王輝,操禮發(fā),王全效,方祝友

(淮河能源集團(tuán)安裝工程分公司， 安徽 淮南 232001)

0 引言

自1877年法國人戈培發(fā)明摩擦提升機(jī)之后，摩擦提升方式已經(jīng)成為我國立井提升的主要提升方式。《煤礦安全規(guī)程》第四百一十二條規(guī)定，“摩擦式提升鋼絲繩的使用期限應(yīng)不超過2年”，“如果鋼絲繩的斷絲、直徑縮小和銹蝕程度不超過規(guī)程第四百一十五條的規(guī)定，可繼續(xù)使用，但不超過1年”[1]。在更換過程中，如果設(shè)備選用不當(dāng)或操作錯誤，將會造成鋼絲繩扭勁、擰死彎、新鋼絲繩與舊鋼絲繩、新鋼絲繩與新鋼絲繩扭在一起，導(dǎo)致新繩受損。這將嚴(yán)重影響換繩質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致鋼絲繩打滑、斷裂，造成墜罐等惡性事故。因此，換首繩工作是一項操作難度大、技術(shù)性強(qiáng)、危險性高的機(jī)電安裝工程，特別是隨著立井向大提升量、超深井方向的發(fā)展，首繩的繩徑越來越粗，單繩重量越來越重，使得這項工作變得更加困難。因此使用合適的裝備和先進(jìn)的技術(shù)就顯得非常重要。

1 首繩更換現(xiàn)狀

目前國內(nèi)首繩更換技術(shù)主要有以提升絞車為動力的人工換繩、穩(wěn)車換繩和專用換繩設(shè)備換繩3種換繩技術(shù)。第一種以提升絞車為動力的換繩技術(shù)又分為舊繩帶新繩和新舊交替互換兩種技術(shù)，這兩種技術(shù)均需要通過長板卡固定井筒段的新舊首繩，人工操作量大，井筒作業(yè)多，施工時間長。第二種穩(wěn)車換繩是一種傳統(tǒng)的換繩方式，存在以下主要問題:一是換繩時每臺穩(wěn)車只能操作一根首繩，穩(wěn)車?yán)p繩和取繩速度很慢，換繩工作量大，施工時間較長；二是鋼絲繩在井筒內(nèi)沒有導(dǎo)向，井筒內(nèi)存在纏繩的風(fēng)險；三是當(dāng)單根繩重超過10 t后，需要的穩(wěn)車噸位變大，特別是向下放繩時，穩(wěn)車的剎車容易發(fā)熱，有溜繩的風(fēng)險。第三種專用換繩設(shè)備換繩是近幾年發(fā)展起來的最新方法，其目的是提高換繩的自動化程度，減輕工人的勞動強(qiáng)度。國內(nèi)外能夠進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的設(shè)備主要有德國西瑪格公司研制的移動式摩擦絞車、太原市博世通機(jī)電液工程有限公司的BHS型[2]多繩摩擦提升首繩快速更換裝置、九益科技公司研制的HSC換繩裝備及淮河能源集團(tuán)與工大三森合作研制的YHC型換繩裝備。上述裝備在設(shè)計制作時專門針對換繩工作，具有良好的適用性，工作能力強(qiáng)。國內(nèi)的專用設(shè)備在2017年以前因配套的換繩工藝技術(shù)不成熟，設(shè)備功能無法充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致?lián)Q繩效率無法提高。

2012年淮河能源集團(tuán)安裝工程分公司首次采用與工大三森合作研發(fā)的智能換繩裝置在朱集東礦主井進(jìn)行換繩，應(yīng)用效果較好，省去了拆裝板卡工序，但當(dāng)時的換繩技術(shù)依然復(fù)雜，采用的是一次更換兩根首繩，且收繩與放繩同步，該技術(shù)翻繩、井口卡繩等工序繁瑣，直到2017年，探索研究結(jié)合人工“新舊交替[3]，兩兩換繩”技術(shù)原理，將人工兩兩換繩技術(shù)引入智能換繩裝置中，形成了“新舊交替，智能換繩”的關(guān)鍵技術(shù)。智能換繩裝置采用歐拉公式展開的直線摩擦傳動原理和超靜定連續(xù)夾持收放繩技術(shù)，簡化以往繁瑣的翻繩工序，省去了卡繩、棚罐、拆裝繩卡等工序，技術(shù)先進(jìn)，換繩時間縮減50%以上，實(shí)現(xiàn)了換繩連續(xù)化、不損傷新繩。下文將結(jié)合工程實(shí)踐對智能換繩裝置及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 智能換繩裝置

2.1 智能換繩裝置構(gòu)成

智能換繩裝置主要由底盤及車體、兩組收放繩單元體、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，如圖1、圖2所示。

圖1 智能換繩裝置外形

圖2 智能換繩裝置機(jī)構(gòu)

2.2 智能換繩裝置收放繩單元體

收放繩單元體是收放繩部分的主體，也是裝置的核心技術(shù)，每個單元體通過鋼絲繩夾持系統(tǒng)完成收、放繩動作。單元體是核心部件，是收、放繩的動力單元。每個單元體由2個液壓馬達(dá)主鏈輪、2個從動鏈輪、2條無極傳動鏈條構(gòu)成。在一套鏈傳動中，傳動鏈條上有多組超靜定夾持體。夾持體通過外施力元件產(chǎn)生對被收、放鋼絲繩的夾持力，由夾持體與鋼絲繩間產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)收、放鋼絲繩的收、放力。每一個單元體由2個液壓馬達(dá)、2個鏈輪及多排鏈夾持的兩套鏈傳動;固定施力導(dǎo)向軌梁；移動施力導(dǎo)向軌梁;施力油缸；固定導(dǎo)向軌梁、移動導(dǎo)向軌梁的機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu);傳動鏈張緊機(jī)構(gòu);檢測傳感器及輔助部分等組成。收放繩單元體如圖3所示。

圖3 智能換繩裝置收放繩單元體

2.3 智能換繩裝置工作原理

以履帶式行走車體作為移動的載體，其行走動力來源液壓系統(tǒng)，行走速度約1 km/h，采用履帶行走優(yōu)點(diǎn)是在井口調(diào)整，就位方便、抓地力大。智能換繩裝置操作分為調(diào)試狀態(tài)、工作狀態(tài)、檢修狀態(tài)。在調(diào)試狀態(tài)，系統(tǒng)以液壓系統(tǒng)為動力，實(shí)現(xiàn)地面位置調(diào)整。隨后，對生根支腿、無極鏈張緊、夾持力生成各狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試。車體及輔助功能調(diào)試完畢后，智能換繩裝置進(jìn)行工作狀態(tài)調(diào)試。以液壓系統(tǒng)為動力源，在液壓系統(tǒng)壓力下，對兩個單元體工作進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。單元體是對更換鋼絲繩產(chǎn)生收、放力的單元。每個單元體在兩個低轉(zhuǎn)速、大扭矩馬達(dá)的驅(qū)動下，依靠無極多排鏈實(shí)現(xiàn)連續(xù)的收、放繩動作。無極多排鏈上設(shè)有超靜定夾持體，在夾持體夾持力作用下對收放鋼絲繩有足夠的收、放力，從而滿足收、放繩工作。同時，單元體馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度可與絞車速度(絞車速度小于0.5 m/s)配合。在換繩工作中，如果出現(xiàn)收、放繩與鏈條速度差超限，在聲、光報警的同時，系統(tǒng)參與制動確保換繩過程安全。

3 首繩更換

3.1 謝橋礦二主井主要技術(shù)參數(shù)

淮河能源集團(tuán)謝橋煤礦二主井東車提升系統(tǒng)簡介：系統(tǒng)為JKMD-5x4 Z提升機(jī)，采用落地式四繩摩擦式提升，首繩型號為6×36WS-1860直徑φ56 mm，單重11.3 kg/m，尾繩(兩根)型號P8×4×19-216×34，單重22.52 kg/m，提升高度942 m，絞車最大靜張力差35 t，最大靜張力140 t，雙箕斗提升，每臺箕斗自重52.6 t。

3.2 首繩更換技術(shù)總方案

謝橋礦二主井“新舊交替，智能換繩”總體方案采用智能換繩裝置先收兩根舊繩，將兩根新繩穿過換繩車與天輪段兩根舊繩連接，利用兩根舊繩配合將新繩翻繩到位連接首繩懸掛，再利用智能換繩裝置下放兩根新繩將兩根新繩下放到位，做好另一側(cè)新繩首繩懸掛，完成兩根新繩更換工作，重復(fù)以上步驟，完成剩余2根新繩更換工作。

3.3 首繩更換新技術(shù)施工步驟

謝橋礦二主井首繩更換新技術(shù)施工步驟如下(以更換1#、4#首繩為例說明)：換繩準(zhǔn)備→斷主勾側(cè)舊繩→收舊繩→翻新繩→反動車→做副勾新繩頭→放新繩→做主勾新繩頭→更換2#、3#繩→調(diào)繩[4]。

3.3.1 換繩準(zhǔn)備

利用手持式無線遙控器將履帶式智能換繩裝置開至井口，隨車導(dǎo)向輪展開對應(yīng)主繩，在智能換繩裝置后方布置好2臺收繩絞車、2臺放繩絞車。調(diào)試智能換繩裝置、收(放)繩絞車確保系統(tǒng)可靠。

3.3.2 斷主勾側(cè)1#、4#舊繩

1) 連接引繩[5]。如圖4所示連接引繩。首繩懸掛調(diào)壓完成后，開動絞車，將主勾下放至井口以下20 m，將兩根φ55 mm的引繩穿過智能換繩裝置的2個單元體，并引至井口，將引繩翻過導(dǎo)向輪后，利用7副鋼絲繩卡(如圖5所示)，將引繩與1#、4#舊繩卡接牢固可靠。開動絞車上提主勾，同時開動智能換繩裝置放引繩，將引繩上帶至井口以上20 m處停車。

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調(diào)繩機(jī);10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車;13-引繩。圖4 連接引繩工序示意圖

圖5 連接引繩實(shí)景圖

2) 斷主勾側(cè)舊繩。智能換繩裝置以設(shè)定張力收緊引繩，副勾側(cè)利用井架上調(diào)繩機(jī)卡住舊繩。將1#、4#懸掛留住，泄壓松繩后開斷1#、4#舊繩。

3.3.3 收舊繩(關(guān)鍵工序)

收舊繩工序的實(shí)景圖如圖6所示。智能換繩裝置調(diào)整系統(tǒng)壓力18 MPa，夾持力12 MPa，絞車速度控制在0.3～0.4 m/s，持續(xù)收緊引繩，引繩帶勁后，開動絞車下放主勾同步收引繩，同步盤舊繩，將引繩與舊繩的連接鋼絲繩卡引至導(dǎo)向輪組處，停車。此時利用調(diào)繩機(jī)卡1#、4#繩，退出引繩并對號穿入舊繩后收緊，退出調(diào)繩機(jī)。隨后繼續(xù)開動絞車、智能換繩裝置、收繩絞車同步配合配合收舊繩，直至副勾到達(dá)井口合適位置，如圖7所示。當(dāng)收舊繩時，在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到懸掛松弛時及時報警，并停車處理。

(a)

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調(diào)繩機(jī);10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車。圖7 收舊繩工序示意圖

3.3.4 翻新繩(關(guān)鍵工序)

翻新繩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。翻繩是把新繩利用天輪及滾筒段的舊繩翻過滾筒及天輪。從井口主勾側(cè)智能換繩裝置前端、副勾側(cè)懸掛上方分別斷開1#、4#舊繩，退出智能換繩裝置內(nèi)舊繩并穿入新繩，將新繩與舊繩連接利用舊繩帶新繩進(jìn)行翻繩到位。

放新繩的同時收繩絞車做好配合，收舊繩，將新繩翻過下天輪、滾筒、上天輪至副勾側(cè)井口。

3.3.5 反動車

反動車的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。絞車房設(shè)置吊點(diǎn)將1#、4#新繩脫離滾筒，上下天輪平臺將對應(yīng)的1#、4#天輪繩槽鎖在天輪梁上。開動絞車將副勾主繩懸掛上提至井口合適位置停車。

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調(diào)繩機(jī);10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車;13-收繩絞車;14-1#、4#舊繩。圖8 翻新繩工序示意圖

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調(diào)繩機(jī);10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車;13-收繩絞車;14-1#、4#新繩。圖9 反動車工序示意圖

3.3.6 做副勾新繩頭

解除絞車房滾筒上的反留繩，解除天輪平臺上的反留繩槽用手拉葫蘆，利用井口慢絞或吊車等配合更換1#、4#懸掛，并將新繩依次穿入新懸掛。將1#、4#懸掛打壓油缸伸出200 mm，再將1#、4#油缸閥門關(guān)閉。開動智能換繩裝置將1#、4#新繩收緊，收緊至井架、車房之間的新舊繩弧垂相同。

3.3.7 放新繩(關(guān)鍵工序)

放新繩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。通過智能換繩裝置上的電腦觸摸屏調(diào)定好系統(tǒng)壓力5 MPa，夾持力12 MPa,備壓5 MPa，絞車速度控制在0.25 m/s，啟動智能換繩裝置進(jìn)入放新繩狀態(tài)，開動絞車下放副勾，智能換繩裝置隨動，定阻力放新繩，每隔300 m下放，調(diào)繩機(jī)上提一次張緊新繩。直到主勾到達(dá)井口合適位置停車，此時從天輪平臺及絞車滾筒處收緊新繩，保留做新繩頭的長度后將新繩截斷。當(dāng)放新繩時，在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到懸掛松弛時及時報警，并停車處理。

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調(diào)繩機(jī);10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車。圖10 放新繩工序示意圖

3.3.8 做主勾新繩頭

利用井口慢絞或吊車等配合更換1#、4#懸掛，并將新繩依次穿入新懸掛。將1#、4#懸掛打壓至新主繩張緊即可。

3.3.9 更換2#、3#繩

當(dāng)主勾1#、4#新繩頭做好后，打開1#、2#、3#、4#懸掛截止閥平壓，然后對4個油缸打壓，直到2#、3#懸掛有一個打到底即可，關(guān)閉1#、4#油缸截止閥。在2#、3#舊繩開斷后，將1#、4#懸掛油缸調(diào)整至一半的位置，并連通1#、4#油缸，方可下放主勾箕斗。重復(fù)3.3.2～3.3.8步驟，完成2#、3#主繩的更換。

3.3.10 調(diào)繩

量取4根繩的調(diào)繩量分別為1#3.5 m，2#3.8 m，3#3.7 m，4#3.3 m，在副勾主繩上做好標(biāo)記。調(diào)繩利用井架天輪平臺上的調(diào)繩機(jī)進(jìn)行施工。將副勾提升至井口合適位置后，調(diào)繩機(jī)卡繩器卡設(shè)主勾主繩，利用副勾側(cè)調(diào)繩機(jī)將副勾上提至調(diào)繩位置，此時即可逐一開始調(diào)繩工作。將松弛后的主繩退出懸掛，重新收緊到達(dá)做好標(biāo)記位置，逐一完成調(diào)繩工作。調(diào)繩完工后退出調(diào)繩機(jī)，從而進(jìn)行試運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)敘述了智能換繩裝置工作原理，結(jié)構(gòu)及更換首繩的工序步驟，對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，具有重要的實(shí)際操作價值。通過現(xiàn)場實(shí)際操作，證明智能換繩裝置更換首繩新技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 首繩無損夾持、連續(xù)收放、與絞車同步、可視操作、整體移動等功能，省去兩兩換繩中反復(fù)拆裝板卡工序，降低勞動強(qiáng)度的同時減少人員在井筒、井口作業(yè)時間，從而使換繩時間縮短至36 h以內(nèi)(1 000 m深立井),換繩過程中始終能夠保持至少2根鋼絲繩不斷開，保持原有系統(tǒng)張力不變，極大提升系統(tǒng)安全性，所有操作均在井口完成。

2) 利用智能換繩裝置、調(diào)繩機(jī)配合進(jìn)行首繩更換施工，簡化了收舊繩、放新繩的工序，優(yōu)化了翻繩、收緊新繩的工序，極大提高了施工效率。使得換繩工作全部自動化，新舊首繩換繩不落地，人員只做新繩頭，危險作業(yè)全部由機(jī)械完成，施工逐步向機(jī)械化、智能化邁進(jìn)。

3) 智能換繩裝置更換首繩技術(shù)減少了后期的調(diào)繩量，調(diào)繩量較以往的換繩技術(shù)6～10 m的調(diào)繩量降為0～4 m左右的調(diào)繩量，對于小繩經(jīng)、淺井的提升系統(tǒng)，換繩后均無需調(diào)繩。

4) 智能換繩裝置具有換繩記憶功能，對每次的換繩數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲分析，通過大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化換繩方案。

5) 本文所述謝橋礦為年初900萬t礦井，主井提煤量為3萬t/d，采用該智能換繩裝置及關(guān)鍵技術(shù)，每班施工人員由25人減少至現(xiàn)在的15人，工期由84 h減少至36 h，減少時間2 d，多提煤6萬t，產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)千萬元，減人提效效果顯著。

6) 智能換繩裝置應(yīng)用歐拉公式展開的直線摩擦傳動原理和超靜定連續(xù)夾持收放繩技術(shù)，通過多組無極承載單元輸送鋼絲繩，突破了大繩徑、多鋼絲繩、無損夾持、直線連續(xù)同步收放等技術(shù)難題，為國內(nèi)深井(1 000 m以上)首繩更換提供解決方案。通過改變智能換繩裝置前端的導(dǎo)向輪組放繩方向，實(shí)現(xiàn)了在圓尾繩更換中的應(yīng)用。

“新舊交替，智能換繩”是國內(nèi)目前方案最為合理，施工安全效率最高的首繩快速更換技術(shù)，該技術(shù)的國內(nèi)首次應(yīng)用是在淮河能源集團(tuán)朱集礦主井更換首繩，本文所述謝橋礦二主井首繩更換時間為36 h，且該技術(shù)使用的最快換繩時間為10 h。智能換繩裝置目前已經(jīng)在淮河能源集團(tuán)張集礦、朱集礦、謝橋礦、顧橋礦等多處大型礦井首繩更換中應(yīng)用，效果良好，具有推廣價值。