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1、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
2、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 钢丝绳断裂事故分析及防治 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 道没有起到有效制动，提升机直接碰撞防撞梁， 导致钢丝绳断裂。1 钢丝绳
3、断裂事故分析及防治 （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。1 钢丝绳断裂事故分析及防治 （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
4、大。 主井每天提升次数远多于副井，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。1 钢丝绳断裂事故分析及防治 （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
5、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。1 钢丝绳断裂事故分析及防治 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 钢丝绳断裂事故分析及防治 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
6、扭 转，即钢丝绳的拉伸与扭转是同时发生的。1 钢丝绳断裂事故分析及防治 1.2.1 拉伸与扭转应力1 钢丝绳断裂事故分析及防治 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。1 钢丝绳断裂事故分析及防治 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
7、和扭转应变图 1 钢丝绳断裂事故分析及防治 (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。 1 钢丝绳断裂事故分析及防治 (2
8、)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，当 x=L 时： 1 钢丝绳断裂事故分析及防治 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。1 钢丝绳断裂事故分析及防治 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
9、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 钢丝绳断裂事故分析及防治 1.2.2 弯曲应力 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： 1 钢丝绳断裂事故分析及防治 钢丝绳过摩擦轮时的弯曲 1 钢丝绳断裂事故分析及防治
10、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。1 钢丝绳断裂事故分析及防治 对于塔式摩擦轮提升，安装有导向轮。提 升钢丝绳在
11、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 钢丝绳断裂事故分析及防治 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。1 钢丝绳断裂事故分析
12、及防治 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 必要的间隙，这样可避免或减小股之间的 挤压引起的应力。 此外，在提升和下放过程中，由于钢丝绳 的运动过程中正常加速、减速及紧急制动 ，还将产生很大的动载荷。在提升容器的 装、卸载过程中，由于载荷变化也会产生 动载荷。1.3 提升钢丝绳动力学特性分析 1.3.1 提升系统二自由度数学模型建立 为了简化计算且能较好地反映摩擦提升系 统的振动特点，摩擦式提升系统可简化为 二自由度数学模型。1.4 提升机松绳时钢丝绳的张力 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
13、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: 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动max和绳端 的总张力Smax。1.4 提升机松绳时钢丝绳的张力 提升过程中重载松绳长度为H时绳端矿车振动示 意图 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。 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。1.4 提升机松绳时钢丝绳的张力 目前国内在斜井提升中，因松绳引起的钢丝绳断
14、 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。1.4 提升机松绳时钢丝绳的张力 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
15、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。1.4 提升机松绳时钢丝绳的张力 对于立井提升，设松绳距离为H，则钢丝绳 张力计算式为： 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。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。
16、（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。1.5 钢丝绳断绳防治措施 （5） 合理选择钢丝绳结构，特别是深井提 升，应选择稳定性较好的钢丝绳。减小钢 丝绳拉伸和扭转应力，提高钢丝绳寿命。 有资料显示：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。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 ，在井深超过800900m时其寿命降低一 半。所以多采用园股交互捻钢丝绳或不旋 转钢丝绳。1.5 钢丝绳断绳防治措施 （6） 均衡钢丝绳的拉伸、扭转和弯曲寿命，延 长钢丝绳使用寿命。国外资料表明钢丝绳的拉伸 、扭转和弯曲寿命公式为：
