矿井提升系统安全事故分析及其防治措施

矿井提升系统安全事故分析及其防治措施

目录

矿井提升系统的安全事故分析及防治措施 0

1 钢丝绳断裂事故分析及防治 0

1.1 断绳的类型 0

1.2 竖井提升钢丝绳工作载荷分析 (1)

1.2.1 拉伸与扭转应力 (1)

1.2.2 弯曲应力 (3)

1.2.3 接触应力 (4)

1.2.4 摩擦轮提升钢丝绳的旋向和捻距变化 (4)

1.3 矿井提升系统的冲击限制理论 (5)

1.3.1 提升系统二自由度数学模型建立 (5)

1.3.2 提升系统二自由度振动分析 (6)

1.3.3 提升容器的加速度动态响应计算 (7)

1.3.4 钢丝绳动张力计算 (8)

1.3.5 抛物线形、正弦形、三角形加速度和速度控制曲线 (9)

1.4 提升机松绳时钢丝绳的张力计算 (10)

1.4.1 提升重载时紧急制动并松绳的钢丝绳张力计算 (10)

1.4.2 提升机下放重载过放钢丝绳时的张力计算 (12)

1.5 钢丝绳断绳防治措施 (12)

2 提升机运行中的卡罐事故分析及防治 (13)

2.1 提升机卡罐的原因 (13)

2.2 卡罐时振动振动方程的建立 (13)

2.3 提升容器突然卡住时的二自由度振动特性分析 (14)

2.4 提升容器突然卡住时的二自由度钢丝绳动张力计算 (14)

2.5 卡罐的防治措施 (15)

3 提升机过卷蹾罐事故分析及防治 (16)

3.1 提升机过卷和过放（蹾罐）的原因 (16)

3.2 过卷时的动力学方程建立 (16)

3.3 过卷时的动力学方程求解 (17)

3.4 提升机过卷和过放（蹾罐）的防治措施 (17)

4 提升机跑车事故分析及防治 (18)

4.1 提升机跑车（蹾罐）的原因 (18)

4.2 防止跑车的措施 (18)

5 摩擦轮提升的滑绳（传动失效）事故分析及防治 (19)

5.1 钢丝绳滑绳的原因 (19)

5.2 摩擦轮提升的滑动特性分析 (19)

5.2.1 提升重载紧急制动时钢丝绳打滑情况 (21)

5.2.2 空运行紧急制动时钢丝绳打滑情况 (22)

5.2.3 下放重载紧急制动时钢丝绳打滑情况 (22)

5.3 防滑安全计算 (23)

5.3.1 基本参数计算 (23)

5.3.2 极限减速度计算 (25)

5.3.3 安全制动力计算 (27)

5.3.4 安全制动减速度计算 (27)

5.4 考虑钢丝绳弹性振动时极限减速度的计算 (28)

5.4.1 下放重载的防滑特性 (28)

5.4.2 提升重载的防滑特性 (29)

5.4.3 空运行的防滑特性 (30)

5.5 防止摩擦提升打滑的措施 (30)

6 提升机断轴事故分析及防治 (31)

6.1 提升机断轴事故原因 (31)

6.2 防止提升机断轴的措施 (31)

7 其它事故防治 (31)

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。

1.1 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。

（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2～4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。

（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。

（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：①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。②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。③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动。④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。

1.2 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。

1.2.1 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扭转，即钢丝绳的拉伸与扭转是同时发生的。

图1.2-1 钢丝绳在绳端载荷作用下的拉伸

根据前苏联M.Φ.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 。

假定在钢丝绳的每一横截面中，所有钢丝的弹性长度获得同样的纵向位移u 和扭转角v , 则可获得同样的纵向应变ε和扭转应变θ。这样，可以得出悬垂钢丝绳在拉伸和扭转时的静力学综合方程：

???+=+=θ

εθεB C M C A T （1-1） 式中 ε——钢丝绳的纵向应变，dx

du =ε； θ——钢丝绳的扭转应变，dx

dv =θ； A ——钢丝绳的纵向刚度；

B ——钢丝绳的扭转刚度；

C ——钢丝绳的扭转影响系数。

结合立井提升的实际情况，式（1-1）可写为：

???==+-+=+常数

M B C x L P Q C A θεθε)( （1-2） 其边界条件：

由于提升容器（箕斗或罐笼）是在罐道中运行，所以提升钢丝绳最低末端（x =L ）有：

T(L)=Q,v(L)=0

而在提升钢丝绳的上面末端（x =0）有：

u(0)=v(0)=0

求解方程（1-2）可得钢丝绳的纵向应变和扭转应变：

??

???-?-=-?++=222222x L P C x L P B A PL Q θε （1-3） 式中 ?——钢丝绳柔性的判定值，?=AB-C 2。

为便于分析，令：

2

2,220x L P T PL Q T n -=+= 方程（1-3）便可改写为：

??

????-=?+=n n T C T B A T θε0 （1-4） 将式（1-4）代入式（1-2）可得，提升钢丝绳中的扭转力矩为：

0T A

C M = （1-5） 但从公式（1-5）又看到，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ε和扭转应变θ图，表示于图1.2-2。

图1.2-2 矿井提升钢丝绳的变形

根据这些图形作以下几点分析：

(1)根据线型法则，钢丝绳的扭转应变θ在悬垂线的中部为零，最大值在两个端部。即：

L

v PL C max max 42±=?±=θ

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 。

(2)钢丝绳的纵向应变在最上部截面处为最大，即 x=O 时 , 2

0max PL B A T ?+=ε 在最下部截面，当 x=L 时： 2

)(0PL B A T L ?-=

ε 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1.5～2m 。

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。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。 1.2.2 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（如图1.2-3）：

图1.2-3 钢丝绳过摩擦轮时的弯曲

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1.2-3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。

对于塔式摩擦轮提升，安装有导向轮。提升钢丝绳在经过摩擦轮的弯曲、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。

1.2.3 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。

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。

1.2.4 摩擦轮提升钢丝绳的旋向和捻距变化

钢丝绳的扭转会引起捻距沿钢丝绳长度的变化，钢丝绳的上面部分松劲，而下面部分扭紧。很明显，由它的上面末端向下面过渡时，钢丝绳的捻距常常是减小，捻距差别最大的地方就是在钢丝绳的两个极端截面处。

在南非一个1800m的深井提升中，对同样四根钢丝绳在悬垂线的两个极端戴面处捻距定期测定，捻距是在大约经过一年零一个月后，同时在四根钢丝绳中测定的。在钢丝绳的上面末端平均拉距为 475 毫米，在下面未端平均为318 毫米。

国内某矿的主井提升提升为一对30t箕斗，采用JKM-4.5×6塔式摩擦轮提升机，配套4400kW交流同步电动机，交-交变频控制，提升度为1094m。在钢丝绳使用6个月后，换绳前对钢丝绳两侧的捻距变化进行了实测，测量位置是防撞梁平台，其变化数据见表1.2-1。

提升侧钢丝绳捻距变小，下放侧钢丝绳捻距变大，各个循环都一样。左、右箕斗处的捻距差值最大为100mm ，这说明钢丝绳内的扭转应力是很大的。另外，可以看出，钢丝绳的捻距在箕斗装载后变小。

荷兰和德国的一些工程师曾对塔式摩擦轮提升机的悬垂钢丝绳扭转角的变化进行过测定。在下钢丝绳离开摩擦轮进入下放侧的点开始直到全部下放到井底为止，画上一条白色的标志带。这时马上就可看到明显的白色标志带旋转。这时，在钢丝绳上半部分出现左螺旋线，在下半部分出现右螺旋线。一个白色标志条带的螺旋距等于钢丝绳旋转一圈。上半部钢丝绳和下半部钢丝绳具有相同的旋转数，但旋转方向相反。在钢丝绳的中间部分白色标志条带不旋转而是走向钢位绳的垂直轴。这些现象足以证实：钢丝绳的扭转变形变化曲钱是对称的，在上面一半和下面一半具有不同的符号，在钢丝绳中部扭转变形等于零，根据测定资料绘制的白色标志条带的旋转数变化曲线与钢丝绳扭转变形曲线完全吻合。

1.3 矿井提升系统的冲击限制理论

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图1.3-1所示所示的二自由度数学模型。

图1.3-1 提升系统的二自由度数学模型

在图1.3-1中研究重载侧钢丝绳弹性振动时，忽略了轻载侧提升钢丝绳的弹性影响。

提升系统的动能T ：

2

31)(2121222121221432211x x x x m x m m m m m x m T x t t ++++++++= 提升系统的势能U ： 21422112111)()(2

1)(21gx m m m f x x C x x g m gx m U t t x x ++++-++--=

式中 C 1——下放绳的弹性系数，1

11L EA N C =，N/m ； L 1——提升容器到摩擦轮间下放绳的长度，m ；

f x ——下放绳的初始位移，1

112C g m C g m f x x +=，m 。 由拉格朗日方程可求得系统的振动微分方程为：

???

????-=--++++++=-+++g j d x x t t x x R M M x x C x m x m m m m m m x x C x m x m m )(61)3(0)(61)31(211121432211211 （1-8） 写成矩阵形式为：

????????-=????????????--+????????????????+++++g j d x t t x x x R M M x x C C C C x x m m m m m m m m m 036

63211111211321 （1-9） 初始条件为：

{}{}{}{}0,000==x

x 1.3.2 提升系统二自由度振动分析

系统的固有振动频率为：

??

???==∑1210C M M ωω （1-10） 式中 14321t t x m m m m m m m M ++++++=∑；

211432)6

()3)((x x t t m m m m m m m m M -+++++= 系统的振型矩振为：

[]?????

???????+-+=∑∑M M m m M M m A x x n )3(116111 作坐标变换：

{}[]{}n n q A x = （1-11）

则根据正交性原理可得：

???-≈+=)()(3233

1t a q q t a q ω （1-12） 求解式（1-12）可得：

??

???--==???ττωτωd t a q dt t a q t ))(sin()(1)(20221 （1-13）

将式（1-13）代入（1-11）可得所求系统的响应为：

???

????-+--=-+-=?∑???∑??ττωτωττωτωd t a M M m m dt t a x d t a M M m dt t a x t x t x ))(sin()(1)3(1()())(sin()(1)61()(202122021 （1-14） 1.3.3 提升容器的加速度动态响应计算

梯形加速度曲线如图1.3-3所示，已广泛用于提升机的加速和减速控制。

图1.3-2 梯形加速度和速度曲线

取梯形加速度控制曲线中的t 1=T-t 2=K N T/N ，(K N 为大于零的正数、N 为正整数)，设a 1=(N/(N-K N ))V/T ，则梯形加速度曲线的计算式为：

???

????≤≤---≤≤≤≤=)()1()()0()(32221211111t t t t T t t a t t t a t t t t a t a

（1-15） 将式（1-15）代入式（1-13）可求得：

当0≤t ≤t 1时:

)sin ))(sin(11

221221

210122t t t t a d t t a q t ωωωττωτω--=--=?（ (1-16) 当t 1≤t ≤t 2时:

))2

(cos(2sin 21())(sin(1))(sin(1121212122121221012211t t t t a d t a d t t a q t t t ---=----=??ωωωωττωωττωτω （1-17） 整理可得梯形加速度响应计算式为：

?????????≤≤---------≤≤---≤≤--=)(])())(sin())2(cos(2sin 21[)())]2(cos(2sin 21[)0()

sin (3222222212121222

12112121222

1

112212212t t t t T t t t T t t t t t t a t t t t t t t a t t t t t t a q ωωωωωωωωωωωωω （1-18）

将式（1-18）代入式（1-13）并求两次导数（变量为含有2ω项的函数），可

得提升容器的加速度响应值为：

???

????≤≤-+--=≤≤-+-=∑∑)())2(cos(2sin 2))31(1(1()())2(cos(2sin 2)61(1(21121212122112121211t t t t t t t M M m a x t t t t t t t M M m a x x x ωωωωωω （1-19） 显然，当01=t 时提升容器的加速度响应为：

))cos()61(1(211t M

M m a x x ω∑+-= （1-20） 当1cos 2-=t ω时提升容器的加速度响应为最大：

)62(1max 1M

M m a x x ∑+= （1-21） 当1

112ωπ==T t （基波振动周期）时，02sin 211111=t t ωω，钢丝绳振动消失，提升容器的加速度响应为：

11a x

= （1-22） 由式（1-22）可以看出，当1

112ωπ==T t （基波振动周期）时，钢丝绳振动消失，提升容器的加速度影响等于给定加速度，且与时间无关。

1.3.4 钢丝绳动张力计算

设加速度沿绳长分布的规律与钢丝绳各点的变形规律相同，故可得重载侧钢丝绳的动张力为：

)))2

(cos(2sin 2)2)6(1(1())2(cos(2sin 2)61(1(2121212111212121121111t t t t M M m m a m t t t t M M m a m x x m x m S x x x x d -+--+-+-=++=∑∑ωωωωωω （1-23） 显然，当1)cos(2-=t ω时，钢丝绳动张力为最大，即：

)2sin 2)2)6(1(1()2

sin 2)61(1(121211121211max 1t t M M m m a m t t M M m a m S x x x d ωωωω∑∑+-++++= （1-24） 取2

sin 21212t t ωωδ=

，化简式（1-24）可得: )3

2()(1111max 1δa m m a m m S x x d +++= （1-25） 显然，式（1-25）中m a x 1d S 随 δ的变化而变化。当 1=δ，即 01=t 时，

11m a x 1)6

5(2a m m S x d +=，当 0=δ，即 /221ωπ=t 时，11max 1)(a m m S x d +=，即等于钢丝绳为刚体条件下的动张力，钢丝绳的动张力减小了近一半。这个特性对保护提升设备、延长其使用寿命、增加提升安全、可靠性均有重要意义。

（0.25倍

（b1倍

图1.3-3 梯形加速度响应曲线

显然，在起动加速或制动减速的变加/减速时间t1=T1（基波振动周期）时，系统的弹性振动消失了，这样不仅大大降低了提升钢丝绳的动张力、提高下井人员的乘座舒适度、保证提升容器准确停车，而且可以在提升机加、减速阶段减小有功冲击和无功冲击，改善电网的供电质量，限制电动机的电枢电流上升率，降低电动机的温升。

为了限制提升系统的起动冲击，有效地限制或消除提升钢丝绳的弹性振动，研究发现采用正弦形、抛物线形和三角形加速度控制曲线，也可取得较好的冲击限制特性。

1.3.5 抛物线形、正弦形、三角形加速度和速度控制曲线

抛物线形、正弦形、三角形加速度和速度控制曲线如图1.3-4。

图1.3-4 抛物线形、正弦形、三角形加速度和速度曲线

当然，提升系统的振动模型可用连续弹性体方程建立，详见《多绳摩擦提升系统动力学研究与工程设计》，限于篇幅，不再赘述。

1.4 提升机松绳时钢丝绳的张力计算

1.4.1 提升重载时紧急制动并松绳的钢丝绳张力计算

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)cos (sin 2/12θθf g V H +=。

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δ动max 和绳端的总张力

S max 。

图1.4-1 提升过程中重载松绳长度为H 时绳端矿车振动示意图

矿车向下滑行，从开始到结束移动距离为H+δ动max ，由机械能守恒，可以列

出方程：

()()max 21max c 21cos sin +H 动动δθθδ=-f mg （1-23）

化简式（1-32）可得：

???? ??-++-=)cos (sin 211C cos f sin mg 111max θθθθδf mgL EAH ）（动 （1-24）

变换式（1-33）并化简可得钢丝绳的冲击力为：

???? ??-++-=)cos (sin 211)cos (sin 111max θθθθf m gL EAH f m g S （1-25）

或：

???? ??-++-=211221max )cos (sin 11)cos (sin θθθθf L mg EAV f mg S （1-26）

由式（1-25）可以看出，松绳距离越大，钢丝绳的冲击力越大；矿车距提升机的距离L 1越短，钢丝绳的冲击力越大。

由式（1-26）可以看出，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L 1越短，钢丝绳的冲击力越大。

目前国内在斜井提升中，因松绳引起的钢丝绳断绳事故很多，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。

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。

对于立井提升，设松绳距离为H ，则钢丝绳张力计算式为：

???? ??++=1max 211m gL EAH m g S （1-27）

由式（1-27）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L 1越短，钢丝绳的冲击力越大。

断绳实例计算：某矿主井发生断绳跑车事故。该井位斜井串车提升，井筒倾角14°，地面栈桥倾角7°20′。提升机型号为XKT2×3×1.5B-20。使用钢丝绳为32NAT6×7-155型钢丝绳，钢丝绳长度2000m ，提升速度4.6m/s 。发生事故时滚筒外露钢丝绳长度58.9m ，每次提升14辆矿车，每辆矿车（包括煤）质量1850kg ，天轮直径1.5m 。

该矿正常提升，当矿车刚出井口门进入栈桥时，安全回路发生故障而紧急制动，产生松绳现象，钢丝绳受矿车冲击而断裂，造成跑车事故。此时钢丝绳直径为30mm ，事故后取样试验的钢丝绳破断力为416kN 。下面对该系统进行冲击力计算。

（1） 容器在栈桥处的自然减速度及滑行距离

自然减速度a c =g (sin θ+f cos θ)=1.34 m/s 2

滑行距离 S c =V 2/2a c =8.88m

式中 V —— 提升速度4.88m/s 。

（2） 提升机上提矿车直栈桥处的紧急制动减速度、制动距离、松绳距离

紧急制动减速度 211/49.2s m mR M M a x

j z z =+=∑ 式中 M z —— 制动力矩225000Nm ；

M j1—— 静力矩54826Nm ；

∑m —— 提升系统变位质量71082kg ；

R x —— 滚筒缠绕半径1.58m 。

制动距离 S z =V 2/2a z1=4.78m

松绳距离 H =S c -S z =4.1m

（3） 冲击力计算

()kN f m g H C f m g S 445)cos (sin 211cos sin 111max =???

? ??-++-=θθθθ 式中 E —— 钢丝绳弹性模数1.035×105MPa ；

A —— 钢丝绳截面积404mm ；

L 1—— 事故时提升机距矿车的钢丝绳长度58.9m ；

f 1—— 阻力系数0.01。

计算结果表明，冲击力445kN 大于钢丝绳破断力416kN ，所以发生断绳事故。 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，如采用恒减速液压制动系统，可以有效减小紧急制动减速度，防止紧急制动时钢丝绳的松绳，进而防止钢丝绳的断裂或破坏。

1.4.2 提升机下放重载过放钢丝绳时的张力计算

开始下放重物时，如果提升机运转速度过大，超过井口推车机的运行速度，这时会过放钢丝绳而造成松绳冲击载荷，产生动应力作用。

设矿车由井口车场进入井筒的初速度为V 始，松绳长度为H ，根据机械能守

恒定律，列方程：

()()21max 2max 121cos sin 21始mV f f H mg f C d d =-+-θθ （1-28） 解方程得：

???

? ??-+-++-=212211111max )cos f sin ()cos f sin (211C )cos f sin (θθθθθθmg V C mg H C mg f d 始（1-29） 钢丝绳的最大动张力为：

???

? ??-+-++-=21221111max )cos f sin ()cos f sin (211)cos f sin (θθθθθθmg V C mg H C mg S 始（1-30） 注意的问题：推车机和提升机的速度配合。

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。

（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。

（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800～900m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。

（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：

N = 1 / (1 / N

+ 1 / N2 + 1 / N3)

1

式中N——钢丝绳使用寿命；

N

——钢丝绳的扭转寿命；

1

N

——钢丝绳的弯曲寿命；

2

N

——钢丝绳的拉伸寿命。

3

显然，钢丝绳的寿命小于拉伸、扭转和弯曲寿命中之最小者。

（7）采用恒减速制动系统和完善的控制系统，有效减小钢丝绳松绳和张力冲击，改善钢丝绳受力。

（8）采用冲击限制理论，合理设计提升机的速度控制曲线，减小提升系统的弹性振动，改善钢丝绳受力。

（9）设置松绳保护装置，并能可靠动作。

（10）立井单绳提升装设性能可靠的防坠器，进行可靠的断绳扑捉。

（11）完善装载计量系统，严防提升机超载。

（12）加强钢丝绳的检查、维护工作，对提升钢丝绳做好定期试验。根据具体条件，定期调头、剁绳头，可以改变钢丝绳受力、磨损、锈蚀部位，消除隐患。即延长了钢丝绳寿命，又减少事故，提高可靠性。

2 提升机运行中的卡罐事故分析及防治

通过卡罐问题的研究，可以讨论由钢丝绳的最大张力问题。

2.1 提升机卡罐的原因

在提升过程中卡罐的原因主要有：

（1）罐笼运行中矿车溜出，与中间水平的摇台或井筒的横梁相碰时造成；

（2）当罐道变形较大，罐笼在罐道上运行时前后左右方向产生较大震动，造成防坠器误动作，使罐笼卡住；

（3）罐笼内载荷偏装，造成提升容器发生偏斜卡在四角罐道上；

（4）操车设备故障或信号工误发信号，造成矿车卡在罐笼与安全门之间；

（5）罐道变形，接头不正，提升容器受风流影响摆动过大而不能正确进入稳罐道等，都是造成卡罐的重要原因。

2.2 卡罐时振动振动方程的建立

对于卡罐时所引起的非常载荷的计算，至今没有有效的解决方法。在提升容器突然卡住时，提升机及下放容器因钢丝绳的变形仍能继续因惯性而运动，设下放容器的位移为x1，而在摩擦轮圆周上任意点共走了位移x2，此时的提升系统卡

罐时的动力学模型如图2.2-1所示。

图2.2-1多绳摩擦式提升机卡罐时二自由度数学模型

最坏的情况是：上升钢丝绳的张力达到钢丝绳的破断拉力时拉断了。这时只要同时知道下放钢丝绳的张力，就可以按照这个数值设计提升井架。这一问题具有很大的实际意义，因为它的计算结果会从根本上影响井架的强度和质量。

根据拉格朗日方程，整理可得二自由度振动微分方程为：

??

???=-+++++=-+++0)(61)3(0)(61)31(11221122211211x C x C C x m x m m m x x C x m x m m x x t x x （2-1） 初始条件为：

{}{}{}{}V x x ==00,0

2.3 提升容器突然卡住时的二自由度振动特性分析

我们把式（2-1）写成二自由度系统的普遍微分方程：

???=+++=+++00222121222121212111212111x c x c x a x a x c x c x a x a

（2-2） 这里系数的值为：

??

???+=-===++===+=2122121121113222112111,3,61,31C C c C c c C c m m m a m a a m m a x t x x 设)sin(,)sin(222111αωαω+=+=t A x t A x ，可求得方程的解为：

???+++=+++=)

sin()sin()sin()sin(22221121222222111211αωαωαωβαωβt A t A x t A t A x （2-3） 2.4 提升容器突然卡住时的二自由度钢丝绳动张力计算

作用于钢丝绳上的总张力之和为：

对于下放绳：

2211122

j x S x x m x m S ++--= （2-4）

对于提升绳：

g m x m m x x m x

m S s x 32221111)2

(2-+-+--= （2-5） 由于上述计算公式是按提升容器瞬间卡死推导出的，在实际提升过程中，很少出现此工况，即使出现罐道变形或其它原因卡死，提升容器也要运行一段时间，故钢丝绳动张力会大大减小。

例一：某矿副井单绳罐笼提升参数如下：提升高度280m ，提升速度8m/s 罐笼质量7720kg ，罐笼载荷4000kg ，钢丝绳每米质量7.4kg/m ，钢丝绳的破断力1260kN,钢丝绳截面积844mm 2，钢丝绳的弹性模数1.5×105 N/mm 2，提升机直径5m ，变为质量55t 。

假设在提升高度一半处，即在距井口140m 处提升容器被卡住，经计算，当经过0.3s 后，上升侧钢丝绳拉断，而下放侧钢丝绳的张力为钢丝绳破断力的0.284倍。据此井架和井塔规范，制定了相关的标准。

在《矿山井架设计规范》GB 50385-2006 中规定：

1 断绳载荷标准值应按下列规定确定：对于单绳提升：一根为断绳载荷，另一根为两倍工作载荷；对于多绳提升：一侧为所有钢丝绳的断绳载荷，另一侧为所有钢丝绳的0.33倍断绳载荷。

2 防撞梁荷载标准值等于断绳载荷标准值。

例二：副井塔式单罐笼带平衡锤提升参数如下：提升高度574m ，提升速度

9.875m/s 罐笼质量46384kg ，罐笼载荷45000kg ，钢丝绳每米质量6×8.52kg/m ，钢丝绳的破断力6×1650kN,钢丝绳截面积6×933.12mm 2，钢丝绳的弹性模数

1.15×105 N/mm 2，提升机直径4.6m ，提升机变为质量30t ，导向轮变为质量10t 。

假设在提升高度一半处，即距井口287.5m 处提升容器被卡住，考虑井架高度后取钢丝绳长度为327m 。经计算，当t =0.23s 时，提升侧钢丝绳的最大张力为3589kN ，下放侧钢丝绳的最大张力为4982.2kN ，最大张力小于钢丝绳破断拉力6×1650=9900kN 。不会出现断绳事故。 2.5 卡罐的防治措施

（1）加强罐笼阻车器的维护内，保持阻车器灵活可靠，防止矿车溜出。

（2）定期检查管道，防止罐道螺栓松动，接头不齐，对容易出现问题的罐道部位进行加固。

（3）防止罐笼内载荷的偏装，减小提升速度，使提升容器能低速进入四角罐道。

（4）提高司机和信号工技术水平，制定紧急预案，对各种异常情况能作出正确判断，采取正确的对策措施。

（5）对回风立井采用对称风道，减小风流影响。

（6）采用高质量防坠器，加强维护，防止防坠器非正常动作。

（7）采用先进和完善的电控保护系统，在检测到卡罐事故时，过载保护能迅速动作，紧急制动提升机，减小旋转系统造成的钢丝绳张力增加。

3 提升机过卷蹾罐事故分析及防治

3.1 提升机过卷和过放（蹾罐）的原因

在矿井提升设备的提升过程中，提升机的过卷蹾罐事故时有发生。提升系统的过卷蹾罐事故一般为上行容器过卷，下放容器过放。

（1）提升机过卷的类型：

——低速过卷：指提升系统安装有速度限制装置，提升容器在井口时速度小于2m/s ，过卷动能不大，过卷距离在允许的范围内。

——高速过卷：指速度限制装置失灵后，容器以全速运行，但过卷开关工作正常，电动机断电，制动器抱闸，提升容器在规定的距离内停止。

——全速过卷：指各种保护失灵，制动系统失效，提升容器以最大提升速度过卷。

（2）提升机过卷的主要原因：

——深度指示器失效，对于机械式深度指示器主要是齿轮传动轴断裂，传动齿轮滚键不咬合，销子断裂，离合器未合好等故障造成。对于电子式深度指示器主要是数码管显示故障，计算机死机等。

——提升机安全防护装置失灵，限速保护装置失灵，过速保护装置失灵，提升机自动减速及警示装置失灵。

——提升机制动装置失灵，提升机液压制动系统故障，回油路堵塞，造成制动器不能抱闸。

——提升机管理及监督部门，对过卷开关试验、维护保养及检查部到位，造成过卷开关失灵。

——进行特殊作业时，现场指挥人员与提升机操作人员配合失误，导致提升机误动作或过卷解除后未恢复等造成过卷事故。

3.2 过卷时的动力学方程建立

设过卷容器的位移为x 1，此时的提升系统过卷时的动力学模型如图3.2-1所示。

图3.2-1 提升机过卷时单自由度数学模型

由拉格朗日方程可得提升系统的单自由度振动微分方程为：

Q x C C x m m m m t x =+++++121132)()3

( （3-1） 式中 Q ——提升系统的惯性力，a m m m m Q t x ))2

1(32+++=（。