閔得華

（鄭煤集團(tuán)工程技術(shù)研究院，河南 鄭州450042）

煤礦提升運(yùn)輸系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)系統(tǒng)，提升系統(tǒng)罐道安全運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估及管理是煤礦提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。

《煤礦安全規(guī)程》第三百九十八條“鋼絲繩罐道應(yīng)優(yōu)先選用密封式鋼絲繩。每個(gè)提升容器（平衡錘）有4 根罐道繩時(shí)，每根罐道繩的最小剛性系數(shù)不得小于500N/m，各罐道繩張緊力之差不得小于500N/m，各罐道繩張緊力之差不得小于平均張緊力的5%，內(nèi)側(cè)張緊力大，外側(cè)張緊力小。每個(gè)提升容器（平衡錘）有2根罐道繩時(shí)，每根罐道繩的剛性系數(shù)不得小于1000N/m，各罐道繩的張緊力應(yīng)相等。單繩提升的2 根主提升鋼絲繩必須采用同一捻向或不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩?！睂?duì)鋼絲繩罐道最小剛性系數(shù)做出了明確規(guī)定。但鋼絲繩罐道安裝后，由于缺少檢測(cè)手段、方法，在用罐道鋼絲繩最小剛性系數(shù)及各繩張力沒(méi)有準(zhǔn)確檢測(cè)檢驗(yàn)，可能造成鋼絲繩張力偏大、偏小、不均勻等情況，會(huì)對(duì)礦井提升運(yùn)輸系統(tǒng)造成損害，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼絲繩罐道剛性系數(shù)研究多存在于最小剛系數(shù)位置進(jìn)行確定，缺少相關(guān)檢測(cè)檢驗(yàn)方法及手段，在用鋼絲繩最小剛性系數(shù)及各繩張力沒(méi)有準(zhǔn)確測(cè)量和表征，無(wú)法了解提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為煤礦安全生產(chǎn)埋下了隱患。

1 鋼絲繩罐道剛性系數(shù)檢測(cè)

1.1 鋼絲繩罐道剛性系數(shù)檢測(cè)的現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代，國(guó)內(nèi)主要煤礦技術(shù)刊物和學(xué)術(shù)組織，發(fā)表了多篇關(guān)于鋼絲繩罐道剛性系數(shù)方面的研究成果，但大多數(shù)是沿用前蘇聯(lián)的研究理論，僅進(jìn)行理論性的研究探索，或者是測(cè)試方法的探索，并沒(méi)有形成可行的適用于煤礦實(shí)際測(cè)試的裝置設(shè)備和方法。隨著煤礦管理要求的不斷提高，作為煤礦比較重要的提升系統(tǒng)安全運(yùn)行狀況引起了更多的重視和關(guān)注，鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的資源整合礦井比較多，鋼絲繩罐道的使用率較高，利用現(xiàn)代科技檢測(cè)檢驗(yàn)手段，研究新型檢測(cè)檢驗(yàn)裝備，總結(jié)適用的檢測(cè)檢驗(yàn)方法勢(shì)在必行。

1.2 鋼絲繩罐道剛性系數(shù)定義

1.2.1 剛性系數(shù)定義

鋼絲繩罐道抵抗橫向力或者說(shuō)阻止提升容器運(yùn)行時(shí)橫向偏移的能力，叫做鋼絲繩罐道的剛性。罐道鋼絲繩產(chǎn)生單位橫向偏移的阻抗系數(shù)，通常稱(chēng)之為罐道鋼絲繩的“剛性系數(shù)”，一般用K 表示。

1.2.2 最小剛性系數(shù)

目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)罐道鋼絲繩的剛性系數(shù)研究結(jié)果：受罐道鋼絲繩張緊和鋼絲繩自重的影響，罐道繩全長(zhǎng)每一點(diǎn)的剛性系數(shù)是不同的，最小剛性系數(shù)大約在鋼絲繩下端（0.4～0.5）L 之間。

1.2.2.1 最小剛性系數(shù)滿足以下公式[1]：

1.3 罐道鋼絲繩剛性系數(shù)檢測(cè)的三種方法

目前罐道鋼絲繩張力檢測(cè)主要有三種檢測(cè)方法1.3.1 串聯(lián)法

其原理為在鋼絲繩與提升重物之間串聯(lián)一測(cè)力傳感器來(lái)測(cè)量。

1.3.2 彎曲法

罐道鋼絲繩橫向剛度與鋼絲繩張力之間存在函數(shù)關(guān)系，則可利用力的合成與分解原理，實(shí)現(xiàn)罐道鋼絲繩的張力測(cè)量，先通過(guò)測(cè)試元件測(cè)出鋼絲繩的橫向剛度，便可求出鋼絲繩的張力。

1.3.3 振波頻率法

通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)波在罐道鋼絲繩上的傳播周期來(lái)計(jì)算罐道繩張力。

此三種檢測(cè)方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，下面從技術(shù)復(fù)雜性、使用性、經(jīng)濟(jì)性、測(cè)試準(zhǔn)確性等方面對(duì)三種測(cè)試方法進(jìn)行比較，如表1。

表1 罐道繩剛性系數(shù)檢測(cè)方法比較

通過(guò)對(duì)以上三種測(cè)試方法的對(duì)比分析，振波頻率法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)，且能滿足工程應(yīng)用要求。

1.4 剛性系數(shù)振波頻率法測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)振波頻率法測(cè)試原理，提出罐道鋼絲繩張力檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案，能夠解決測(cè)試環(huán)境復(fù)雜、振波頻率檢測(cè)準(zhǔn)確度等問(wèn)題，使振波周期法測(cè)試精度進(jìn)一步提高，滿足了檢測(cè)檢驗(yàn)要求。

1.4.1 裝置原理

在井口附近位置，對(duì)罐道鋼絲繩某一點(diǎn)施加一打擊力，則在罐道鋼絲繩上產(chǎn)生振動(dòng)波，振動(dòng)波在鋼絲繩上的傳遞速度與鋼絲繩所受張力關(guān)系為:

式中Q下-罐道鋼絲繩下端張力，N；

q-罐道鋼絲繩每米重力，N/m；

L-罐道鋼絲繩懸垂長(zhǎng)度，m；

g-重力加速度，m/s2。

由公式（5）可知，只要檢測(cè)出振動(dòng)波在鋼絲繩上傳播的周期，就可以利用公式計(jì)算出罐道鋼絲繩最下端張力，然后計(jì)算出最小剛性系數(shù)。

1.4.2 檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換

用秒表等計(jì)時(shí)裝置檢測(cè)振波周期時(shí)，受為反應(yīng)、視覺(jué)效應(yīng)等因素影響較大，測(cè)時(shí)準(zhǔn)確性較低。我們提出通過(guò)時(shí)間-加速度-時(shí)間轉(zhuǎn)換的方式來(lái)測(cè)量，測(cè)試精度得以提升，采用無(wú)線傳輸，最大程度保證了測(cè)試人員安全。

1.4.3 檢測(cè)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)

首先把罐籠或箕斗停在井底位置，再井口附近位置罐道鋼絲繩上固定壓阻式高靈敏度加速度傳感器，然后打擊罐道鋼絲繩，振動(dòng)波沿鋼絲繩傳播，加速度傳感器采集到的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)試、電壓放大、抗混濾波后，利用無(wú)線AP 傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行加速度變化分析，根據(jù)加速度曲線變化，分析得到振波周期。

1.4.4 檢測(cè)檢驗(yàn)裝置優(yōu)勢(shì)

1.4.4.1 振波頻率檢測(cè)裝置體積偏小，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用。各傳感器內(nèi)置電源模塊，利用無(wú)線傳輸，解決了井口布線難題，采用本安電源，滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，加速度傳感器很容易跟鋼絲繩進(jìn)行固定，能夠檢測(cè)各型號(hào)大小鋼絲繩，應(yīng)用范圍廣。

1.4.4.2 檢測(cè)方法科學(xué)易行，準(zhǔn)確度滿足工程應(yīng)用要求，利用振動(dòng)波在罐道鋼絲繩上的傳播實(shí)現(xiàn)罐道繩張力檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，提高了測(cè)試準(zhǔn)確度，罐道鋼絲繩的線密度和罐道鋼絲繩長(zhǎng)度現(xiàn)場(chǎng)可查，只需檢測(cè)振波頻率一項(xiàng)參數(shù)，方法簡(jiǎn)便可靠。

1.5 檢測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖1 所示。

圖中曲線為檢測(cè)儀采集的加速度信號(hào)，振動(dòng)波在鋼絲繩上傳播時(shí)，鋼絲繩質(zhì)點(diǎn)呈周期性振動(dòng)，振動(dòng)周期穩(wěn)定，可以檢測(cè)出振波周期。

振動(dòng)波在鋼絲繩上傳播，由于阻尼作用，波動(dòng)幅度逐漸變小，是否會(huì)影響測(cè)試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性呢，下面通過(guò)單次檢測(cè)信號(hào)衰減情況影響和多次檢測(cè)重復(fù)性來(lái)驗(yàn)證。

圖1 檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1.5.1 單次測(cè)量信號(hào)衰減性

通過(guò)分析系統(tǒng)顯示，第一次時(shí)間間隔為2.62s，第二次時(shí)間間隔為2.62s，采集到的振動(dòng)波周期變化不大，說(shuō)明振動(dòng)波在傳遞時(shí)，阻尼作用影響較小，測(cè)試時(shí)間周期較為準(zhǔn)確。

1.5.2 多次測(cè)量信號(hào)重復(fù)性

對(duì)同一根罐道鋼絲繩進(jìn)行多次測(cè)量，第一次測(cè)試周期為2.62s，采用同樣測(cè)試方法進(jìn)行負(fù)測(cè)，第二次測(cè)試為2.61s，測(cè)試結(jié)果偏差為0.4%，滿足剛性系數(shù)測(cè)試要求。

2 鋼絲繩罐道剛性系數(shù)調(diào)整

按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，鋼絲繩罐道不滿足要求時(shí)，有兩種情況，一是剛性系數(shù)不滿足要求，一是罐道繩張力差不滿足要求，下面就這種情況進(jìn)行分析：

2.1 剛性系數(shù)不滿足要求時(shí)

需要對(duì)罐道鋼絲繩張緊情況進(jìn)行調(diào)整，首先計(jì)算最小剛性系數(shù)（Kmin）等于規(guī)程要求數(shù)值[Kmin]時(shí)罐道鋼絲繩下端張力[Q],然后對(duì)罐道鋼絲繩張緊情況進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量△L 由下式確定

式中：L-鋼絲繩懸垂長(zhǎng)度（實(shí)際），m；

[Q]-剛性系數(shù)為[Kmin]時(shí)罐道鋼絲繩下端張力，N；

Q-實(shí)測(cè)罐道鋼絲繩下端張力，N；

A-罐道鋼絲繩斷面面積，mm2；

Ep-罐道鋼絲繩平均彈性模數(shù)，GPa。

2.2 張力差不滿足要求

罐道鋼絲繩張力差不滿足要求時(shí)，各繩調(diào)整量△L 由下式確定

式中：L-鋼絲繩懸垂長(zhǎng)度（實(shí)際），m；

Qcp-罐道鋼絲繩下端平均張力，N；

Q-罐道鋼絲繩下端張力，N；

A-罐道鋼絲繩斷面面積，mm2；

Ep-罐道鋼絲繩平均彈性模數(shù)，GPa。

結(jié)束語(yǔ)

隨著礦井開(kāi)采深度不斷加大，使用鋼絲繩作為罐道，可以節(jié)約投資、縮短建設(shè)周期等，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用越來(lái)越多，罐道鋼絲繩的張力情況反映了鋼絲繩以及相關(guān)設(shè)備的重要運(yùn)行狀態(tài)信息，進(jìn)行罐道鋼絲繩張力檢測(cè)方面的研究設(shè)計(jì)，對(duì)量化礦井提升系統(tǒng)鋼絲繩罐道運(yùn)行狀態(tài)，掌握罐道鋼絲繩使用情況，為提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供很大的科學(xué)支撐。