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1、矿井提升系统安全事故分析及其防治措施35目 录矿井提升系统的安全事故分析及防治措施01 钢丝绳断裂事故分析及防治01.1 断绳的类型01.2 竖井提升钢丝绳工作载荷分析11.2.1 拉伸与扭转应力11.2.2 弯曲应力31.2.3 接触应力41.2.4 摩擦轮提升钢丝绳的旋向和捻距变化41.3 矿井提升系统的冲击限制理论51.3.1 提升系统二自由度数学模型建立51.3.2 提升系统二自由度振动分析61.3.3 提升容器的加速度动态响应计算71.3.4 钢丝绳动张力计算81.3.5 抛物线形、正弦形、三角形加速度和速度控制曲线91.4 提升机松绳时钢丝绳的张力计算101.4.1 提升重载时紧急
2、制动并松绳的钢丝绳张力计算101.4.2 提升机下放重载过放钢丝绳时的张力计算121.5 钢丝绳断绳防治措施122 提升机运行中的卡罐事故分析及防治132.1 提升机卡罐的原因132.2 卡罐时振动振动方程的建立132.3 提升容器突然卡住时的二自由度振动特性分析142.4 提升容器突然卡住时的二自由度钢丝绳动张力计算142.5 卡罐的防治措施153 提升机过卷蹾罐事故分析及防治163.1 提升机过卷和过放（蹾罐）的原因163.2 过卷时的动力学方程建立163.3 过卷时的动力学方程求解173.4 提升机过卷和过放（蹾罐）的防治措施174 提升机跑车事故分析及防治184.1 提升机跑车（蹾罐）
3、的原因184.2 防止跑车的措施185 摩擦轮提升的滑绳（传动失效）事故分析及防治195.1 钢丝绳滑绳的原因195.2 摩擦轮提升的滑动特性分析195.2.1 提升重载紧急制动时钢丝绳打滑情况215.2.2 空运行紧急制动时钢丝绳打滑情况225.2.3 下放重载紧急制动时钢丝绳打滑情况225.3 防滑安全计算235.3.1 基本参数计算235.3.2 极限减速度计算255.3.3 安全制动力计算275.3.4 安全制动减速度计算275.4 考虑钢丝绳弹性振动时极限减速度的计算285.4.1 下放重载的防滑特性285.4.2 提升重载的防滑特性295.4.3 空运行的防滑特性305.5 防止摩
4、擦提升打滑的措施306 提升机断轴事故分析及防治316.1 提升机断轴事故原因316.2 防止提升机断轴的措施317 其它事故防治31矿井提升系统的安全事故分析及防治措施矿井提升是矿井生产的关键环节，它不仅关系到矿井的正常生产，而且也影响矿井工人的生命安全。因此，总结矿井提升过去已经发生的安全事故，可以进一步提高提升系统的安全可靠性。提升系统的主要安全事故有断绳、过卷蹾罐、卡罐、溜罐跑车、滑绳、断轴、维修操作和电气故障等事故，经过对国内提升事故的分析、统计，断绳事故最多，约占总数的29.6%，过卷蹾罐次之，约占总数的26.7%，溜罐跑车事故约占7%。1 钢丝绳断裂事故分析及防治提升钢丝绳是提升
5、系统的一个重要组成部分，煤矿安全规程（以下简称规程）对矿井提升钢丝绳有专门规定。近年来，尽管矿井设计和生产按照规程的要求加强了提升钢丝绳的检查和保养，但是，仍然有断绳事故发生。1.1 断绳的类型钢丝绳断绳事故主要原因是：松绳、跑车、过卷、钢丝绳强度降低、卡罐、操作失误等。（1） 松绳断绳：由于煤仓满仓或其它原因造成容器在卸载位置被卡住而继续下放容器，引起松绳，待卡容器原因消失后，容器自由落体迅速下降而冲击钢丝绳导致断绳。或斜井提升紧急制动减速带大于自然减速度，或下放侧过放钢丝绳造成松绳和断绳。 （2） 过卷断绳：提升容器在减速阶段不能按规定进行减速，而是以全速运行冲击、并且木罐道没有起到有效制
6、动，提升机直接碰撞防撞梁，导致钢丝绳断裂。 （3） 扭转断绳：随着提升长度增加，钢丝绳的扭转造成钢丝绳内股与丝间的受力发生变化，其最大差值约为24倍，这样外层钢丝很快出现断丝现象而损坏。 （4） 锈蚀断绳：提升钢丝绳受淋水、潮湿和酸性气体、杂散电流等作用，会出现应力集中，产生疲劳，金属变脆，钢丝绳抗拉强度和抗冲击强度降低。锈蚀也是造成平衡尾绳断裂的主要原因。 （5）疲劳断绳：提升钢丝绳在摩擦轮、天轮（导向轮）处的弯曲，产生弯曲应力及运行过程中摩擦轮上的离心应力和扭转等作用，而产生疲劳，拉伸损坏。长时间的反复弯曲，使钢丝绳疲劳强度降低。实践证明，反复弯曲对钢丝寿命影响较大。主井每天提升次数远多于
7、副井，因此，提升钢丝绳弯曲次数多，易疲劳，这也是主井提升钢丝绳寿命明显低于副井的重要原因。 （6）冲击和振动：提升钢丝绳在使用中经常承受各种冲击和振动，主要有以下几种：松绳引起的冲击。松绳后，提升容器又自动下落，钢丝绳往往要遭受过大的冲击力。松绳长度越长，绳端载荷越大，则钢丝绳所受的冲击力也就越大。过卷造成的冲击。提升容器高速过卷时，常会撞坏防撞梁，同时提升钢丝绳也要承受很大的冲击力。钢丝绳运动产生的振动。井筒不直、罐道弯曲、罐道接头不好、罐耳与罐道间隙过大、箕斗井下装载水平使用托罐梁等都会对钢丝绳产生很大的冲击和振动。紧急停车时，减速度过大造成的冲击和振动。在冲击力大于钢丝绳的强度时造成断绳
8、。1.2 竖井提升钢丝绳工作载荷分析矿井提升的主要承载元件是提升钢丝绳，提升钢丝绳在工作过程中会经受各种载荷的作用，例如拉伸、扭转、弯曲、接触应力以及动载荷等。1.2.1 拉伸与扭转应力由于提升钢丝绳是由许多螺旋要素（钢丝或绳股）组成的复杂构件，在张力作用下，这些螺旋要素相互作用产生内力，这些内力可分解为与钢丝绳轴线平行的轴向分力和垂直于钢丝绳轴线的径向分力，而径向分力就使绳股或钢丝绳产生扭转。也就是说钢丝绳在受到拉力作用时同时产生扭转，即钢丝绳的拉伸与扭转是同时发生的。 图1.2-1 钢丝绳在绳端载荷作用下的拉伸根据前苏联M.格卢什科的研究结果：根据单根钢丝弹性变形位能方程，在不考虑横向力所
9、做的功时，在绳端载荷和钢丝绳质量作用下，钢丝绳中的各螺旋要素相应地作用有内力。这些内力可分解为与钢丝绳轴线平行的轴向分力Px和垂直子钢丝绳轴线的径向分力Py，而Py即成为使绳股或钢丝扭转的扭力（或扭力矩Lx）。轴向力Px和扭转力矩Lx的偏导数等于钢丝绳中钢丝的纵向位移u和角位移v。假定在钢丝绳的每一横截面中，所有钢丝的弹性长度获得同样的纵向位移u 和扭转角v, 则可获得同样的纵向应变和扭转应变。这样，可以得出悬垂钢丝绳在拉伸和扭转时的静力学综合方程： （1-1）式中 钢丝绳的纵向应变，；钢丝绳的扭转应变，；A钢丝绳的纵向刚度；B钢丝绳的扭转刚度；C钢丝绳的扭转影响系数。结合立井提升的实际情况，
10、式（1-1）可写为： （1-2）其边界条件：由于提升容器（箕斗或罐笼）是在罐道中运行，所以提升钢丝绳最低末端（x=L）有：T(L)=Q,v(L)=0而在提升钢丝绳的上面末端（x=0）有：u(0)=v(0)=0求解方程（1-2）可得钢丝绳的纵向应变和扭转应变： （1-3）式中 钢丝绳柔性的判定值，=AB-C2。为便于分析，令：方程（1-3）便可改写为： （1-4）将式（1-4）代入式（1-2）可得，提升钢丝绳中的扭转力矩为： （1-5）但从公式（1-5）又看到，扭转力矩与提升容器的总质量和钢丝绳质量有关。钢丝绳的纵向应变和扭转应变图，表示于图1.2-2。 图1.2-2 矿井提升钢丝绳的变形根据这
11、些图形作以下几点分析：(1)根据线型法则，钢丝绳的扭转应变在悬垂线的中部为零，最大值在两个端部。即：上述情况也可如下描述：对于水平放置的钢丝绳在钢丝绳两端的拉力作用下，钢丝绳个捻距的变形是一样的。但对于提升钢丝绳，由于钢丝绳质量的影响，在绳端载荷作用下，钢丝绳各捻距的变形各不相同，下部捻距变形短，上部捻距变形大。对于摩擦轮提升钢丝绳，相当于在钢丝绳中部增加了一个顺捻的扭转，其结果是提升的钢丝绳上部出现松捻（捻距变大），下部出现紧捻（捻距变小）。冬瓜山铜矿在防撞梁平台上测量的结果是提升侧405mm，下放侧305mm。 (2)钢丝绳的纵向应变在最上部截面处为最大，即 x=O 时 , 在最下部截面，
12、当 x=L 时：由此可见，当钢丝绳纵向变形条件一定时，在它的最低末端的纵向应变有可能是负的或等于零。因此，在悬垂钢丝绳的最低末端，尽管存在有终端载荷，但仍然有可能经受相对缩短。其原因是：在悬垂钢丝绳下面的一半由于重物引起的钢丝绳相对伸长和由于扭转引起的相对缩短迭在一起，缩短可能大于伸长。徐州矿务局多个深井矿井提升钢丝绳在使用一段时间后钢丝绳缩短，缩短的长度一般为1.52m。资料显示：对摩擦提升在井深超过800-900m，钢丝绳的扭转是钢丝绳损坏的主要原因。例如，国外有人曾对三角股钢丝绳进行试验，在井深为700m时使用寿命平均为2年，而在井深超过800-900m时其寿命降低一半。1.2.2 弯曲
13、应力 对于缠绕式轮提升，钢丝绳在滚筒上受到弯曲、挤压和接触应力。对于摩擦轮提升，钢丝绳在围包弧内弯曲时，受到弯曲和接触载荷。钢丝绳在摩擦轮上弯曲时，与材料力学中的弯曲梁一样，也存在有中性轴的概念（即钢丝绳的中心轴线）。这样，在钢丝绳移动时，它的螺旋要素（钢丝或绳股）时而成为凹形，时而成为凸形通过摩擦轮（如图1.2-3）：图1.2-3 钢丝绳过摩擦轮时的弯曲在一个捻距长度内，一半为凹形，一半为凸形。凹形部分经受压缩，凸形部分经受拉伸。于是单根钢丝在半个捻距内（图1.2-3中的 BA 段和 BC 段）发生位移， 从压缩区移向拉伸区。但是绳内钢丝因弯曲和原有张力的作用，相互压紧产生摩擦力，阻止这种位
14、移。为了克服摩擦力使钢丝能自由移动，并在一个捻距内相互找平，而需要加大钢丝的张力，与钢丝原有张力之差称为附加张力，由此引起的应力称为附加拉应力。由于钢丝在绳中所处的位置不同，弯曲时位移的大小也不相等，或者是获得的附加张力不相等，这样使得钢丝绳中各钢丝的拉应力重新分布。对于塔式摩擦轮提升，安装有导向轮。提升钢丝绳在经过摩擦轮的弯曲、收缩变形后，在导向轮处要立即承受反向弯曲，这样在变向应力的作用下，钢丝绳的弯曲损坏比单向弯曲破坏的更快。这就是提升钢丝绳在提升过程中的拉伸、扭转和弯曲的基本受力情况。1.2.3 接触应力发生在钢丝绳中的接触应力分为以下几类：(1)由单股内部钢丝之间的压力引起的应力；(2)由股之间的挤压引起的应力；(3)钢丝绳与摩擦轮绳槽或导向轮绳槽之间的接触应力引起的应力。接触应力引起单根钢丝绳的磨损和疲劳破坏，完全消除接触应力是不可能的，但是选用比较优良的钢丝绳结构和改善钢丝绳的工作条件，可以减小接触应力。选用线接触或面接触股的钢丝绳，可以大大减小由钢丝之间的挤压引起的应力。严格控制绳芯直径的大小，使各股之间具有
