在井筒中的重力，而且摩擦绞车一次就可以把钢丝绳和容器从井筒中提起或者下放，操作效率高，人员暴露在危险位置的时间短。

2.3 国内换绳车方案

国内换绳车方案系统配置如图8 所示。

图8 国内换绳车方案系统配置

近年来国内学者和企业也对多绳摩擦式提升机的钢丝绳更换装备进行了一系列的研发工作，并取得了一些成效。其中比较有代表性的是某公司的 SMART-70 型机械换绳车方案。

使用该换绳方案的主要步骤为：①各装置就位，一侧容器 (容器 A) 位于井口，另一侧容器 (容器 B) 位于井底，将容器 B 上提，使容器 A 上的钢丝绳松弛；②2 根新绳穿过换绳车，向上牵引，并与旧绳连接，然后切断井口容器 A 上的旧绳，把旧绳折向换绳车；③牵引旧绳，将新绳头通过天轮和提升机到达容器A，并安装在容器 A 上；④ 将旧绳放下，并穿过换绳车至收绳绞车；⑤ 开动提升机，换绳车随动，放新绳的同时下放容器 A，并提升容器 B，回收 2 根旧绳；⑥ 容器 B 运行到井口以后，将其上的旧绳取下，并安装新绳，2 根钢丝绳更换完毕。如此往复，直到所有钢丝绳更换完毕[9]。

采用该换绳方案，由换绳车承受钢丝绳和容器悬垂在井筒中的重力，但一次只能更换 2 根钢丝绳，在钢丝绳根数较多时，更换效率略低于国外换绳车方案。

3 方案的应用情况及对比分析

目前，这几种典型的换绳方案在矿山上均有应用。笔者根据调研和相关资料，统计了这 3 种换绳方案的钢丝绳更换时间，如表1 所列。对这些方案的优缺点进行了比对分析，如表2 所列。

表1 换绳方案及应用情况

表2 换绳方案对比

4 结语

随着我国矿山开采深度的不断加深，多绳摩擦式提升机因其结构紧凑、质量较轻、提升能力大、效率高等特点，在我国矿山上的应用也越来越多。笔者对目前较典型的 3 种换绳方案进行了分析。采用传统的旧绳带新绳更换方法时，系统存在滑绳及安全系数超标的风险，同时需要频繁在井口上方操作，安装和拆卸夹板风险大、效率低。而采用专用机械式钢丝绳更换方法，工人劳动强度小，在井口操作时间短，安全性高，并且可以有效地缩短钢丝绳更换时间。