提升設備選型設計

第七節(jié)礦井提升設備的選擇計算

礦井提升設備的選擇計算是否經濟合理，對礦山的基本建設投資、生產能力、生產效率及噸煤成本都有直接的影響。因此，在進行提升設備選擇計算時，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容（一）選擇的一般原則對于年產量30萬噸以下的小型礦井，可采用一套罐籠提升設備，使其完成全部主、副井提升任務是最經濟的，也有采用兩套罐籠設備的。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任務。副井除配備一套罐籠設備外，多數尚需設置一套單容器平衡錘提升方式，提升矸石。

1）對于年產量大于60萬噸的大中型礦井，由于提升煤炭和輔助提升任務較大，一般均設主井、副井兩套提升設備。因為箕斗提升能力大、運轉費用較低、又易于實現自動化控制，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。當地面生產系統(tǒng)靠近井口時，采用箕斗提升可以簡化煤的生產流程；若距離井口較遠，尚需一段窄軌鐵路運輸時，采用罐籠提升地面生產系統(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《定型成套設備》的規(guī)定確定提升方式，并盡量選用定型設備。但因各個礦井具體情況不同，副井提升量也不一致，因此，可結合具體條件計算、選擇，或驗算選用的定型成套設備。《定型成套設備》中未規(guī)定的如鋼絲繩、提升機與井筒相對位置、生產能力與耗電量等也要計算。（二）選型設計的主要內容1、設計依據對于主井提升：（1）礦井年產量An（T/a）；（2）工作制度：年工作日數(300d)、日工作小時數(14h)；（3）礦井開采水平數，各水平井深(HS,m)，及各水平服務年限；（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）選型設計的主要內容1、設計依據對于主井提升：（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備套數、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，及各水平服務年限；（3）最大班下井人員數目（人/班）；（4）每班下井材料、設備、炸藥數目（次/班）運送最大設備質量（kg）；（5）井筒尺寸、井筒中布置的提升設備套數、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、罐籠的質量（kg），礦車規(guī)格。2、設計的主要內容（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）提升電動機的預選（5）提升機與井筒的相對位置（6）運動學、動力學計算（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的大小來確定。如有幾種容器都滿足時，則要考慮其經濟效果。從降低初期投資看，應選擇容量較小的提升容器；從節(jié)省運轉費用的觀點出發(fā)，選擇容量較大的容器較好。為解決上述矛盾，應通過技術經濟比較，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，我國煤礦設計部門在選擇提升容器時，一般都采用經濟速度法。常用的經濟提升速度為：式中：Vj——經濟提升速度，m／s；

H——提升高度，m。一般情況下，取中間值進行設計，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、經濟提升時間普通罐籠進出材料車、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出罐籠時，休止時間比單層罐籠增加2s信號聯系時間，但人員由一個水平進出時，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出車方式兩側進出車同側進出車一個水平進出車兩層同時進出車每層礦車數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；有井底煤倉時，c=1.1～1.15，無井底煤倉時，c=1.2，當礦井有兩套提升設備時，c=1.15，只有一套提升設備時，c=1.25；af——提升能力富裕系數，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，一般為14h。根據mj值在箕斗規(guī)格表中，選取標準箕斗容量m。選箕斗時，應在不增大提升機，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。若采用罐籠應按礦車規(guī)格選擇。根據計算出的一次合理經濟提升量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準箕斗，被選用的箕斗載貨量一般應大于或等于mj.

根據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——所選出的標準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是選擇提升機標準速度的一個依據，按V1在提升機技術性能表中選用相近的標準速度。

《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，除了應和礦井運輸采用的車輛規(guī)格相適應外，還應結合下列因素來確定:(1)當礦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的全部輔助性提升的需要，則應優(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量較多的中間水平相應設置上、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，應結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。副井罐籠提升應結合礦井輔助提升的工作量確定提升速度。首先應考慮在規(guī)定的時間內升降完上、下井人員。根據《煤炭工業(yè)設計規(guī)范》規(guī)定：最大班工人下井時間一般不超過40min。據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，產生許多復雜的應力，如靜應力、動應力、彎曲應力，扭轉應力、擠壓應力及接觸應力等，這些應力的反復作用，必將引起鋼絲的疲勞、損壞；另外還受到磨損及腐蝕這也導致鋼絲繩的損壞。如此復雜的各種影響因素，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。且規(guī)定：單繩纏繞式提升裝置的安全系數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—貨載質量,kg；

Qz=mz·g

容器的自身重量,N；

mz—容器質量,kg；

q=mq·g

鋼絲繩每米重量,N/m；mp—鋼絲繩質量，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ma為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定鋼絲繩的安全系數，則為解上式，找出mp與S的關系，設鋼絲繩的平均密度為9400kg/m3，斷面積和為S（㎡），長度為1m的質量mq為：

mq=9400·Skg/m上式中的S可寫成：

將上式代入設g=10m/s2，則可得：根據計算出的值，在規(guī)格表中選取與計算相近的標準鋼絲繩直徑，再按選出的資料，驗算其安全系數是否符合要求即：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。若驗算結果不滿足要求，即不滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，應重新選鋼絲繩，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數據。以鋼絲繩纏繞時不產生過大的彎曲應力為選擇的原則。鋼絲繩的彎曲試驗表明當D/d=80時（D滾筒直徑，d鋼絲繩直徑），彎曲應力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：根據計算，選擇標準滾筒直徑。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，以能容納應纏繞的鋼絲繩為原則，應包括相當于提升高度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，根據鋼絲繩設計壽命，計算多層纏繞滾筒寬度時應加此錯動繩2～4圈。式中：k——纏繞層數；

DP——平均纏繞直徑，mm。單滾筒雙鉤提升計算滾筒寬度時，試驗繩長應是兩倍，摩擦圈也是兩倍，還應再加上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留圈數，n//?2圈。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定及計算卷筒寬度時應注意的問題

《煤礦安全規(guī)程》對卷筒上纏繞鋼絲繩的層數進行了嚴格規(guī)定：立井中升降人員或升降人員和物料的，只準纏繞一層；專為升降物料的，準許纏繞兩層；在45。以下的傾斜井巷中升降人員的，準許纏繞兩層；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，準許纏繞三層。利用上述公式計算卷筒寬度時，應注意的問題：①當計算寬度比標準寬度稍大時，可適當減小ε值或設法將長出的那幾米鋼絲繩先儲存在卷筒內；②當計算寬度小于標準寬度時，可適當加大ε值，使鋼絲繩在卷筒上均勻分布，而不至于集中于一側，惡化卷筒工作狀態(tài)；③計算單繩纏繞式卷筒寬度時，應考慮過卷高度。根據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準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（它關系到滾筒與主軸的強度）及最大靜張力差Fc（它關系到主軸的強度）應滿足下式：式中：Fjmax及Fc由提升機產品規(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《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定選擇天輪的直徑。

1．對于地面設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時，應當根據地形及生產條件，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稱內偏角，根據《規(guī)程》規(guī)定，內、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