提升設(shè)備選型設(shè)計

第七節(jié)礦井提升設(shè)備的選擇計算

礦井提升設(shè)備的選擇計算是否經(jīng)濟合理，對礦山的基本建設(shè)投資、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率及噸煤成本都有直接的影響。因此，在進(jìn)行提升設(shè)備選擇計算時，首先確定提升方式，在確定提升方式時要考慮下列各點：一、提升機選擇原則與計算內(nèi)容（一）選擇的一般原則對于年產(chǎn)量30萬噸以下的小型礦井，可采用一套罐籠提升設(shè)備，使其完成全部主、副井提升任務(wù)是最經(jīng)濟的，也有采用兩套罐籠設(shè)備的。對于180萬噸的大型礦井，有時主井需要采用兩套箕斗同時工作才能完成生產(chǎn)任務(wù)。副井除配備一套罐籠設(shè)備外，多數(shù)尚需設(shè)置一套單容器平衡錘提升方式，提升矸石。

1）對于年產(chǎn)量大于60萬噸的大中型礦井，由于提升煤炭和輔助提升任務(wù)較大，一般均設(shè)主井、副井兩套提升設(shè)備。因為箕斗提升能力大、運轉(zhuǎn)費用較低、又易于實現(xiàn)自動化控制，一般情況主井均采用箕斗提升煤炭，副井采用罐籠提升矸石、升降人員和下放材料設(shè)備等輔助提升。

2）對于同時開采煤的品種在兩種及以上并要求不同品種的煤分別外運的大、中型礦井，則應(yīng)考慮采用罐籠提升方式作為主井提升。對煤的塊度要求較高的大、中型礦井，由于箕斗提升對煤的破碎較大，也要考慮采用罐籠作為主井提升。當(dāng)?shù)孛嫔a(chǎn)系統(tǒng)靠近井口時，采用箕斗提升可以簡化煤的生產(chǎn)流程；若距離井口較遠(yuǎn)，尚需一段窄軌鐵路運輸時，采用罐籠提升地面生產(chǎn)系統(tǒng)較為簡單。

3）中等以上礦井，主井一般都采用雙容器提升，對于多水平同時開采的礦井（特別是采用摩擦提升機）可采用平衡錘單容器提升方式。對于中、小型礦井，一般采用單繩纏繞式提升系統(tǒng)為宜。對于年產(chǎn)量大于90萬噸的大型礦井，可采用摩擦提升系統(tǒng)；對于中型礦井井筒較淺時，可采用單繩纏繞提升系統(tǒng)，井筒較深時可采用摩擦提升系統(tǒng)，或主井采用單繩箕斗，副井采用多繩罐籠。

4）礦井若有兩個水平，且分前后期開采時，提升機、井架等大型固定設(shè)備要按照最終水平選擇。提升容器、鋼絲繩和提升電動機根據(jù)實際情況也可以按照第一水平選擇，待井筒延深至第二水平時，再更換，但電動機以換裝一次為宜。對于新礦井如沒有什么特殊要求，可參照《定型成套設(shè)備》的規(guī)定確定提升方式，并盡量選用定型設(shè)備。但因各個礦井具體情況不同，副井提升量也不一致，因此，可結(jié)合具體條件計算、選擇，或驗算選用的定型成套設(shè)備?！抖ㄐ统商自O(shè)備》中未規(guī)定的如鋼絲繩、提升機與井筒相對位置、生產(chǎn)能力與耗電量等也要計算。（二）選型設(shè)計的主要內(nèi)容1、設(shè)計依據(jù)對于主井提升：（1）礦井年產(chǎn)量An（T/a）；（2）工作制度：年工作日數(shù)(300d)、日工作小時數(shù)(14h)；（3）礦井開采水平數(shù)，各水平井深(HS,m)，及各水平服務(wù)年限；（4）卸載水平與井口的高差(HX)；底卸式箕斗：HX

=15~25m

普通罐籠：HX

=0~15m（二）選型設(shè)計的主要內(nèi)容1、設(shè)計依據(jù)對于主井提升：（5）裝載水平與井下運輸水平的高差(HX)

；

底卸式箕斗：Hz

=18~25m

普通罐籠：Hz

=0m（6）井筒尺寸、井筒中布置的提升設(shè)備套數(shù)、井筒附近地形圖；（7）散煤密度（噸/米3）。（8）提升方式：箕斗或罐籠。（9）礦井電壓等級。對于副井提升：（1）矸石年提升量：一般取煤產(chǎn)量的15～20%，最大班出矸量按日出矸量的50%計算，矸石密度（噸/米3）；（2）各水平井深，及各水平服務(wù)年限；（3）最大班下井人員數(shù)目（人/班）；（4）每班下井材料、設(shè)備、炸藥數(shù)目（次/班）運送最大設(shè)備質(zhì)量（kg）；（5）井筒尺寸、井筒中布置的提升設(shè)備套數(shù)、井上下車場布置形式、井筒附近地形圖；（6）提升罐籠的型式、規(guī)格、罐籠的質(zhì)量（kg），礦車規(guī)格。2、設(shè)計的主要內(nèi)容（1）計算并選擇提升容器（2）計算并選擇提升鋼絲繩（3）計算并選擇提升機（4）提升電動機的預(yù)選（5）提升機與井筒的相對位置（6）運動學(xué)、動力學(xué)計算（7）電動機功率的驗算（8）計算噸煤電耗（對于主井提升）（9）制定最大班作業(yè)時間平衡表（對于副井）二、選擇計算步驟（一）提升容器的選擇提升容器的容量要按提升任務(wù)的大小來確定。如有幾種容器都滿足時，則要考慮其經(jīng)濟效果。從降低初期投資看，應(yīng)選擇容量較小的提升容器；從節(jié)省運轉(zhuǎn)費用的觀點出發(fā)，選擇容量較大的容器較好。為解決上述矛盾，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟比較，并考慮礦井將來的發(fā)展，選擇出合理的方案。一般認(rèn)為，在不加大提升機及井筒直徑的前提下，選擇較大容積的提升容器，采用較低的提升速度，節(jié)省電耗，比較經(jīng)濟合理。二、選擇計算步驟（一）提升容器的選擇1、確定合理提升速度目前，我國煤礦設(shè)計部門在選擇提升容器時，一般都采用經(jīng)濟速度法。常用的經(jīng)濟提升速度為：式中：Vj——經(jīng)濟提升速度，m／s；

H——提升高度，m。一般情況下，取中間值進(jìn)行設(shè)計，即:二、選擇計算步驟（一）提升容器的選擇1、確定合理提升速度對于箕斗提升：式中：HS——礦井深度，m；

Hx——卸載水平與井口的高度差，m；

Hz——裝載水平與井下勻速水平的高度差，m。式中：a1——提升加速度；在以下范圍內(nèi)選取：升降物料時：a1≤0.8（m/s2），升降人員時：a1≤0.75（m/s2），t/——容器減速與爬行的估算附加時間；對于箕斗：t/=10s；對于罐籠t/：=5s；θ——休止時間。，s（一）提升容器的選擇

2、經(jīng)濟提升時間普通罐籠進(jìn)出材料車、平板車休止時間為40～60s。單層罐籠每次升降5人及以下時，其休止時間為20s，超過5人每增加1人增加1s。雙層罐籠升降人員，如兩層中的人員可同時進(jìn)出罐籠時，休止時間比單層罐籠增加2s信號聯(lián)系時間，但人員由一個水平進(jìn)出時，休止時間比單層罐籠增加一倍，如表一，另增加6s換置罐籠時間；表一普通罐籠進(jìn)出礦車休止時間（s）罐籠型式單層裝車罐籠雙層裝車罐籠進(jìn)出車方式兩側(cè)進(jìn)出車同側(cè)進(jìn)出車一個水平進(jìn)出車兩層同時進(jìn)出車每層礦車數(shù)1211212礦車規(guī)格1

1.53休止時間（s）12131515

17

-35

-

-30

32

3636

40

-17

18

2020

22

-表二箕斗休止時間箕斗規(guī)格6噸以下8～9噸12噸16噸20噸休止時間（s）810121620一次提升量估算：式中：c——提升工作不均衡系數(shù)；有井底煤倉時，c=1.1～1.15，無井底煤倉時，c=1.2，當(dāng)?shù)V井有兩套提升設(shè)備時，c=1.15，只有一套提升設(shè)備時，c=1.25；af——提升能力富裕系數(shù)，對第一水平一般為1.2；br——一年工作日，一般為300（日）；t——一日工作時數(shù)，一般為14h。根據(jù)mj值在箕斗規(guī)格表中，選取標(biāo)準(zhǔn)箕斗容量m。選箕斗時，應(yīng)在不增大提升機，及井筒直徑的前提下，盡量采用大容量箕斗，以降低提升速度、節(jié)省電耗。若采用罐籠應(yīng)按礦車規(guī)格選擇。根據(jù)計算出的一次合理經(jīng)濟提升量mj，如果是箕斗提升，便可在箕斗規(guī)格表中選取較接近的標(biāo)準(zhǔn)箕斗，被選用的箕斗載貨量一般應(yīng)大于或等于mj.

根據(jù)選出的箕斗型號計算一次提升循環(huán)所需的時間為式中m——所選出的標(biāo)準(zhǔn)箕斗的一次提升實際載貨量，t。其值為箕斗的容積與貨載密度的乘積。按前式可得上式以v為未知數(shù)求解一元二次方程，其合理的提升速度為

V1是選擇提升機標(biāo)準(zhǔn)速度的一個依據(jù)，按V1在提升機技術(shù)性能表中選用相近的標(biāo)準(zhǔn)速度。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：立井中用罐籠升降人員的最大速度Vm不得超過規(guī)定的數(shù)值,即：(V1=0.5H1/2);若升降物料，最大速度Vm=0.6H1/2。普通罐籠的選擇，除了應(yīng)和礦井運輸采用的車輛規(guī)格相適應(yīng)外，還應(yīng)結(jié)合下列因素來確定:(1)當(dāng)?shù)V井的各種輔助提升工作量不大時，如果利用單層罐籠能夠滿足包括升降人員在內(nèi)的全部輔助性提升的需要，則應(yīng)優(yōu)先采用單層罐籠。

(2)若礦井升降人員較多，利用單層罐籠提人占用的時間較長，則為了縮短升降人員的時間，應(yīng)采用雙層罐籠，各層同時升降人員，在井口、井底以及升降人員數(shù)量較多的中間水平相應(yīng)設(shè)置上、下人員平臺，以節(jié)省罐籠上、下人時的休止時間。采用雙層罐籠后，應(yīng)結(jié)合其他各種輔助提升工作量的大小，確定其他輔助提升是用單層或雙層同時工作。副井罐籠提升應(yīng)結(jié)合礦井輔助提升的工作量確定提升速度。首先應(yīng)考慮在規(guī)定的時間內(nèi)升降完上、下井人員。根據(jù)《煤炭工業(yè)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：最大班工人下井時間一般不超過40min。據(jù)此即可求出提升速度。三、提升鋼絲繩的選擇計算鋼絲繩在工作過程中，產(chǎn)生許多復(fù)雜的應(yīng)力，如靜應(yīng)力、動應(yīng)力、彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、擠壓應(yīng)力及接觸應(yīng)力等，這些應(yīng)力的反復(fù)作用，必將引起鋼絲的疲勞、損壞；另外還受到磨損及腐蝕這也導(dǎo)致鋼絲繩的損壞。如此復(fù)雜的各種影響因素，計算時不能一一考慮。因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，計算鋼絲繩時按最大靜載荷計算并考慮一定的安全系數(shù)。且規(guī)定：單繩纏繞式提升裝置的安全系數(shù)為專為升降人員的不得小于9；升降人員和物料用的—升降人員時不得小于9，提升物料時不得小于7.5；專為升降物料用的不得小于6.5。

1、立井單繩提升鋼絲繩的選擇計算如圖，A點承受靜載荷最大，其最大靜載荷Qmax為：

Qmax=Q+Q2+qHC

Qmax=m·g+mz·g+mq·g·H0式中:Q=m·g

一次提升貨載的重量

N；

m—貨載質(zhì)量,kg；

Qz=mz·g

容器的自身重量,N；

mz—容器質(zhì)量,kg；

q=mq·g

鋼絲繩每米重量,N/m；mp—鋼絲繩質(zhì)量，kg/m；HC—鋼絲繩最大懸垂長度，m；

HC=Hj+Hs+Hz

，mHj—井架高度，m；此值在計算鋼絲繩時尚不能精確確定，可采用下列數(shù)值：罐籠提升Hj=15～25m；箕斗提升Hj=30～35m；Hs—礦井深度，m；Hz—由井底車場水平到容器裝載的距離（m），罐籠提升Hz=0；箕斗提升Hz=18～25m。以σB為所要選擇的鋼絲繩公稱抗拉強度（N/㎡），S為所有鋼絲斷面積之和（㎡），如果鋼絲繩不被拉斷，就必須滿足：設(shè)ma為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定鋼絲繩的安全系數(shù)，則為解上式，找出mp與S的關(guān)系，設(shè)鋼絲繩的平均密度為9400kg/m3，斷面積和為S（㎡），長度為1m的質(zhì)量mq為：

mq=9400·Skg/m上式中的S可寫成：

將上式代入設(shè)g=10m/s2，則可得：根據(jù)計算出的值，在規(guī)格表中選取與計算相近的標(biāo)準(zhǔn)鋼絲繩直徑，再按選出的資料，驗算其安全系數(shù)是否符合要求即：式中：Qq—所選鋼絲繩全部鋼絲破斷拉力總和，N；

Q+Q2+qHc—貨載、容器、鋼絲繩重量總和。若驗算結(jié)果不滿足要求，即不滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，應(yīng)重新選鋼絲繩，并重新驗算，直到滿足要求為止。四、提升機滾筒尺寸的確定

1、提升機滾筒直徑DD是計算選擇提升機的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。以鋼絲繩纏繞時不產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力為選擇的原則。鋼絲繩的彎曲試驗表明當(dāng)D/d=80時（D滾筒直徑，d鋼絲繩直徑），彎曲應(yīng)力σw較小，D/d再增大，σw并無顯著下降；D/d繼續(xù)減小，σw將會引起急劇增加，因此《規(guī)程》規(guī)定：井上提升機的滾筒和圍抱角大于90°的天輪：式中δ——鋼絲繩中最粗鋼絲的直徑，mm。圍抱角小于90°的天輪：根據(jù)計算，選擇標(biāo)準(zhǔn)滾筒直徑。圍抱角小于90°的天輪：井下提升機和鑿井提升機的滾筒和圍抱角大于90°的天輪：

2、提升機滾筒寬度B

提升機滾筒寬度B的尺寸，以能容納應(yīng)纏繞的鋼絲繩為原則，應(yīng)包括相當(dāng)于提升高度H米；還包括規(guī)定鋼絲繩每半年剁繩頭一次作試驗（一次5米），如果繩的壽命按三年考慮，則纏繞滾筒上作試驗用的鋼絲繩長為30米；另外滾筒表面應(yīng)保留3圈摩擦圈，以便減輕繩與滾筒固定處的拉力。作單層纏繞滾筒的計算寬度B為：式中d——鋼絲繩直徑，mm；

ε——鋼絲繩繩圈之間的間距，一般取2～3mm。若鋼絲繩在滾筒上作雙層纏繞時，為了避免上下層鋼絲繩總是在一個地方過渡而損壞，要求每季度錯動1/4圈，根據(jù)鋼絲繩設(shè)計壽命，計算多層纏繞滾筒寬度時應(yīng)加此錯動繩2～4圈。式中：k——纏繞層數(shù)；

DP——平均纏繞直徑，mm。單滾筒雙鉤提升計算滾筒寬度時，試驗繩長應(yīng)是兩倍，摩擦圈也是兩倍，還應(yīng)再加上2圈為纏繞與下放兩繩之間的間隔繩圈。式中：n//——單滾筒作雙滾筒提升時，纏繞和下放鋼絲繩間應(yīng)留圈數(shù)，n//?2圈。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定及計算卷筒寬度時應(yīng)注意的問題

《煤礦安全規(guī)程》對卷筒上纏繞鋼絲繩的層數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定：立井中升降人員或升降人員和物料的，只準(zhǔn)纏繞一層；專為升降物料的，準(zhǔn)許纏繞兩層；在45。以下的傾斜井巷中升降人員的，準(zhǔn)許纏繞兩層；在30。以下、斜長超過600m的傾斜井巷中升降人員的，準(zhǔn)許纏繞三層；暗井(包括立井、絞車道等)中專為升降物料和地面運輸(傾斜或水平)用的，準(zhǔn)許纏繞三層。利用上述公式計算卷筒寬度時，應(yīng)注意的問題：①當(dāng)計算寬度比標(biāo)準(zhǔn)寬度稍大時，可適當(dāng)減小ε值或設(shè)法將長出的那幾米鋼絲繩先儲存在卷筒內(nèi)；②當(dāng)計算寬度小于標(biāo)準(zhǔn)寬度時，可適當(dāng)加大ε值，使鋼絲繩在卷筒上均勻分布，而不至于集中于一側(cè)，惡化卷筒工作狀態(tài)；③計算單繩纏繞式卷筒寬度時，應(yīng)考慮過卷高度。根據(jù)計算所得的滾筒直徑與寬度，選擇稍大且接近計算尺寸的標(biāo)準(zhǔn)提升機的直徑和寬度，若無接近的，則可另選較大的，或者在《規(guī)程》允許的情況下作多層纏繞。為了保證提升機有足夠的強度，還必須驗算所選提升機最大靜張力Fjmax（它關(guān)系到滾筒與主軸的強度）及最大靜張力差Fc（它關(guān)系到主軸的強度）應(yīng)滿足下式：式中：Fjmax及Fc由提升機產(chǎn)品規(guī)格中查得，如果驗算不符合規(guī)定，需要重選較大的。五、天輪的選擇根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定選擇天輪的直徑。

1．對于地面設(shè)備若鋼絲繩與天輪的圍包角大于90。，則若鋼絲繩與天輪的圍包角小于90。，則2．對于并下設(shè)備若鋼絲繩與天輪的圍包角大于90。，則若鋼絲繩與天輪的圍包角小于90。，則式中：D——天輪直徑，mm；

d——鋼絲繩直徑，mm；

δ——鋼絲繩中最粗鋼絲直徑，mm。六、提升機與井筒的相對位置提升機對井筒的相對位置，關(guān)系到礦井地面工業(yè)廣場的布置、井下保安煤柱的尺寸及提升設(shè)備和地面運輸系統(tǒng)的安全、可靠運行。在確定位置的各參數(shù)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)地形及生產(chǎn)條件，因地制宜，首先考慮提升機對井筒的不止方式，再確定相對位置的幾個參數(shù)尺寸。

五、提升機與井筒的相對位置1、井架高度Hj

式中Hx——卸載高度（m），由井口水平到卸載位置的容器底座的高度。對于罐籠提升一般在井口水平裝卸載其Hx=0～15m；對于箕斗提升因地面裝設(shè)有煤倉等其Hx=18～25m；Hr——容器全高（m），容器底至連接裝置最上一個繩卡之間的距離，可在容器規(guī)格表中查取。Hg——過卷高度（m），容器正常卸載位置到鋼絲繩最上一個繩卡與天輪接觸的距離，按《規(guī)程》規(guī)定：對于罐籠提升，且提升速度Vm<3m/s時，Hg≥4m；當(dāng)提升速度Vm≥3m/s時，Hg≥6m；對于箕斗提升Hg≥4m。Rt——天輪半徑，0.75Rt表示附加距離，是容器最上一個繩卡將要與天輪輪緣相接觸時的位置至天輪水平軸線間的距離。此距離考慮對于有斜撐的井架，其斜撐的基礎(chǔ)與井筒中心的水平距離約0.6Hj，另外考慮提升機在運輸中鋼絲繩的穩(wěn)定性，所以Ls的最小距離按下面經(jīng)驗公式計算：2、滾筒中心至井筒鋼絲繩之間的水平距離Ls

3、鋼絲繩弦長Lx

鋼絲繩弦長是指鋼絲繩離開滾筒處至與接觸天輪接觸處的繩長。

3、鋼絲繩弦長Lx

由圖可見上下兩條弦長不完全相等，但均以滾筒中心至天輪中心之間的距離來計算弦長，即：鋼絲繩的弦長不能過長，過長則鋼絲繩振動增大，因此，鋼絲繩有跳出天輪輪緣的危險，一般不超過60m。

式中C0——提升機主軸中心線高出井口水平的距離，此值決定于滾筒直徑、地形和土壤等情況，一般C0=1～2m；

Dt——天輪直徑。

4、鋼絲繩的偏角α

鋼絲繩的弦長與天輪平面的夾角，從上圖可見，偏角有兩個，α1稱外偏角，α2稱內(nèi)偏角，根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定，內(nèi)、外偏角不得超過1°30ˊ，否則繩與天輪輪緣的磨損過甚，易發(fā)生鋼絲繩跳出天輪的事故。最大內(nèi)偏角最大外偏角式中s——兩天輪間的距離（m）,其值決定于容器的規(guī)格及提升容器在井筒內(nèi)的布置,可查提升機規(guī)格表中兩滾筒中心距；

a——兩滾筒之間的間隙（m）,其值見提升機規(guī)格表。鋼絲繩弦與水平之間的夾角稱滾筒鋼絲繩的出繩角。出繩角大小影響提升機主軸的受力情況。大于零時鋼絲繩拉力有一向上的分力能抵消一部