提升设备选型设计

第七节矿井提升设备的选择计算

矿井提升设备的选择计算是否经济合理，对矿山的基本建设投资、生产能力、生产效率及吨煤成本都有直接的影响。因此，在进行提升设备选择计算时，首先确定提升方式，在确定提升方式时要考虑下列各点：一、提升机选择原则与计算内容（一）选择的一般原则对于年产量30万吨以下的小型矿井，可采用一套罐笼提升设备，使其完成全部主、副井提升任务是最经济的，也有采用两套罐笼设备的。对于180万吨的大型矿井，有时主井需要采用两套箕斗同时工作才能完成生产任务。副井除配备一套罐笼设备外，多数尚需设置一套单容器平衡锤提升方式，提升矸石。

1）对于年产量大于60万吨的大中型矿井，由于提升煤炭和辅助提升任务较大，一般均设主井、副井两套提升设备。因为箕斗提升能力大、运转费用较低、又易于实现自动化控制，一般情况主井均采用箕斗提升煤炭，副井采用罐笼提升矸石、升降人员和下放材料设备等辅助提升。

2）对于同时开采煤的品种在两种及以上并要求不同品种的煤分别外运的大、中型矿井，则应考虑采用罐笼提升方式作为主井提升。对煤的块度要求较高的大、中型矿井，由于箕斗提升对煤的破碎较大，也要考虑采用罐笼作为主井提升。当地面生产系统靠近井口时，采用箕斗提升可以简化煤的生产流程；若距离井口较远，尚需一段窄轨铁路运输时，采用罐笼提升地面生产系统较为简单。

3）中等以上矿井，主井一般都采用双容器提升，对于多水平同时开采的矿井（特别是采用摩擦提升机）可采用平衡锤单容器提升方式。对于中、小型矿井，一般采用单绳缠绕式提升系统为宜。对于年产量大于90万吨的大型矿井，可采用摩擦提升系统；对于中型矿井井筒较浅时，可采用单绳缠绕提升系统，井筒较深时可采用摩擦提升系统，或主井采用单绳箕斗，副井采用多绳罐笼。

4）矿井若有两个水平，且分前后期开采时，提升机、井架等大型固定设备要按照最终水平选择。提升容器、钢丝绳和提升电动机根据实际情况也可以按照第一水平选择，待井筒延深至第二水平时，再更换，但电动机以换装一次为宜。对于新矿井如没有什么特殊要求，可参照《定型成套设备》的规定确定提升方式，并尽量选用定型设备。但因各个矿井具体情况不同，副井提升量也不一致，因此，可结合具体条件计算、选择，或验算选用的定型成套设备。《定型成套设备》中未规定的如钢丝绳、提升机与井筒相对位置、生产能力与耗电量等也要计算。（二）选型设计的主要内容1、设计依据对于主井提升：（1）矿井年产量An（T/a）；（2）工作制度：年工作日数(300d)、日工作小时数(14h)；（3）矿井开采水平数，各水平井深(HS,m)，及各水平服务年限；（4）卸载水平与井口的高差(HX)；底卸式箕斗：HX

=15~25m

普通罐笼：HX

=0~15m（二）选型设计的主要内容1、设计依据对于主井提升：（5）装载水平与井下运输水平的高差(HX)

；

底卸式箕斗：Hz

=18~25m

普通罐笼：Hz

=0m（6）井筒尺寸、井筒中布置的提升设备套数、井筒附近地形图；（7）散煤密度（吨/米3）。（8）提升方式：箕斗或罐笼。（9）矿井电压等级。对于副井提升：（1）矸石年提升量：一般取煤产量的15～20%，最大班出矸量按日出矸量的50%计算，矸石密度（吨/米3）；（2）各水平井深，及各水平服务年限；（3）最大班下井人员数目（人/班）；（4）每班下井材料、设备、炸药数目（次/班）运送最大设备质量（kg）；（5）井筒尺寸、井筒中布置的提升设备套数、井上下车场布置形式、井筒附近地形图；（6）提升罐笼的型式、规格、罐笼的质量（kg），矿车规格。2、设计的主要内容（1）计算并选择提升容器（2）计算并选择提升钢丝绳（3）计算并选择提升机（4）提升电动机的预选（5）提升机与井筒的相对位置（6）运动学、动力学计算（7）电动机功率的验算（8）计算吨煤电耗（对于主井提升）（9）制定最大班作业时间平衡表（对于副井）二、选择计算步骤（一）提升容器的选择提升容器的容量要按提升任务的大小来确定。如有几种容器都满足时，则要考虑其经济效果。从降低初期投资看，应选择容量较小的提升容器；从节省运转费用的观点出发，选择容量较大的容器较好。为解决上述矛盾，应通过技术经济比较，并考虑矿井将来的发展，选择出合理的方案。一般认为，在不加大提升机及井筒直径的前提下，选择较大容积的提升容器，采用较低的提升速度，节省电耗，比较经济合理。二、选择计算步骤（一）提升容器的选择1、确定合理提升速度目前，我国煤矿设计部门在选择提升容器时，一般都采用经济速度法。常用的经济提升速度为：式中：Vj——经济提升速度，m／s；

H——提升高度，m。一般情况下，取中间值进行设计，即:二、选择计算步骤（一）提升容器的选择1、确定合理提升速度对于箕斗提升：式中：HS——矿井深度，m；

Hx——卸载水平与井口的高度差，m；

Hz——装载水平与井下匀速水平的高度差，m。式中：a1——提升加速度；在以下范围内选取：升降物料时：a1≤0.8（m/s2），升降人员时：a1≤0.75（m/s2），t/——容器减速与爬行的估算附加时间；对于箕斗：t/=10s；对于罐笼t/：=5s；θ——休止时间。，s（一）提升容器的选择

2、经济提升时间普通罐笼进出材料车、平板车休止时间为40～60s。单层罐笼每次升降5人及以下时，其休止时间为20s，超过5人每增加1人增加1s。双层罐笼升降人员，如两层中的人员可同时进出罐笼时，休止时间比单层罐笼增加2s信号联系时间，但人员由一个水平进出时，休止时间比单层罐笼增加一倍，如表一，另增加6s换置罐笼时间；表一普通罐笼进出矿车休止时间（s）罐笼型式单层装车罐笼双层装车罐笼进出车方式两侧进出车同侧进出车一个水平进出车两层同时进出车每层矿车数1211212矿车规格1

1.53休止时间（s）12131515

17

-35

-

-30

32

3636

40

-17

18

2020

22

-表二箕斗休止时间箕斗规格6吨以下8～9吨12吨16吨20吨休止时间（s）810121620一次提升量估算：式中：c——提升工作不均衡系数；有井底煤仓时，c=1.1～1.15，无井底煤仓时，c=1.2，当矿井有两套提升设备时，c=1.15，只有一套提升设备时，c=1.25；af——提升能力富裕系数，对第一水平一般为1.2；br——一年工作日，一般为300（日）；t——一日工作时数，一般为14h。根据mj值在箕斗规格表中，选取标准箕斗容量m。选箕斗时，应在不增大提升机，及井筒直径的前提下，尽量采用大容量箕斗，以降低提升速度、节省电耗。若采用罐笼应按矿车规格选择。根据计算出的一次合理经济提升量mj，如果是箕斗提升，便可在箕斗规格表中选取较接近的标准箕斗，被选用的箕斗载货量一般应大于或等于mj.

根据选出的箕斗型号计算一次提升循环所需的时间为式中m——所选出的标准箕斗的一次提升实际载货量，t。其值为箕斗的容积与货载密度的乘积。按前式可得上式以v为未知数求解一元二次方程，其合理的提升速度为

V1是选择提升机标准速度的一个依据，按V1在提升机技术性能表中选用相近的标准速度。

《煤矿安全规程》规定：立井中用罐笼升降人员的最大速度Vm不得超过规定的数值,即：(V1=0.5H1/2);若升降物料，最大速度Vm=0.6H1/2。普通罐笼的选择，除了应和矿井运输采用的车辆规格相适应外，还应结合下列因素来确定:(1)当矿井的各种辅助提升工作量不大时，如果利用单层罐笼能够满足包括升降人员在内的全部辅助性提升的需要，则应优先采用单层罐笼。

(2)若矿井升降人员较多，利用单层罐笼提人占用的时间较长，则为了缩短升降人员的时间，应采用双层罐笼，各层同时升降人员，在井口、井底以及升降人员数量较多的中间水平相应设置上、下人员平台，以节省罐笼上、下人时的休止时间。采用双层罐笼后，应结合其他各种辅助提升工作量的大小，确定其他辅助提升是用单层或双层同时工作。副井罐笼提升应结合矿井辅助提升的工作量确定提升速度。首先应考虑在规定的时间内升降完上、下井人员。根据《煤炭工业设计规范》规定：最大班工人下井时间一般不超过40min。据此即可求出提升速度。三、提升钢丝绳的选择计算钢丝绳在工作过程中，产生许多复杂的应力，如静应力、动应力、弯曲应力，扭转应力、挤压应力及接触应力等，这些应力的反复作用，必将引起钢丝的疲劳、损坏；另外还受到磨损及腐蚀这也导致钢丝绳的损坏。如此复杂的各种影响因素，计算时不能一一考虑。因此，《煤矿安全规程》规定，计算钢丝绳时按最大静载荷计算并考虑一定的安全系数。且规定：单绳缠绕式提升装置的安全系数为专为升降人员的不得小于9；升降人员和物料用的—升降人员时不得小于9，提升物料时不得小于7.5；专为升降物料用的不得小于6.5。

1、立井单绳提升钢丝绳的选择计算如图，A点承受静载荷最大，其最大静载荷Qmax为：

Qmax=Q+Q2+qHC

Qmax=m·g+mz·g+mq·g·H0式中:Q=m·g

一次提升货载的重量

N；

m—货载质量,kg；

Qz=mz·g

容器的自身重量,N；

mz—容器质量,kg；

q=mq·g

钢丝绳每米重量,N/m；mp—钢丝绳质量，kg/m；HC—钢丝绳最大悬垂长度，m；

HC=Hj+Hs+Hz

，mHj—井架高度，m；此值在计算钢丝绳时尚不能精确确定，可采用下列数值：罐笼提升Hj=15～25m；箕斗提升Hj=30～35m；Hs—矿井深度，m；Hz—由井底车场水平到容器装载的距离（m），罐笼提升Hz=0；箕斗提升Hz=18～25m。以σB为所要选择的钢丝绳公称抗拉强度（N/㎡），S为所有钢丝断面积之和（㎡），如果钢丝绳不被拉断，就必须满足：设ma为《煤矿安全规程》规定钢丝绳的安全系数，则为解上式，找出mp与S的关系，设钢丝绳的平均密度为9400kg/m3，断面积和为S（㎡），长度为1m的质量mq为：

mq=9400·Skg/m上式中的S可写成：

将上式代入设g=10m/s2，则可得：根据计算出的值，在规格表中选取与计算相近的标准钢丝绳直径，再按选出的资料，验算其安全系数是否符合要求即：式中：Qq—所选钢丝绳全部钢丝破断拉力总和，N；

Q+Q2+qHc—货载、容器、钢丝绳重量总和。若验算结果不满足要求，即不满足《煤矿安全规程》要求，应重新选钢丝绳，并重新验算，直到满足要求为止。四、提升机滚筒尺寸的确定

1、提升机滚筒直径DD是计算选择提升机的主要技术数据。以钢丝绳缠绕时不产生过大的弯曲应力为选择的原则。钢丝绳的弯曲试验表明当D/d=80时（D滚筒直径，d钢丝绳直径），弯曲应力σw较小，D/d再增大，σw并无显著下降；D/d继续减小，σw将会引起急剧增加，因此《规程》规定：井上提升机的滚筒和围抱角大于90°的天轮：式中δ——钢丝绳中最粗钢丝的直径，mm。围抱角小于90°的天轮：根据计算，选择标准滚筒直径。围抱角小于90°的天轮：井下提升机和凿井提升机的滚筒和围抱角大于90°的天轮：

2、提升机滚筒宽度B

提升机滚筒宽度B的尺寸，以能容纳应缠绕的钢丝绳为原则，应包括相当于提升高度H米；还包括规定钢丝绳每半年剁绳头一次作试验（一次5米），如果绳的寿命按三年考虑，则缠绕滚筒上作试验用的钢丝绳长为30米；另外滚筒表面应保留3圈摩擦圈，以便减轻绳与滚筒固定处的拉力。作单层缠绕滚筒的计算宽度B为：式中d——钢丝绳直径，mm；

ε——钢丝绳绳圈之间的间距，一般取2～3mm。若钢丝绳在滚筒上作双层缠绕时，为了避免上下层钢丝绳总是在一个地方过渡而损坏，要求每季度错动1/4圈，根据钢丝绳设计寿命，计算多层缠绕滚筒宽度时应加此错动绳2～4圈。式中：k——缠绕层数；

DP——平均缠绕直径，mm。单滚筒双钩提升计算滚筒宽度时，试验绳长应是两倍，摩擦圈也是两倍，还应再加上2圈为缠绕与下放两绳之间的间隔绳圈。式中：n//——单滚筒作双滚筒提升时，缠绕和下放钢丝绳间应留圈数，n//»2圈。

《煤矿安全规程》规定及计算卷筒宽度时应注意的问题

《煤矿安全规程》对卷筒上缠绕钢丝绳的层数进行了严格规定：立井中升降人员或升降人员和物料的，只准缠绕一层；专为升降物料的，准许缠绕两层；在45。以下的倾斜井巷中升降人员的，准许缠绕两层；在30。以下、斜长超过600m的倾斜井巷中升降人员的，准许缠绕三层；暗井(包括立井、绞车道等)中专为升降物料和地面运输(倾斜或水平)用的，准许缠绕三层。利用上述公式计算卷筒宽度时，应注意的问题：①当计算宽度比标准宽度稍大时，可适当减小ε值或设法将长出的那几米钢丝绳先储存在卷筒内；②当计算宽度小于标准宽度时，可适当加大ε值，使钢丝绳在卷筒上均匀分布，而不至于集中于一侧，恶化卷筒工作状态；③计算单绳缠绕式卷筒宽度时，应考虑过卷高度。根据计算所得的滚筒直径与宽度，选择稍大且接近计算尺寸的标准提升机的直径和宽度，若无接近的，则可另选较大的，或者在《规程》允许的情况下作多层缠绕。为了保证提升机有足够的强度，还必须验算所选提升机最大静张力Fjmax（它关系到滚筒与主轴的强度）及最大静张力差Fc（它关系到主轴的强度）应满足下式：式中：Fjmax及Fc由提升机产品规格中查得，如果验算不符合规定，需要重选较大的。五、天轮的选择根据《煤矿安全规程》规定选择天轮的直径。

1．对于地面设备若钢丝绳与天轮的围包角大于90。，则若钢丝绳与天轮的围包角小于90。，则2．对于并下设备若钢丝绳与天轮的围包角大于90。，则若钢丝绳与天轮的围包角小于90。，则式中：D——天轮直径，mm；

d——钢丝绳直径，mm；

δ——钢丝绳中最粗钢丝直径，mm。六、提升机与井筒的相对位置提升机对井筒的相对位置，关系到矿井地面工业广场的布置、井下保安煤柱的尺寸及提升设备和地面运输系统的安全、可靠运行。在确定位置的各参数时，应当根据地形及生产条件，因地制宜，首先考虑提升机对井筒的不止方式，再确定相对位置的几个参数尺寸。

五、提升机与井筒的相对位置1、井架高度Hj

式中Hx——卸载高度（m），由井口水平到卸载位置的容器底座的高度。对于罐笼提升一般在井口水平装卸载其Hx=0～15m；对于箕斗提升因地面装设有煤仓等其Hx=18～25m；Hr——容器全高（m），容器底至连接装置最上一个绳卡之间的距离，可在容器规格表中查取。Hg——过卷高度（m），容器正常卸载位置到钢丝绳最上一个绳卡与天轮接触的距离，按《规程》规定：对于罐笼提升，且提升速度Vm<3m/s时，Hg≥4m；当提升速度Vm≥3m/s时，Hg≥6m；对于箕斗提升Hg≥4m。Rt——天轮半径，0.75Rt表示附加距离，是容器最上一个绳卡将要与天轮轮缘相接触时的位置至天轮水平轴线间的距离。此距离考虑对于有斜撑的井架，其斜撑的基础与井筒中心的水平距离约0.6Hj，另外考虑提升机在运输中钢丝绳的稳定性，所以Ls的最小距离按下面经验公式计算：2、滚筒中心至井筒钢丝绳之间的水平距离Ls

3、钢丝绳弦长Lx

钢丝绳弦长是指钢丝绳离开滚筒处至与接触天轮接触处的绳长。

3、钢丝绳弦长Lx

由图可见上下两条弦长不完全相等，但均以滚筒中心至天轮中心之间的距离来计算弦长，即：钢丝绳的弦长不能过长，过长则钢丝绳振动增大，因此，钢丝绳有跳出天轮轮缘的危险，一般不超过60m。

式中C0——提升机主轴中心线高出井口水平的距离，此值决定于滚筒直径、地形和土壤等情况，一般C0=1～2m；

Dt——天轮直径。

4、钢丝绳的偏角α

钢丝绳的弦长与天轮平面的夹角，从上图可见，偏角有两个，α1称外偏角，α2称内偏角，根据《规程》规定，内、外偏角不得超过1°30ˊ，否则绳与天轮轮缘的磨损过甚，易发生钢丝绳跳出天轮的事故。最大内偏角最大外偏角式中s——两天轮间的距离（m）,其值决定于容器的规格及提升容器在井筒内的布置,可查提升机规格表中两滚筒中心距；

a——两滚筒之间的间隙（m）,其值见提升机规格表。钢丝绳弦与水平之间的夹角称滚筒钢丝绳的出绳角。出绳角大小影响提升机主轴的受力情况。大于零时钢丝绳拉力有一向上的分力能抵消一部